Hace cinco años, investigadores del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) liderados por la Profesora de investigación del CSIC (España) Paloma Mas, hicieron un descubrimiento revolucionario en el campo del reloj circadiano.
plants melatonin
© CRAG
Detalle de una placa de 96 pocillos modificada utilizada por los investigadores del CRAG para examinar simultáneamente los ritmos circadianos en el ápice (pocillo superior) y en la raíz (pocillo inferior) de las plántulas de Arabidopsis.
Descubrieron que el reloj del ápice de las plantas funciona de una manera similar al reloj en el cerebro de los mamíferos, ya que en ambos casos son capaces de sincronizar los ritmos de células y órganos distantes. A partir de ese gran hallazgo, los investigadores de plantas han estado ansiosos por descubrir la molécula mensajera que podría viajar desde el ápice hasta la raíz para orquestar los ritmos. La respuesta acaba de ser publicada esta semana en la prestigiosa revista Nature Plants por el equipo de Paloma Mas y sus colaboradores de Japón, Reino Unido y Estados Unidos. Han identificado que el mensajero es ELF4, una pequeña proteína esencial del reloj. Además, a través de una serie de ingeniosos experimentos, los investigadores han descubierto que el movimiento de esta proteína es sensible a la temperatura ambiental.

La mayoría de los organismos vivos, incluidos los humanos y las plantas, tienen un reloj biológico interno que les permite anticipar y adaptarse a los cambios ambientales producidos por la rotación de la tierra cada 24 horas. En las plantas, este reloj biológico circadiano es crucial para establecer el tiempo de germinación, crecimiento y floración, entre otros procesos. El reloj circadiano está formado por un conjunto de proteínas celulares cuya cantidad y actividad oscilan diariamente. Los investigadores que descubrieron este mecanismo fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2017.

Cada célula vegetal contiene un reloj circadiano, es decir, contiene toda la maquinaria necesaria para adaptar sus respuestas al ciclo de 24 horas. Sin embargo, tal y como investigadores del CRAG publicaron en un transcendental artículo en Cell (2015), las plantas, como mamíferos, tienen un reloj circadiano maestro, que sincroniza los relojes periféricos dispersos por toda la planta. La profesora del CSIC, Paloma Mas, explica: "Sabíamos que había una señal circadiana que se movía de los brotes a las raíces, pero no conocíamos la naturaleza de esta señal. Podrían haber sido hormonas, productos fotosintéticos... Ahora, hemos descubierto que es una proteína esencial del reloj circadiano que se mueve utilizando el floema de la planta."

Los investigadores diseñaron ingeniosos experimentos de injerto con la planta modelo Arabidopsis thaliana, conectando diferentes ápices en varias raíces en las que el reloj no funcionaba correctamente. Estos experimentos les permitieron identificar la proteína del reloj ELF4, un acrónimo para "EARLY FLOWERING 4", como la proteína que se mueve de los ápices a las raíces para transmitir la información circadiana.

Cualquiera que se haya recuperado del jet lag, sabe que, afortunadamente, el reloj biológico circadiano puede reiniciarse mediante señales de luz ambiental, lo que permite que el cuerpo se adapte a la nueva zona horaria en pocos días. De la misma manera que el reloj circadiano puede sincronizarse con la luz, también puede integrar información sobre la temperatura ambiente.

Para discernir si la proteína ELF4 estaba transmitiendo a las raíces información sobre los cambios de luz o de temperatura, los dos reguladores principales del reloj circadiano, los investigadores estudiaron el movimiento de ELF4 en diferentes condiciones ambientales. Descubrieron que las temperaturas más bajas (12ºC) favorecían la movilidad de ELF4 del ápice hacia la raíz, lo que ralentizaba el ritmo del reloj de la raíz. En cambio, cuando los experimentos se realizaron a temperaturas más altas (28ºC), observaron menor movimiento de ELF4, lo que conduce a una aceleración del reloj en la raíz. Este descubrimiento podría estar desvelando un nuevo mecanismo de adaptación de la raíz en respuesta a las variaciones de temperatura.

Todo este conocimiento generado con una pequeña planta modelo podría tener un impacto en el futuro cercano. "El cambio climático y el aumento de las temperaturas están causando sequías, que ya están afectando la productividad de los cultivos en la agricultura. Conocer los genes y proteínas que usan las plantas para adaptar su fisiología a las condiciones ambientales nos permitirá diseñar cultivos mejor adaptados, que serán clave para garantizar la seguridad alimentaria", explica la investigadora del CRAG Paloma Mas.