Descubierta una nueva función de los cloroplastos en el desarrollo de plantas

En 1967, la bióloga estadounidense Lynn Margulis formuló su famosa teoría endosimbiótica, que explica la presencia de orgánulos con material genético propio dentro de las células eucariotas como resultado de una simbiosis primitiva de una bacteria dentro de otra célula. En este proceso de simbiosis, estos orgánulos, las mitocondrias y los cloroplastos, fueron transfiriendo gran parte de su material genético al núcleo de la célula. De esta manera, el núcleo, que posee la mayor parte del ADN de la célula, se convirtió en 'director' y proveedor de la mayoría de proteínas de la célula. Gracias a su función de 'director celular', el núcleo envía constantemente señales al resto de orgánulos celulares para ejecutar funciones importantes, como por ejemplo, la división o la diferenciación celular.

La función principal de las mitocondrias y los cloroplastos en la producción de energía celular es bien conocida. También lo es el hecho de que estos orgánulos pueden enviar señales al núcleo para informarle de su estado, lo que se conoce como señalización retrógrada. Mitocondrias y cloroplastos utilizan la señalización retrógrada para solicitar al núcleo las proteínas necesarias para ejercer su función de productores de energía correctamente.

Además, en el caso de las células animales, se ha descrito que la señalización retrógrada es importante para una variedad de funciones celulares diferentes de la producción de energía. Por ejemplo, en células animales la señalización de la mitocondria al núcleo modula procesos tan importantes como la división celular e influye en la progresión de los tumores.

En el estudio que se publica ahora en la revista Nature Communications, el equipo liderado por la investigadora del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG), Elena Monte, describe por primera vez, que los efectos de la señalización retrógrada en plantas van mucho más allá de lo que se había descrito hasta ahora, siendo capaz de modular el desarrollo global de la planta.

"Nos sorprendió descubrir que las señales provenientes del cloroplasto tienen la capacidad de modificar el desarrollo de la planta, incluso imponiéndose jerárquicamente al núcleo", explica Guiomar Martín, estudiante de doctorado del CRAG y primera autora del artículo. "Ahora sabemos que, al igual que la señalización de la mitocondria al núcleo regula procesos clave en los animales, el cloroplasto también regula el desarrollo de la planta por un mecanismo que hemos podido describir a nivel molecular", añade la investigadora principal del estudio, Elena Monte.

El cloroplasto, un sensor de estrés

El grupo de investigación del CRAG utilizó pequeñas plántulas de Arabidopsis thaliana en proceso de desarrollo guiado por la luz (fotomorfogénesis) y las trató con un fármaco que daña los cloroplastos. Sorprendentemente, las plantas tratadas con el fármaco adquirían un aspecto similar a las plantas crecidas en ausencia de luz, indicando que la señalización retrógrada estaba, en este caso, reprimiendo la fotomorfogénesis normal a pesar de la presencia de luz. En vista de este resultado, los investigadores buscaron cuál era el mecanismo molecular que causaba este efecto.

Experimentos posteriores indicaron que el gen nuclear GLK1 es clave en la regulación de la fotomorfogénesis, siendo un gen que está regulado por la señalización retrógrada y por las proteínas PIF, que son sensibles a la luz. En oscuridad las proteínas PIF son abundantes y evitan la acción de GLK1, pero cuando la plántula sale de bajo tierra y le llega la luz, las proteínas PIF se degradan, permitiendo que GLK1 promueva el desarrollo fotomorfogénico de la plántula, que incluye por ejemplo, la expansión de las hojas y la adquisición de la clorofila y por lo tanto, del color verde.

Sin embargo, cuando el cloroplasto se daña (p. ej. al aplicar el fármaco) o detecta que las condiciones ambientales son estresantes (p. ej. al someter la planta a iluminación excesiva) la expresión de GLK1 baja en respuesta a las señales retrógradas enviadas por el cloroplasto, por un mecanismo independiente de PIF. Gracias a este mecanismo molecular, que permite frenar el desarrollo, la planta se protege del daño foto-oxidativo y queda a la espera de que las condiciones sean favorables para el crecimiento.

Así pues, en el artículo se describe por primera vez que el cloroplasto funciona como una antena sensora de estrés capaz de tomar temporalmente la dirección de la célula al núcleo para modificar el desarrollo de la planta y protegerla.

Para Elena Monte, "este trabajo contribuye a entender cómo los orgánulos endosimbióticos en eucariotas pueden cambiar el desarrollo global del organismo". "En plantas, este avance puede ayudar a encontrar soluciones para hacer frente al aumento de la radiación, y por tanto, al estrés lumínico, como consecuencia del cambio climático", añade la experta.