¿Cómo luchan las plantas contra el jet-lag? Understand article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. Nuevas investigaciones están poniendo de manifiesto que los relojes internos ayudan a las plantas a responder ante los cambios que tienen lugar durante los ciclos día-noche.

Illustrations of ‘sleep movements’ of Medicago leaves
Ilustraciones de
“movimientos de sueño” en
hojas de Medicago del libro
de Charles Darwin “El poder
de movimiento en plantas”

Charles Darwin
(1898)/Wikimedia Commons,
dominio público
 

¿Alguna vez has experimentado la desorientación que se siente por el jet lag después de un vuelo de largo recorrido? La razón de esta sensación tan horrible es el resultado de una descoordinación entre el entorno y el reloj interno de nuestro cuerpo: la luz del sol nos dice que es media tarde, pero nuestro reloj interno nos dice que es la hora de dormir. Este reloj – también conocido como reloj circadiano del cuerpo u oscilador circadiano – controla los ritmos biológicos de nuestro cuerpo. Es una adaptación evolutiva a la vida en un planeta giratorio donde los niveles de luz y de temperatura fluctúan en periodos de 24 horas y, afecta a nuestro ciclo de sueño, nuestro metabolismo y a otros aspectos de nuestra fisiología. La palabra “circadiano” proviene del latín “circa”, que significa alrededor y, “dies”, que significa día.

Los ritmos circadianos fuero observados por primera vez en plantas, la priemra referencia aparece en el relato realizado en el siglo IV a.C cuando un almirante de la flota de Alejandro el Grande describió los ritmos diarions de las hojas del tamarindo. Charles Darwin describió los “movimientos de sueño” de la hoja en su libro del 1880 “El poder del movimiento en plantas”, después de observer que las hojas de plantas de Medicago se plegaban durante la noche. De modo que, si las plantas tienen relojes internos, ¿significa que una planta puede sufrir jet lag?
 

Comprobando los ritmos circadianos

Puesto que nuestos ritmos circadianos están controlados por un reloj interno, los ritmos se mantienen incluso cuando las condiciones externas (como la luz) permanecen constantes. Esto los hace más complejos que los ritmos diurnos, que son simples respuestas a condiciones externas que no tienen lugar si las condiciones son constantes. La mayoría de los ritmos diarios son en realidad ritmos circadianos, sin embargo, hay un test simple para comprobar si un proceso biológico es un ritmo circadiano auténtico o no. Los científicos primero exponen un organism (una planta o un animal) a 24 horas de ciclos de estimulación (ej. 12 horas de luz, seguidas de 12 horas de oscuridad). A continuación, se pone el organismo bajo condiciones continuas (ej. Luz constante) y se mide el proceso durante varios días. Si el ritmo (como el del sueño-vigilia o el ciclo de la temperatura corporal) se mantiene incluso cuando las condiciones son constantes, está controlado por un reloj interno y no es solamente una respuesta a las condiciones cambiantes del medio (figura 1). Este ensayo se ha realizado en diferentes organismos, de modo que, ahora sabemos que mamíferos, insectos, plantas e incluso bacterias, tienen auténticos relojes circadianos.

Figure 1: Experimental test to identify a diurnal or circadian rhythm
Figura 1: Ensayo experimental para identificar un ritmo diurno o circadiano
Katharine Hubbard’
Diurnal rhythm: Ritmo diurno;
24-hour rhythm ends in constant conditions, indicating a direct response to light/dark: Ritmo de 24 horas que finaliza con condiciones constantes, lo que indica una respuesta directa a la luz/oscuridad;
Circadian rhythm: Ritmo circadiano;
24-hour rhythm persists in constant conditions, indicating that it is controlled by an internal clock: Ritmo de 24 horas que permanence incluso bajo condiciones constantes, indicando que está controlado por un reloj interno;
Biological marker: Marcador biológico;
light: luz;
dark: oscuridad;
Constant light: Luz constante;
Time (hours): Tiempo (horas)

Las plantas llevan la cuenta del tiempo

Actualmente sabemos que el reloj circadiano controla casi todos los aspectos de la biología de las plantas, incluido el crecimiento, la floración, la fotosíntesis y, la aperture y cierre de los estomas. En la mayoría de las plantas, los estomas se abren justo antes del amanecer, de modo que las plantas pueden comenzar la fotosíntesis tan pronto como la luz esté disponible. Las plantas también usan sus relojes internos para “medir” la duración del día, lo que determina el momento de floración de la planta. Por ejemplo, algunas plantas de día corto (ej. el arroz, los crisantemos) solo florecen cuando la luz del día es menor a una duración de día crítica. Los crisantemos, por ejemplo, comenzarán su floración si el día es más corto que la duración de día crítica de 15 horas, por lo que tienden a florecer en primavera o en otoño. Plantas de día largo (ej. la lechuga, la espinaca) tienen la respuesta contraria, de modo que, solo florecerán cuando el día excede una duración crítica durante el verano. Por el contrario, plantas de día neutro no son sensibles al número de horas de luz. Plantas de día corto o largo con una alteración en el reloj circadiano florecen antes o después de lo habitual, ya que son incapaces de determiner la duración del día. Relojes que no funcionan pueden incluso afectar los mecanismos de defensa de las plantas, evitando que se sinteticen compuestos para la defensa en el momento del día adecuado, haciéndolas más sensibles al ataque por insectos.

Los relojes circadianos, por lo tanto, tienen importantes implicaciones en la producción agrícola. Experimentos realizados sobre la planta modelo Arabidopsis demuestran que, en condiciones controladas de laboratorio, las plantas con un reloj circadiano no functional crecen de forma deficient en comparación con plantas con un reloj functional. Esto es debido a que las plantas con un reloj no functional producen menos clorofila y tienen una tasa fotosintétia menor (Dodd et al., 2005).

Puesto que el reloj controla el momento de floración, también determina el momento de la cosecha para las especies cultivadas. Por ejemplo, la cebada que crece en el sur de Europa es sensible a la duración del día, de manera que florece al comienzo de la primavera y es cosechada al inicio del verano, antes de que haga demasiado calor. En el norte de Europa, sin embargo, el clima es mucho más fresco; la cebada que crece en esa zona tiene una mutación natural que afecta a la manera en la que el reloj regula los genes que controlan el tiempo de floración, haciéndolas menos sensibles a la duración del día. Esta mutación permite a las plantas tener ventajas frente a los días más largos del verano de modo que pueden ser cosechadas en otoño. Como resultado, hay un aumento en el interés del ciclo circaciano por las empresas biotecnológicas que desean aumentar el rendimiento de los cultivos manipulando el reloj circadiano.
 

Research into plant circadian clocks has important implications for agricultural productivity.
Investigaciones sobre los relojes circadianos en plantas tienen importante implicaciones en la producción agrícola.
stanvpetersen/pixabay.com

Genética de los ritmos circadianos

Entonces, ¿cómo funciona la regulación circadiana? La respuesta está en la genética vegetal. El reloj consiste en varios genes que se controlan unos a otros en una especie de sistema autoregulatorio conocido como circuito de retroalimentación negativa. La figura 2 ilustra como esta regulación genética funciona utilizando un reloj circadiano con dos genes. El gen A se enciende (ej. a través de un proceso dependiente de luz) y produce proteína A. La proteína A entonces activa al gen B, resultando en la producción de la proteína B. La proteína B reprime la expresión del gen A, lo que significa que los niveles de proteína B descienden, permitiendo al gen A ser expresado nuevamente. Esto resulta en un ciclo donde la proteína A se produce en el momento opuesto a la proteína B. Si cada uno de estos pasos regulatorios tardan 12 horas, el resultado es un ritmo de 24 horas que puede mantenerse por sí mismo en condiciones constantes (ej. 24 horas de luz continua).

En verdad, el mecanismo que hay detrás del ritmo circadiano es mucho más complicado que esto: el reloj circadiano de las plantas abarca una red de unos 20 genes y sus respectivas proteínas (McClung, 2019). El reloj es tan complejo que los biólogos están luchando para entender todas las conexiones y hacer predicciones sobre qué pasaría si la red se altera. De modo que, para resolver el problema, los biólogos han hecho equipo con los matemáticos para crear modelos computacionales del reloj circadiano, que están siendo usados para ayudar en el diseño de experimentos. Por ejemplo, han construido modelos para integrar la información sobre los niveles de luz, disponibilidad de CO2 y temperatura con modelos de expresión circadiana de genes, que son entonces usados para predecir la tasa de crecimiento vegetal ante días de diferente duración.

Figure 2: Negative feedback loop for a simple circadian clock
Figura 2: Circuito de retroalimentación negativa para un reloj circadiano simple
Katharine Hubbard
Lights activates expression of gene A: La luz activa la expresión del gen A;
Protein B represses expression of gene A: La proteína B reprime la expresión del gen A;
Protein A activates expression of gene B: La proteína A activa la expresión del gen B;
Gene: Gen;
Protein: Proteína;
Protein concentration: Concentración de proteína;
Time (hours): Tiempo (horas)

Evitando el jet-lag

Una de las diferencias principales entre el reloj circadiano de plantas y humanos es el grado del control central. Nuestro reloj circaciano está coordinado por un área del cerebro llamada nucleo supraquiasmático (NSQ), que está localizado en el hipotálamo. Durante la noche, el NSQ le dice a la glándula pineal del cerebro que producca melatonina, que viaja a través del cuerpo preparando otros órganos, como el estómago y el hígado, para dormir. Puesto que nuestro reloj circadiano depende en gran medida de las hormonas que circulan a través de la sangre, cualquier respuesta circadiana es relativamente lenta. Cuando alguien sufre jet-lag, diferentes partes de su cuerpo terminan por ajustarse a las diferenes zonas horarias. Puede llevar unos pocos días después de un vuelo que todas las áreas del cuerpo adopten el mismo horario nuevamente.

Esto es bastante diferente del reloj circadiano de plantas, el cual se piensa que funciona a nivel de células individuales. Cada célula en la planta tiene sus propios receptores de luz y reloj circadiano, así pues, a diferencia de los humanos, las células individuales pueden responder a la luz. Si cubres una parte de una planta con papel de aluminio, puedes entrenar una parte de la hoja a pensar que es de día y a la otra parte que es de noche. Esta diferencia en la arquitectura del reloj significa que las plantas pueden corregir más fácilmente sus ritmos circadianos, de forma que si una planta fuera a volar a la otra parte del mundo, sería mucho más eficaz a la hora de afrontar la diferencia horaria de lo que seríamos nosotros y, sobre todo, el jet-lag no sería un problema mayor. A diferencia de los humanos, las plantas podrían combatir el jet-lag en cuestión de horas en vez de días. 

Que las plantas puedan ajustarse a nuevas zonas horarias puede ser una interesante custión biológica, pero entender la biología subyacente a los ritmos circadianos de las plantas nos ha enseñado mucho sobre cómo se regulan las redes genéticas – lo cual, en última instancia, podría ayudar a mejorar el rendimiento agrícola en el futuro.

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References

Resources

  • Para videos de lapsos de tiempo que muestran los ritmos circadianos de las plantas en varias especies, visitar Plants in Motion website.
  • Leer un breve libro de texto introductorio a los ritmos circadianos en humanos y sus impactos en nuestro bienestar.
    • Foster R, Kreitzman L (2017) Circadian Rhythms: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780198717683
  • La Sociedad Americana de Biología Vegetal ha publicado recursos educativos sobre los ritmos circadianos. Aunque están destinados a estudiantes de pregrado, los recursos pueden complementar las clases a nivel escolar o inspirar proyectos de formación.
  • Leer un problema especial de la revista Biology para celebrar el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2017, con el que fueron galardonados tres biólogos por sus descubrimientos de los mecanismos moleculares que controlan los ritmos circadianos.

Author(s)

Katharine Hubbard es catedrática en biología en la Universidad de Hull, Reino Unido. Su formación científica es en ciencías vegetales, con un enfoque en ritmos circadianos, rutas de señalización en plantas y respuesta de las plantas a su entorno. Actualmente enseña biología celular y biología de plantas a estudiantes de grado y, le apasiona incluir a los estudiantes en las investigaciónes modernas sobre biología de plantas.


Review

¿Alguna vez has querido saber por qué algunas especies de plantas florecen en invierno y otras florecen en verano? O, ¿por qué dormimos por la noche y estamos despiertos durante el día? Las respuestas a estas cuestiones se encuentran en el ritmo circadiano, un proceso que ocurre tanto en animales como plantas y es también responsible del jet-lag. Este artículo explora la biología del ritmo circadiano de una manera clara y precisa y, tiene en consideración el papel de los genes y hormonas en la regulación de nuestros ritmos diarios. Además, para indagar en la comprensión de las siguientes preguntas, el artículo podría usarse para debatir más ampliamente los efectos de las condiciones ambientales en la productibidad vegetal y, los impactos del cambio climático y las alteraciones medioambientales en los ritmos circadianos.

Posibles cuestiones de comprensión podrían incluir:

  • ¿Cuál es la diferencia entre los ritmos circadianos y ritmos diurnos?
  • ¿Por qué plantas diferentes florecen en diferentes estaciones?
  • ¿Cómo pueden las mutaciones genéticas influir en la producción agrícola?
  • ¿Por qué las plantas adaptan su ritmo circadiano más rápido de lo que lo hacen los humanos?

Monica Menesini, profesora de ciencias, Italia.




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