Hua Lu, profesor de ciencias biológicas de la UMBC, y sus colegas han encontrado nuevos vínculos genéticos entre el ritmo circadiano de una planta (esencialmente, un reloj interno) y su capacidad para defenderse de enfermedades y plagas. Los hallazgos se elaboraron hace 10 años y se publicaron en Nature Communications esta semana. Los resultados podrían llevar finalmente a que las plantas sean más resistentes a los patógenos que causan enfermedades y a un mejor tratamiento de las enfermedades humanas.
«Es bastante genial», dice Lu, «porque, tanto en plantas como en animales, la gente está empezando a estudiar la diafonía entre el reloj circadiano y el sistema inmunológico».
El tiempo lo es todo
En respuesta a los ataques diarios de bacterias, hongos y otras plagas, las plantas han desarrollado varias estrategias para protegerse. Las plantas pueden cerrar sus estomas, pequeñas aberturas en la capa cerosa de sus hojas, para evitar la entrada de algunas bacterias. Pueden producir productos químicos como el ácido salicílico y el ácido jasmónico para repeler bacterias e insectos. También producen un gran número de proteínas que son importantes para una defensa exitosa.
Acciones como el cierre de los estomas, la producción de ácido salicílico y otras más ocurren a diario, y a menudo llegan a su punto máximo en los momentos en que es más probable que ciertos patógenos y plagas estén activos. La naturaleza rítmica de la defensa de la planta sugiere que las plantas están coordinando su reloj interno con su sistema de defensa para aumentar la efectividad de sus acciones defensivas.
En este estudio, Lu y colegas encontraron por primera vez que LUX, un gen central en el reloj circadiano de la planta, es importante para regular la apertura y cierre de los estomas en momentos específicos del día, y también para activar las defensas mediadas por el ácido salicílico y el ácido jasmónico.
En una planta típica, los estomas se abren durante el día para permitir el intercambio de los gases necesarios para la fotosíntesis. Luego se cierran por la noche, para evitar la pérdida de agua. Los estomas también se cierran en respuesta a los ataques diurnos de patógenos. Responden mínimamente a un ataque nocturno, porque ya están cerrados.
Sin embargo, en plantas con una versión no funcional del gen LUX, Lu encontró que los estomas están abiertos tanto de día como de noche. Durante un ataque diurno, los estomas permanecen abiertos más allá de las plantas normales. Durante un ataque nocturno, sin embargo, algunos de los estomas se cierran. Esto significa que las plantas que carecen de un gen LUX funcional tienen menos control sobre cuándo se abren sus estómagos, lo que permite que entren más patógenos oportunistas. Esta distinción indica que LUX es crítica para la sincronización de la respuesta de defensa impulsada por el estómago, vinculando la defensa al reloj circadiano de una manera nueva.
La investigación de Lu también se sumerge en la relación entre el gen LUX y los químicos de defensa ácido salicílico y ácido jasmónico. Aunque se sabía que el reloj circadiano puede regular las respuestas de defensa, este artículo muestra que lo contrario también es cierto: «Un reloj circadiano bien afinado es importante para la activación de la defensa. Cuando se activa la defensa, entonces puede retroalimentar para regular el reloj circadiano», dice Lu.
El equipo de investigación demostró específicamente que la presencia de LUX es necesaria para la señalización normal de ácido jasmónico. A su vez, el ácido jasmónico también afecta la expresión de LUX y el reloj circadiano. Esta regulación recíproca entre el reloj circadiano y la señalización de defensa ayuda a las plantas a equilibrar su uso de energía para un crecimiento y desarrollo normales y respuestas de defensa.
De la granja a la farmacia
Lu está interesado en seguir investigando para averiguar cómo el tiempo influye en el sistema de defensa de la planta. ¿Cómo afecta el reloj circadiano a múltiples aspectos de las respuestas de defensa? ¿Qué moléculas de patógenos y plagas interfieren con el reloj circadiano de una planta y, por consiguiente, limitan su capacidad de protegerse? Una mejor comprensión de cómo los genes de relojes controlan la defensa de las plantas y cómo los patógenos interactúan con los sistemas de defensa de las plantas podría beneficiar a la agricultura y más allá.
«Los patógenos están en todas partes todo el tiempo. A menudo, la forma más activa de un patógeno varía durante un día. Además, las plantas pueden tener diferentes estrategias de defensa en diferentes momentos del día», explica Lu. «Entonces, ¿cuál es el mejor momento para aplicar pesticidas? Eso podría depender del patógeno, su modo de infección y el comportamiento de sus plantas de cultivo. Creo que las pruebas de campo son necesarias para determinar el mejor momento para aplicar los productos químicos a fin de lograr la mayor eficacia en la prevención de la infección o la propagación de la infección».
Un menor uso de plaguicidas en general reduciría la escorrentía de productos químicos hacia las vías fluviales y reduciría los costos para los agricultores. La reducción del uso de antibióticos podría ayudar a detener la resistencia a los antibióticos, lo que también beneficiaría a los seres humanos.
Además, las plantas no son las únicas cuya actividad del sistema inmunológico fluctúa a lo largo del día. Los sistemas animales también tienen ciclos diarios. Por lo tanto, «ideas similares pueden ser aplicadas al campo médico», dice Lu.
Existen similitudes entre las formas en que las plantas y los animales interactúan con sus patógenos y plagas a nivel molecular. Tal vez en el futuro, su prescripción vendrá con instrucciones específicas de tiempo, o su cirugía será programada basada en la actividad de su sistema inmunológico.
La ciencia en acción
Lu dice que toda su investigación, y este documento de varias partes en particular, es impulsada por los miembros de su laboratorio. «Es estupendo trabajar con tanta gente dedicada», dice. «Sin ellos, no podría hacerlo.»
Esto incluye a Chong Zhang, becario postdoctoral, que ahora trabaja para el USDA, y a Min Gao, actual postdoctoral, que son los primeros autores del nuevo trabajo. Cinco estudiantes de pregrado y un estudiante de secundaria también contribuyeron a este proyecto a largo plazo. Algunos de los experimentos requerían pruebas cada cuatro horas durante un período de 24 horas, lo que significaba que alguien estaba durmiendo en un sofá del laboratorio cuando estaban en marcha.
En general, los miembros del equipo de Lu son impulsados por los beneficios potenciales que su trabajo puede aportar a la sociedad. Están entusiasmados con la perspectiva de mejorar el rendimiento de los cultivos para alimentar a una población en crecimiento, reducir la contaminación o reducir los efectos secundarios del tratamiento médico humano a través de la mejora de la sincronización y la dosificación.
«Este campo me interesa porque puedo ver que mi trabajo tiene algunas aplicaciones prácticas, y creo que eso es importante», dice Lu. «Esa debería ser la meta de todo científico: usar sus conocimientos en la vida real».