Los científicos han dado un paso significativo hacia la construcción de la primera planta digital del mundo mediante el desarrollo de un modelo computacional sofisticado que también ha resuelto uno de los misterios más perdurables de la ciencia de las plantas: el papel del reloj biológico.

Cualquiera que haya sufrido de jet lag puede identificarse con los efectos devastadores de un reloj biológico interrumpido. Ahora, un nuevo estudio ha descubierto que las plantas también sufren cuando sus relojes no están sincronizados.

Al crear una planta con un desfase horario perpetuo, el equivalente a un vuelo diario de Nueva York al Reino Unido, los investigadores descubrieron que la interrupción del reloj biológico de una planta afecta su crecimiento. El equipo también creó un modelo informático de la planta ‘jetlag’ que pudo predecir con precisión los efectos sobre el crecimiento y revelar qué vías de señalización molecular se ven afectadas por genes de reloj defectuosos.

El avance representa un avance significativo en la creación de un organismo digital multicelular complejo, una hazaña que rara vez se logra fuera de los microbios unicelulares.

El enfoque, que se ha debatido durante más de una década, pronto debería extenderse a otras vías impulsadas por el reloj y conducir a nuevos conocimientos sobre la biología de las plantas de manera más amplia que podrían ayudar a mejorar el rendimiento de los cultivos y la resiliencia al cambio climático.

Todas las plantas tienen un reloj biológico, un sistema de sincronización molecular que detecta cambios en el medio ambiente y prepara a la planta para los cambios desde el anochecer hasta el amanecer y de una estación a otra. Aunque cada célula vegetal parece tener su propio reloj que controla alrededor del 30% de sus genes, se sabía poco sobre su papel en el crecimiento de las plantas.

Para abordar esto, un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Edimburgo examinó los efectos de las mutaciones en los genes del reloj de Arabidopsis thaliana, una especie de planta ampliamente estudiada. Las plantas con reloj mutante permitieron al equipo estudiar si los genes del reloj están involucrados en la liberación nocturna de azúcares almacenados en almidón de la planta, lo que impulsa su crecimiento.

Las plantas deben administrar cuidadosamente la energía que obtienen a través de la fotosíntesis durante las horas del día. La liberación de azúcares de los depósitos de almidón durante la noche, ya sea demasiado rápido o demasiado lento, puede detener su crecimiento. Los científicos estudiaron el crecimiento de las plantas de Arabidopsis con mutaciones en sus genes de reloj que causaron que el reloj funcionara demasiado lento, como si el día tuviera 29 horas en lugar de 24.

En estos mutantes, la liberación nocturna de azúcares del almidón fue más lenta que en las plantas normales y se redujo el crecimiento.

También crearon un modelo informático de estos mutantes del reloj, conocido como modelo marco, que combinaba modelos matemáticos de la actividad del gen del reloj con modelos metabólicos y fisiológicos. Los resultados mostraron que el marco simuló con precisión los efectos sobre el crecimiento de las plantas, prediciendo correctamente que la liberación lenta de azúcares del almidón durante la noche en los mutantes del reloj fue responsable de la desaceleración de su crecimiento.

Los resultados contrastan con estudios previos de otros mutantes de reloj, que indicaron que los relojes biológicos interrumpidos interrumpen el crecimiento de las plantas al afectar procesos clave en la fotosíntesis. El marco no solo reveló el papel del reloj de 24 horas de la planta, sino que también pudo vincular los genes con su impacto en toda la planta a través de vías moleculares medibles, un desafío clásico en genética.

Este logro equivale a comprender un síndrome de salud humana causado por una alteración genética que afecta sutilmente múltiples vías fisiológicas.

El próximo paso del equipo es utilizar el marco de Arabidopsis para predecir cómo la secuencia del genoma de la planta controla estas propiedades y rasgos físicos conocidos como fenotipo. Si tiene éxito, el enfoque podría aplicarse más ampliamente y conducir a la comprensión ‘gran unificada’ prevista de la biología que revela la interacción entre los genomas y los sistemas vivos que crean.

Usando este enfoque, destinado a predecir cómo funcionan los sistemas vivos, se podrían desarrollar modelos similares para comprender los vastos conjuntos de datos generados por los avances en la secuenciación del genoma. Este tipo de avance también podría desentrañar la complejidad de los resultados moleculares para descifrar cuáles son los más importantes y tienen las mayores implicaciones para la salud y la enfermedad en los organismos vivos.

El profesor Andrew Millar de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Edimburgo dice: “El éxito del modelo marco muestra que podemos comprender los efectos sutiles a nivel de toda la planta, en este caso simplemente alterando el momento de la expresión génica. Por “entender” queremos decir “explicar y predecir”. No todos los detalles de este modelo se traducen en especies de cultivo, pero amplía las ‘pruebas de principio’ para informar la mejora de cultivos a nivel molecular”.

LEER EL ARTÍCULO
Chew YH Seaton DD Mengin V Flis A Mugford ST George GM Moulin M Hume A Zeeman SC Fitzpatrick TB Smith AM Stitt M. and Millar, AJ (2022) “The Arabidopsis Framework Model Version 2 predice los efectos de la desregulación genética del reloj circadiano a nivel del organismo”. plantas in silico, 4(2). Disponible en: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010.

Publicación original en la Universidad de Edimburgo.

Relacionado