Introducción a la Aclimatación al Frío en Plantas
La aclimatación al frío es una respuesta adaptativa crucial mediante la cual muchas plantas se preparan para el invierno. Este proceso, que ocurre durante el otoño, implica aumentar la tolerancia a las heladas tras la exposición a temperaturas bajas pero no de congelación.
Descubrimiento del Mecanismo Molecular de la Aclimatación al Frío
Un estudio internacional, liderado por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha identificado por primera vez el mecanismo molecular por el cual el regulador NPR1 (Non-expresser of Pathogenesis-Related genes 1) activa el proceso de aclimatación al frío.
Según explica el investigador principal del estudio, Julio Salinas, del grupo de Biología Molecular de Plantas del Centro de Investigaciones Biológicas: “Utilizando un enfoque experimental multidisciplinar y la planta Arabidopsis como sistema modelo, el estudio, resultado de una colaboración internacional, demuestra que, en respuesta a temperaturas bajas, los oligómeros citoplásmicos de NPR1 liberan monómeros que se desplazan al núcleo donde interaccionan con los factores de transcripción de choque térmico HSFA1”.
El regulador NPR1 es bien conocido por su papel fundamental en la regulación de la respuesta de las plantas al ataque de patógenos, confiriéndoles inmunidad a través de una cascada transcripcional mediada por ácido salicílico y factores de transcripción de la familia TGA.
El Papel de los ARN No Codificantes en la Tolerancia al Estrés
El descubrimiento de mecanismos de tolerancia al frío podría ayudar a iluminar un nuevo camino para modificar y diseñar plantas tolerantes a la sequía y salinidad, incluyendo cultivos alimentarios. El ARN no codificante (ARNnc) descubierto por el equipo del Dr. Liming Xiong en la planta modelo Arabidopsis thaliana existía en bajo número bajo condiciones no estrictas, pero aumentaba sus niveles cuando las plantas se encontraban bajo sequía o con estrés salino.
La mayoría de los ARN dirigen o "codifican" la maquinaria de la célula para producir las proteínas. El RNA no codificante, o ARNnc, no dirige la producción de proteínas, pero podría afectar cómo las expresiones de los genes se manifiestan en innumerables otras maneras.
La diferencia básica entre el ARN no codificante pequeño y el largo es el número de nucleótidos (o los bloques estructurales del ARN). La mayor parte del trabajo actual sobre la mejora de la tolerancia de la planta al estrés no se centra en los ARNInc, sino en los genes que codifican la producción de proteínas. Sin embargo, se vislumbra un nuevo enfoque para el diseño de tolerancia a sequía y salinidad en plantas.
Estudios sobre la Velocidad de Evolución y Adaptación al Cambio Climático
Experimentos simultáneos realizados durante cinco años en 30 regiones del mundo identificaron variantes genéticas asociadas a una adaptación exitosa al cambio climático, pero también el punto de inflexión a partir del cual las plantas ya no logran adaptarse y su supervivencia queda en riesgo.
Durante décadas, los biólogos han expresado preocupación por la lentitud con la que las plantas pueden evolucionar para adaptarse a un planeta que se calienta rápidamente. Para abordar esta cuestión, Moisés Expósito-Alonso y sus colegas crearon una red de científicos para realizar experimentos simultáneos en 30 zonas climáticas diferentes de Europa Occidental, el Mediterráneo, Oriente Medio y América del Norte. En estos experimentos, se permitió que las plantas evolucionaran durante cinco años sin supervisión, salvo para el desmalezado.
El objetivo de este singular experimento era determinar la velocidad de evolución de estas plantas -una mezcla genéticamente diversa de la planta de laboratorio común Arabidopsis thaliana, una planta anual de la familia de la mostaza- bajo diferentes condiciones climáticas, desde los Alpes nevados hasta el calor del desierto del Néguev.
La información sobre la velocidad de la evolución, junto con los cambios genéticos que la acompañan, es fundamental para crear modelos que ayuden a identificar las plantas y los animales en riesgo a medida que sus entornos cambian. El objetivo era generar datos cuantitativos para comprender mejor la rápida adaptación, realizar predicciones, anticipar riesgos y puntos de inflexión.
Un análisis de los primeros tres años de datos genómicos de los experimentos mostró que, en la mayoría de los casos, estas plantas evolucionaron genéticamente para adaptarse a los nuevos entornos. Sin embargo, algunas poblaciones experimentales, especialmente las de los climas cálidos más extremos, no mostraron ningún signo de evolución temprana, exhibiendo trayectorias aparentemente aleatorias que precedieron a su extinción.
Los investigadores demostraron que el ritmo de la evolución, con suficiente diversidad genética, puede ser de tres, cuatro o cinco años. Por primera vez, se pudo observar directamente cómo ciertas variantes de ADN -variantes adaptativas- se imponen en determinadas poblaciones a medida que avanza la evolución.
Sin embargo, se descubrió que no todas las poblaciones se adaptaron con la suficiente eficacia para sobrevivir, especialmente en los entornos más cálidos. En estos entornos, las poblaciones con cambios evolutivos predecibles sobrevivieron, mientras que aquellas con cambios genéticos caóticos se extinguieron. Esto revela que, si bien es posible una rápida adaptación al cambio climático, el calor extremo limita el tamaño de las poblaciones, lo que puede llevarlas más allá de un punto crítico evolutivo hacia la extinción.
El artículo, liderado por Expósito-Alonso y el consorcio de la red Genómica de la Evolución Rápida a Nuevos Entornos (GrENE), se publicó en la revista Science. El experimento, coordinado en colaboración con J. F. Scheepens de la Universidad Goethe de Frankfurt en Alemania y François Vasseur de la Universidad de Montpellier en Francia, se desarrolló desde el otoño de 2017 hasta la primavera de 2022.
Identificación de Variantes Genéticas para la Adaptación
El objetivo de Expósito-Alonso no era solo medir la velocidad de la adaptación evolutiva, sino también identificar las variantes genéticas o mutaciones genéticas en una población que permiten la adaptación a un entorno cambiante. Se aseguró de que cada parcela contuviera una población genéticamente diversa de varios cientos de plantas, procedentes de poblaciones de toda la zona de distribución, mayoritariamente templada, de Arabidopsis. Se esperaba que esta diversidad garantizara que al menos algunas plantas en cada parcela contuvieran los genes raros que una población resiliente necesita para adaptarse a nuevas condiciones.
Si esas variantes genéticas raras, o alelos, están presentes, la adaptación al nuevo entorno debería implicar cambios en la composición genética, como un aumento o disminución en la frecuencia de algunos alelos, la aparición de nuevas mutaciones y cambios en su frecuencia, o la recombinación de múltiples mutaciones.
Para registrar estos cambios, él y un amplio consorcio de unos 75 colegas tomaban esquejes de flores cada primavera y secuenciaban los genomas completos de las plantas. Basándose en secuencias de más de 70 000 supervivientes en más de 2500 muestras poblacionales espaciotemporales agrupadas, identificaron millones de alteraciones en genes expresados que evidenciaban los esfuerzos de la población vegetal por adaptarse y sobrevivir en un nuevo entorno. Estas alteraciones genéticas variaban según el clima, aunque eran similares entre climas similares, lo que demuestra la repetibilidad de estas adaptaciones.
Se observó una adaptación mediante variación genética preexistente que se reutiliza de diferentes maneras; si una variante es adaptativa en un entorno, su frecuencia aumenta. La clave para determinar que se trataba de una adaptación por selección natural -la supervivencia de las plantas individuales mejor adaptadas al nuevo entorno- fue que varias de las 12 parcelas en cada ubicación mostraron cambios similares en la frecuencia génica. Otro indicio fue que varias de las 12 parcelas en cada una de dos ubicaciones con un entorno similar -por ejemplo, matorrales secos españoles y griegos- mostraron cambios similares. Esto se observó en 24 de las 30 ubicaciones.
Entre los genes más afectados se encontraban los que detectan el estrés térmico y los que controlan la floración de las plantas. Si bien teóricamente se esperaban algunos cambios genéticos en un experimento como este, con abundante diversidad y exposición a un clima severo, la velocidad de los cambios en la frecuencia alélica fue mayor de lo que la mayoría de los biólogos habrían predicho.
Adaptación Evolutiva y Riesgo de Extinción
No todas las parcelas mostraron adaptación evolutiva; algunas terminaron en extinción. Hubo algunos climas donde no se observaron cambios, por lo que la frecuencia de esas variantes genéticas se mantuvo igual, o bien se observaron cambios, pero no fueron repetibles en las diferentes réplicas independientes. Así pues, hubo evolución por deriva genética, cambios estocásticos, pero no evolución impulsada por la selección natural, por las presiones climáticas naturales.
Dado que el equipo muestreó cada una de las 360 parcelas anualmente durante varios años, pudieron documentar que aquellas parcelas que mostraron cambios genéticos aleatorios o nulos en los primeros años del experimento acabaron extinguiéndose.
Para que una población sobreviva a largo plazo ante el cambio climático, lo más probable es que deba someterse a la selección natural. A menos que haya un rescate evolutivo -a menos que existan genotipos con mayor aptitud, que se propaguen más y modifiquen las frecuencias alélicas-, la población no podrá mantener su tamaño después de cinco años, al menos en ambientes cálidos.
Aplicaciones Agronómicas y Futuras Direcciones de Investigación
Con el conocimiento adquirido sobre Arabidopsis, se pueden hacer conjeturas fundamentadas sobre qué especies sobrevivirán en qué lugar, aunque cada especie podría necesitar su propio experimento a largo plazo para comprender sus vulnerabilidades genéticas. Con este tipo de modelado, calibrado en una especie modelo, y una comprensión profunda del ritmo de la evolución y la intensidad de la incompatibilidad climática y la adaptación, se podría ayudar potencialmente a cientos o miles de especies.
Investigadores de la Universidad de Australia Occidental han descubierto que una enzima de las plantas, la ATP sintasa, desempeña un papel fundamental en la forma en que las plantas responden al frío. Este descubrimiento podría utilizarse para producir cultivos resistentes a las heladas, lo que ahorraría a la industria agrícola millones de dólares cada año y podría prevenir el impacto de eventos climáticos significativos.
En condiciones cercanas al congelamiento, se observó una disminución en la producción de ATP, la principal fuente de energía de la célula vegetal, lo que condujo a un menor crecimiento. Se identificó a la ATP sintasa como la enzima sensible al frío, lo que ha dado lugar a nuevas revelaciones sobre las respuestas de las plantas a la temperatura y ha puesto de relieve nuevos enfoques para la investigación.
Una mejor comprensión de cómo se altera la producción de energía de una planta en respuesta a los cambios de temperatura podría orientarnos hacia el desarrollo de plantas más adaptables al cambio climático.
En la zona central de Buenos Aires, se reportó la primera helada del año en soja y maíz que provocó severos daños en los cultivos tardíos. La manipulación de los genes PRX62 y PRX69 mostró que, al inhibirlos, las plantas sometidas a condiciones de frío se deterioraban rápidamente.
Este trabajo es parte de una serie de estudios que buscan cambiar la percepción sobre las bajas temperaturas. La comprensión de las interacciones entre las diferentes redes de genes, que se desarrollaron para responder a diferentes factores de estrés, y la comprensión de la variación natural en estas respuestas podría tener importantes aplicaciones agrícolas en entornos difíciles.
Científicos exploraron las redes de genes de co-expresión que se han desarrollado para ayudar a las plantas a resistir la sequía y el frío. Se identificaron dos redes de expresión génica únicas en Arabidopsis thaliana: una adaptada al frío y otra a la sequía. Estas dos respuestas difieren de manera estratégica y en la edad evolutiva.
Mientras que durante la sequía, los tejidos diferenciados de raíces, tallos y hojas realizan operaciones distintivas, cuando el ambiente se enfría, las células de todos los tejidos proceden a operar de manera similar y mediante mecanismos que también se han aplicado, en prototipo, por los ancestros unicelulares hace miles de años.
Los genes que cooperaron específicamente durante la helada se asignan a posiciones centrales dentro de la red génica, mientras que los genes que cooperaron específicamente en sequía se asignan a grupos periféricos. La arquitectura de las dos redes de genes parece hacer eco de cómo las plantas se comportan consigo mismas bajo los dos tipos de condiciones. Sus distintas organizaciones también podrían explicar por qué hay más variación genética natural de resistencia a la sequía que contra las heladas en Arabidopsis thaliana.
El artículo original se publicó en Proceedings of the Royal Society B.
Investigación sobre el Gen HaHB1 y Tolerancia a Estrés
Julieta Cabello, investigadora del CONICET, fue premiada como “Innovadora del Año” por su trabajo de investigación respecto al gen HaHB1. Este desarrollo científico ha permitido la producción de plantas transgénicas de alto interés agronómico, tolerantes a las heladas, la sequía y la salinidad de los suelos.
Durante su doctorado, se estudiaron dos genes aislados del girasol, uno de los cuales se llama HaHB1. Al introducir este gen en plantas modelo (Arabidopsis thaliana), se observó que en condiciones normales estas plantas eran muy similares a las control (sin el transgen); pero, en condiciones estresantes, toleraban el frío. También se probó la tolerancia al estrés hídrico y salinidad, con buenos resultados. La diferencia fundamental se obtuvo en la producción de semillas: mientras la mayoría de los genes estudiados producían hojas y tallos más chicos y daban menos semillas, HaHB1 mostró una mayor producción de semillas en condiciones estresantes.
El gen HaHB1 ya ha sido patentado entre CONICET, UNL y PBL (Plant Bioscience Limited, una empresa de vinculación tecnológica) y la patente se encuentra licenciada a empresas multinacionales, las cuales se encargan de transformar diferentes cultivos de interés agronómicos y realizar ensayos a campo.
El proceso completo, desde el aislamiento del gen hasta lograr cultivos de interés agronómico que se comercialicen, puede tardar entre 10 y 15 años. Durante su doctorado (2006-2011), Julieta Cabello realizó la caracterización de las plantas transformadas con HaHB1, con la colaboración de Agustín Arce en bioinformática, lo cual fue importante para presentar la patente.
El Instituto de Agrobiotecnología del Litoral, creado en 2008 por convenio entre el CONICET y la Universidad Nacional del Litoral (UNL), tiene como objetivos fundamentales el desarrollo de investigaciones y tecnologías en biotecnología aplicada a la producción agrícola, la transferencia de tecnología al sector productivo, la provisión de productos y servicios a la sociedad y la formación de recursos humanos de excelencia especializados en biotecnología vegetal.
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