Utilizando plantas de tabaco “optogenéticas” recién generadas, equipos de investigación de los departamentos de Fisiología Vegetal y Neurofisiología de la Universidad de Würzburg han investigado cómo las plantas procesan las señales externas.
Cuando se trata de supervivencia, las plantas tienen una enorme desventaja en comparación con muchos otros organismos vivos: no pueden simplemente cambiar su ubicación si los depredadores o patógenos las atacan o las condiciones ambientales cambian en su desventaja.
Por este motivo, las plantas han desarrollado diferentes estrategias para reaccionar ante este tipo de ataques. Estas reacciones suelen desencadenarse por determinadas señales del entorno. Como se sabe desde hace tiempo, la concentración intracelular de calcio desempeña un papel importante en el procesamiento de estas señales.
Además de los cambios en el nivel de calcio citoplasmático, también se sospecha que los cambios en el potencial de membrana de la célula pueden ser un transmisor de señales. Los grupos de investigación de los departamentos de neurofisiología, biología farmacéutica y botánica de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) han estudiado en profundidad la relación entre el calcio y el potencial de membrana y han publicado sus resultados en la revista Nature.
Los canales sensibles a la luz permiten manipulaciones específicas
Para su estudio, los equipos de investigación trabajaron con plantas de tabaco que poseen canales iónicos que pueden activarse específicamente con la luz. Hace más de 20 años, Peter Hegemann, Georg Nagel y Ernst Bamberg iniciaron el éxito de la optogenética con el descubrimiento y la caracterización de los canales iónicos activados por la luz, las llamadas canalrodopsinas. Con la ayuda de estas proteínas sensibles a la luz, que se obtienen de algas y microorganismos, los investigadores de la JMU pudieron investigar experimentalmente si la entrada de iones de calcio o la despolarización de la membrana celular mediada por el eflujo de aniones es decisiva para la reacción de la planta a una determinada situación de estrés. Sin embargo, los científicos tuvieron que realizar un gran trabajo preparatorio antes de poder hacerlo.
Optogenética con rodopsinas
Las canalrodopsinas, canales iónicos que llevan un interruptor de luz intrínseco basado en rodopsina, revolucionaron la neurociencia al investigar las redes neuronales bajo control lumínico. El uso de las canalrodopsinas en la investigación de plantas no fue posible hasta 20 años después, gracias a la estrecha colaboración entre el grupo de Georg Nagel, catedrático del Instituto de Fisiología de la JMU, e investigadores de plantas de las cátedras de Würzburg de Botánica 1, 2 y Biología Farmacéutica.
En 2021, el grupo de Georg Nagel, junto con el Dr. Kai Konrad, líder del grupo de la Cátedra JMU del Prof. Rainer Hedrich Botánica 1, publicó un enfoque para optimizar el uso de canalrodopsinas en plantas superando tres dificultades principales.
Las rodopsinas requieren vitamina A
Punto 1: “Como todas las rodopsinas, incluidas las que se encuentran en nuestros ojos, las canalrodopsinas necesitan la pequeña molécula retinal, también conocida como vitamina A, para absorber la luz. Los humanos obtenemos retinal principalmente del betacaroteno, la provitamina A. Sin embargo, las plantas de Öland no contienen retinal, sino una gran cantidad de betacaroteno”, explica el Dr. Shiqiang Gao, coautor de la publicación de Nature e “ingeniero de rodopsinas” del laboratorio de optogenética del Departamento de Neurofisiología de la JMU.
En 2021, Gao logró por primera vez combinar la expresión de canalrodopsinas con la producción de retinal a partir de betacaroteno en células vegetales. Esto permitió el desarrollo de plantas de tabaco con un alto contenido de retinal y una expresión exitosa de canalrodopsinas.
El Dr. Markus Krischke, de la Unidad Central de Metabolómica del Departamento de Biología Farmacéutica dirigido por el Profesor Martin Müller en la JMU Würzburg, confirmó el alto contenido de retinal de las diversas plantas de tabaco transgénicas.
Meiqi Ding, del Departamento de Botánica I, bajo la dirección del fisiólogo vegetal y experto en procesamiento de señales vegetales, Dr. Kai Konrad, del grupo del profesor Rainer Hedrich del Departamento de Botánica I, produjo plantas de tabaco transgénicas comparables para el estudio publicado recientemente.
Las plantas necesitan luz para crecer
Punto 2: “La mayoría de las rodopsinas se activan con luz azul o verde, pero siempre se trata de un componente de la luz blanca”, explica Georg Nagel. Por ello, las plantas de tabaco no se podían cultivar en invernaderos o bajo luz blanca artificial, como suele ser el caso. Solo en cámaras de crecimiento especiales con luz LED roja, que se puede utilizar para la fotosíntesis, fue posible evitar la activación no deseada de las rodopsinas. Los ensayos en diferentes condiciones de crecimiento demostraron que “el tabaco se desarrolla de forma sana y sin cambios bajo luz roja en comparación con las condiciones de invernadero”, afirma el Dr. Kai Konrad.
Expresión funcional de las canalrodopsinas en plantas
Punto 3: La expresión de la canalrodopsina en las células del tabaco suele presentar dificultades. En 2021, el equipo de científicos de Würzburg logró expresar el canal aniónico activado por luz GtACR1 en células de plantas de tabaco. Como resultado, el equipo de Georg Nagel pudo desarrollar varias canalrodopsinas optimizadas para la permeabilidad de los iones de calcio. Finalmente, el Dr. Shiqiang Gao y Shang Yang, ambos miembros del grupo de Nagel, lograron desarrollar una canalrodopsina XXM 2.0 muy buena conductora de calcio para su expresión dirigida en plantas de tabaco.
Este fue el gran avance: “La expresión exitosa de canalrodopsinas con diferente selectividad iónica en células vegetales permite la comparación de diferentes señales iónicas en paralelo a la señal eléctrica, la llamada despolarización”, explica la Dra. Meiqi Ding. Utilizó la canalrodopsina conductora de calcio XXM 2.0 y el canal aniónico activado por luz GtACR1 para investigar las diferentes vías de señalización iónica en el tabaco.
Una nueva era en la investigación vegetal
Las plantas de tabaco “optogénicas” recién creadas permitieron aclarar la cuestión de si la entrada de calcio o la despolarización de la membrana son decisivas para la respuesta de la planta a una situación de estrés específica. “La respuesta fue clara”, afirma el Dr. Kai Konrad, autor correspondiente. La primera autora, la Dra. Meiqi Ding, del grupo de Konrad, explica: “Después de la activación del canal de aniones, las hojas se marchitaron y respondieron con la respuesta típica de las plantas a la sequía: se produjo la hormona vegetal ácido abscísico (ABA) y se incrementó la expresión génica para proteger contra la desecación”.
“Sin embargo, en las plantas con el canal de calcio, no se observaron cambios en los niveles de ABA después de la estimulación optogenética”, continuó el Dr. Ding. “En cambio, las plantas produjeron moléculas de señalización y hormonas vegetales para iniciar mecanismos de defensa contra los depredadores, reconocibles por manchas blancas en las hojas”, dijo el Dr. Konrad.
El Dr. Sönke Scherzer, en la cátedra del Prof. Hedrich, pudo demostrar mediante mediciones directas de ROS que en el proceso se liberan especies reactivas de oxígeno (ROS).
Dirk Becker y Rainer Hedrich, de la Cátedra de Botánica 1, diseñaron un enfoque experimental para apoyar la hipótesis de trabajo utilizando análisis transcriptómico y bioinformático.
Los científicos están convencidos de que este estudio es sólo el comienzo de una nueva era en la investigación de plantas. En definitiva, las vías de señalización de las plantas pueden ahora “iluminarse” mejor utilizando diversas rodopsinas.
Publicación original
Sondeo optogenético del procesamiento de señales de las plantas mediante dos canalrodopsinas. Meiqi Ding, Yang Zhou, Dirk Becker, Shang Yang, Markus Krischke, Sönke Scherzer, Jing Yu-Strzelczyk, Martin J. Mueller, Rainer Hedrich, Georg Nagel, Shiqiang Gao, Kai R. Konrad. Nature, 28 de agosto de 2024. DOI: 10.1038/s41586’024 -07884-1. ‘024 -07884-1
