A primera vista, las plantas pueden parecer pasivas, pero debajo de su quietud se encuentra un mundo de complejidad y actividad constante. Las plantas son altamente sensibles a su entorno, monitoreando continuamente las señales ambientales para adaptarse y sobrevivir. Piense en ellos como vecinos curiosos de la naturaleza, siempre alerta a lo que sucede a su alrededor.
Desde cambios sutiles en la luz y la temperatura hasta la presencia de polinizadores, microbios o cambios en la salinidad del suelo, las plantas pueden detectar un rango de señales. En respuesta, pueden alterar la dirección de crecimiento, retrasar la floración o producir productos químicos protectores.
Mis colegas y yo hemos creado un mapa celular por celda de cómo las plantas responden a las señales del suelo. El mapa ofrece información sobre el comportamiento de la planta en un nivel de detalle sin precedentes. Podría cambiar nuestra comprensión de cómo los seres vivos se adaptan a su entorno y ayudar a las plantas sobrevivir al cambio climático.
Primero es importante comprender cómo funcionan los genes dentro de un organismo.
El genoma humano contiene aproximadamente 20,000 genes. Pero, al igual que otros animales y plantas, no todos estos genes están activos al mismo tiempo o en cada célula. Se llama expresión génica selectiva. Durante años, los científicos creían que la expresión génica selectiva era la principal explicación de por qué nuestras células de la piel difieren de las células musculares a pesar de que llevan el mismo plan genético. Cada tipo de célula activa un conjunto único de genes, produciendo proteínas que definen su estructura y función.
Pero los descubrimientos científicos durante la última década han revelado que hay más en la historia. Es más claro que la función de una célula también está determinada por lo que sucede con esas proteínas después.
Una vez que se hace una proteína, puede sufrir modificaciones químicas que alteran su comportamiento. Piense en ello como usar una herramienta. Si necesita ver lejos, puede recoger un telescopio. Sigues siendo la misma persona, pero ahora con una visión mejorada. Del mismo modo, una proteína se puede “actualizar” con una etiqueta que aumenta su actividad. Por otro lado, imagine estar equipado con una pelota y una cadena: su movimiento está restringido. Las células hacen algo similar a las proteínas que producen, uniendo moléculas que activan o suprimen su función.
Este proceso, conocido como modificación postraduccional (PTM), agrega una nueva capa de complejidad a la biología. El primer PTM identificado fue la fosforilación en 1906. Desde entonces, los científicos han identificado más de 500 tipos de estas modificaciones. Por ejemplo, la ubiquitinación, una etiqueta que a menudo marca proteínas para la destrucción. Es la forma en que la casa de limpieza de la célula, deshacerse de proteínas que ya no son necesarias, al igual que lavar y almacenar su taza de café después de su uso (¡aunque algunos de nosotros somos mejores que otras!).
Estos pequeños ajustes moleculares ayudan a las células a responder a las condiciones cambiantes, regulan su maquinaria interna y mantienen la salud del organismo.
La mayoría de los PTM implican procesos complejos que tienen lugar en diferentes partes de la célula, lo que dificulta los científicos de rastrear y comprender. Pero la sumoilación, un tipo de PTM, se basa en un conjunto más simple de enzimas. Y los investigadores creen que este sistema simplificado está estrechamente ligado a su papel en ayudar a las células a responder a su entorno.
Esto es especialmente importante en las plantas, donde las señales ambientales como la luz, la temperatura, la humedad y la sequía influyen en las etapas de desarrollo, como la germinación, la floración y el desprendimiento de hojas. Estas señales también afectan la estructura, como la complejidad de la raíz y la ramificación del tallo. Comprender cómo las plantas usan sumoilación para interpretar y responder a estas señales podría allanar el camino para prácticas agrícolas más inteligentes y más sostenibles.
Para desentrañar cómo opera sumoilación en plantas, un grupo de científicos en el Reino Unido, respaldados por el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas, formó un consorcio de investigación. Esta iniciativa reunió a expertos (incluidos yo) de cuatro universidades: Durham, Nottingham, Cambridge y Liverpool.
El primer obstáculo del consorcio fue construir un sistema que pudiera rastrear la actividad de cada enzima involucrada en la producción de sumo dentro de la planta modelo Arabidopsis thaliana. Muchas personas también conocen esta planta como trips thale y es común encontrarla en el borde de las carreteras y los senderos para caminar. Esta planta fue elegida por su estructura simple, composición genética bien estudiada y respuestas predecibles a los cambios ambientales, por lo que es ideal para estudiar procesos biológicos complejos.
Este sistema permitió a mis colegas y a mí monitorear cuándo y dónde cada componente de la maquinaria de sumo estaba activo, junto con las proteínas que modifica. La plataforma también permitió un análisis molecular más profundo, como la identificación de socios moleculares previamente desconocidos.
El siguiente desafío fue explorar cómo se comporta cada componente del sistema Sumo cuando las plantas enfrentan el estrés ambiental. El equipo se centró en la sequía, la salinidad del suelo o el agua y el ataque de patógenos. Dado que las raíces son a menudo la primera parte de la planta en sentir y responder a estas amenazas, nos acercamos a este órgano para comprender su papel en la adaptación al estrés.
Nuestros hallazgos revelaron que el estrés por la sequía desencadena la señalización de sumo en los tejidos internos de la raíz, mientras que el estrés salino se detecta en las capas externas. Y los ataques de patógenos activan las respuestas en las células divisorias de la raíz. Las células divisorias son aquellas que acaban de hacer y no han alcanzado la madurez. Todas estas señales de estrés parecen converger en una sola proteína, SCE1. Esta proteína ayuda a unir sumo a los cubos moleculares que guían los cambios celulares.
Esto hace que SCE1 sea un candidato prometedor para desarrollar nuevas estrategias para impulsar la resiliencia de las plantas. Si mejoramos la función de SCE1, puede ser posible ayudar a las plantas a responder de manera más rápida a la sequía e iniciar mecanismos de protección para conservar el agua antes de que el daño se vuelva irreversible.
Comprender cómo los PTM dan forma a la adaptación celular y la función de proteínas abre nuevas vías para abordar el estrés en las plantas. Pero las implicaciones van mucho más allá de la agricultura. Los mismos principios se aplican a la salud animal y humana, donde los PTM juegan roles críticos en la inmunidad, el desarrollo y la resistencia a las enfermedades. Desbloquear sus secretos podría cambiar la forma en que abordamos todo, desde la resiliencia de los cultivos hasta las terapias médicas.
Miguel de Lucas, profesor asociado en Biosciencias, Universidad de Durham
