Descubren cómo la luz también regula el crecimiento de las raíces

Es sabido que las plantas mantienen un diálogo continuo con la luz. Ésta no solo hace posible la fotosíntesis (que convierte sustancias inorgánicas en orgánicas en la intimidad de sus células), sino que también les indica si tienen “competidoras” en las cercanías y les permite anticipar los cambios estacionales (a partir de la longitud de las horas diurnas). 

Ese intercambio se establece en especial a través de las hojas, del follaje. Dado que se encuentran bajo tierra, a primera vista resulta contraintuitivo que la luz tenga alguna influencia en las raíces; sin embargo, un trabajo de investigadores argentinos que acaba de publicarse en la revista Cell Reports (https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109676) no solo demostró que es así, sino que describió los senderos moleculares por los cuales modula el crecimiento y elongamiento de esa parte de la planta, aunque nunca incida directamente sobre ella.

“Esta investigación se gestó a partir de un trabajo que publicamos en Science en 2014 –cuenta Ezequiel Petrillo, líder del grupo internacional que integran también Stefan Riegler, Lucas Servi, Regina Scarpin, Micaela Godoy Herz, María Kubaczka, Peter Venhuizen, Christian Meyer, Jacob Brunkard, Maria Kalyna y Andrea Barta–. Allí habíamos visto cómo, a partir de la luz, se genera una señal en los cloroplastos (las organelas celulares donde se produce la fotosíntesis) y eso cambia el splicing alternativo (el proceso por el cual un gen puede dar lugar a dos o más proteínas). Ya en ese momento habíamos pensado que si la señal venía de los cloroplastos, entonces en las hojas iba a pasar algo y en las raíces, que no los tienen, otra cosa. Hicimos un experimento poniendo las plantas en la luz y en la oscuridad, para ver qué pasaba en la hoja y en la raíz (es decir, si cambiaba la expresión de los genes) y vimos que si bien en esta última se demora un poquito, también allí se modifica. Entonces nos dijimos que evidentemente hay algo que sale del cloroplasto y llega a las raíces. Además, vimos que esto pasaba cuando la planta estaba entera, pero si la cortábamos y separábamos las hojas de la raíz antes de que vieran la luz, éstas eran incapaces por sí mismas de saber que había luz. Era evidente que había una señal que les llegaba desde las hojas”. 

Con estas preguntas en busca de respuesta, Petrillo se fue a Viena a hacer un posdoctorado en los Laboratorios Max Perutz de la Universidad Médica de Viena, Austria. Y después de muchos esfuerzos, logró dilucidar el misterio. “Lo que descubrimos fue que lo que viaja de las hojas a la raíz es el azúcar, el alimento o fuente de energía que se sintetiza gracias a la fotosíntesis –explica–. Que la sacarosa, además de nutriente es también una señal; es decir, que permite enviar un mensaje desde las hojas a las células de la raíz, que así cambian la expresión de sus genes”. 

Los científicos trabajaron con Arabidopsis thaliana, una hierba de la familia de la mostaza muy utilizada como modelo porque viene siendo estudiada en profundidad desde el siglo XIX, se secuenció todo su genoma y se sabe que alrededor del 62% de sus genes tiene splicing alternativo; es decir, pueden producir dos o más variantes de proteínas. 

“Además de mostrar que la mensajera es el azúcar, pudimos probar que en la raíz activa una proteína que se llama TOR quinasa, que en la mayoría de los organismos eucariotas (con células que tienen núcleo cubierto por una membrana) regula el crecimiento –destaca Petrillo–. En cierta forma, es una molécula que ‘decide’ si la raíz crece, se elonga para buscar más agua y nutrientes, o espera un mejor momento. Si la planta recibe luz, de algún modo le tiene que 'avisar' a la raíz, porque es la que busca los minerales que le permiten seguir creciendo y haciendo fotosíntesis”.

Marcelo Yanovsky, investigador independiente del Conicet en la Fundación Instituto Leloir que no participó en el estudio, considera que el trabajo dirigido por Petrillo es una excelente contribución al entendimiento de uno de los procesos por medio de los cuales la luz controla la expresión génica en estos organismos que deben lidiar con los cambios diarios, estacionales y ocasionales del ambiente en el lugar donde les toca germinar, crecer, desarrollarse y reproducirse. 

“Para eso, poseen mecanismos de sensado y ajuste a los cambios ambientales que les permiten coordinar el crecimiento con la disponibilidad de nutrientes y energía –explica–. Petrillo había descubierto hace unos años que la luz tiene un rol central en el control del splicing alternativo en las plantas y que esto ocurría no solo en las hojas, sino también en la raíces que no están directamente expuestas a la luz. También había demostrado que dicho efecto estaba mediado no por fotorreceptores sensoriales, sino por el efecto de la luz iniciando la actividad fotosintética y generando una señal que va del cloroplasto al núcleo. Lo que no quedaba claro era cuál era la molécula o señal que viajaba de las hojas a las raíces. Este trabajo demuestra cómo azúcares sintetizados en las hojas viajan a las raíces, donde son metabolizadas y a su vez activan una proteína quinasa conocida como TOR, que se conoce desde hace tiempo en mamíferos por su rol central en la coordinación del metabolismo celular con la disponibilidad de nutrientes. Un papel similar parece cumplir en plantas. En síntesis, la luz actúa como fuente de energía e información. Cómo TOR es regulado por la luz y controla el splicing alternativo queda aun por ser dilucidado”.

Los investigadores que firman el trabajo en Cell Reports pertenecen  al Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (Conicet-UBA), a la Universidad de Recursos Naturales y Ciencias de la Vida de Viena, Austria, a la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, al Instituto Jean-Pierre Bourgin, de Versalles, Francia y a los laboratorios Max F. Perutz de Viena, Austria.