Investigadors CRAG descobreixen com les plantes saben quan han de créixer

Qualsevol que tingui un test a casa sabrà que la llum és un element clau per a les plantes. La quantitat de llum els dóna informació sobre les estacions de l’any i l’hora del dia, i les plantes adapten les seves respostes a ella, com per exemple la floració o el creixement de la tija. Per a desenvolupar-se i créixer normalment les plantes han de coordinar la percepció de la llum amb el seu cicle circadiari endogen. Un nou estudi, liderat per la investigadora del CSIC al Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), Elena Monte, descriu per primer cop quin és el mecanisme molecular que utilitzen les plantes per a coordinar aquestes dues activitats.

Els sensors de la llum

Les plantes posseeixen varis sistemes de fotoreceptors, proteïnes que canvien la seva conformació en resposta a la llum. Entre aquests s’hi troben els fitocroms, els responsables de detectar la llum vermella i vermella llunyana, molt important per la germinació de les llavors i pel creixement de la plàntula. Si bé els fitocroms es van descobrir als anys cinquanta, no va ser fins al 1998, que es van descobrir les proteïnes que transmeten el senyal lumínic del fitocrom fins al nucli de la cèl·lula, permetent que la planta respongui a la llum amb canvis en l’expressió dels seus gens. La descoberta d’aquestes proteïnes, anomenades PIF (de l’anglès Phytochrome-Interacting Factors) va tenir lloc al laboratori de l’investigador Peter Quail, de la Universitat de California a Berkeley, qui també ha col·laborat en el present estudi liderat per Elena Monte.

Les proteïnes PIF són clau per a regular l’expressió de gens necessaris per al desenvolupament de la planta. Es sap que quan la llum activa els fitocroms, aquests s’uneixen a les proteïnes PIF i en promouen la seva degradació. Així doncs, durant les hores de de llum, hi ha poca quantitat de PIFs a dins les cèl·lules. Durant la nit, sobretot en les nits llargues de l’hivern, les proteïnes PIF es tornen a sintetitzar i just abans de l’albada, quan la seva acumulació a la cèl·lula és màxima, actuen donant les instruccions per al creixement de la planta al nucli de la cèl·lula. Aquest és el mecanisme que fa que en la planta jove la tija s’allargui sobretot just abans de l’albada, al final a la llarga nit d’hivern. Però com sap la planta que ha de créixer només quan s’acaba la nit?

La clau de pas

L’estudi que es publica ara a la revista americana PNAS respon a aquesta pregunta. Els investigadors del CRAG i de la Universitat de Califòrnia a Berkeley han descobert que les proteïnes PIFs són capaces també d’interaccionar amb un repressor transcripcional, la proteïna TOC1, que, al mateix temps, controla dels ritmes circadiaris. Al contrari que les proteïnes PIF, TOC1 és més abundant a la planta quan just comença la nit i els seus nivells van decreixent durant les hores de foscor.

Utilitzant la planta model Arabidopsis thaliana, els investigadors van observar que en les plantes mutants per TOC1, la tija s’allargava abans i més ràpidament durant la nit que ens les plantes no mutades; en canvi en plantes que tenien els dos gens mutats (TOC1 i PIF3) això no passava. L’estudi publicat ara a PNAS descriu per primer cop que TOC1 funciona com una clau de pas per al creixement de la tija, de manera que durant la nit reprimeix l’acció dels PIFs acumulats a la cèl·lula, evitant el creixement de la tija durant la nit. Però quan la nit és llarga, just abans de l’albada, TOC1 baixa, obrint el pas a l’acció dels PIFs i al creixement de la tija. D’aquesta manera, durant les nits llargues, la planta limita el seu creixement al període de just abans de l’albada, quan les condicions ambientals per a l’elongació són òptimes.

“Finalment coneixem el mecanisme que pot explicar com les plantes creixen durant l’hivern, quan no fan flors, mentre que a l’estiu s’atura el creixement per donar pas a la floració, que s’activa al revés que el creixement, quan les nits són curtes”, explica la investigadora Elena Monte.

“Entendre aquest mecanisme pot ser útil en un futur per a optimitzar els cultius en front del canvi climàtic”, afegeixen Judit Soy i Pablo Leivar, estudiants pre-doctoral i post-doctoral, respectivament, i autors de l’estudi liderat per l’Elena Monte.

Article de referència:
Judit Soy, Pablo Leivar, Nahuel González-Schain, Guiomar Martín, Céline Diaz, Maria Sentandreu, Bassem Al-Sady, Peter H. Quail, Elena Monte “Molecular convergence of clock and photosensory pathways through PIF3-TOC1 interaction and co-occupancy of target promoters” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. April, 2016