Examinando por qué las plantas florecen temprano en un mundo que se calienta

Los científicos han revelado un nuevo mecanismo que usan las plantas para detectar la temperatura. Este hallazgo podría conducir a soluciones para contrarrestar algunos de los cambios nocivos en el crecimiento de las plantas, la floración y la producción de semillas debido al cambio climático. Los resultados se publican hoy en PNAS.

El aumento de las temperaturas en todo el mundo debido al cambio climático está teniendo consecuencias perjudiciales para las plantas. Tienden a florecer antes que antes y se precipitan en el proceso reproductivo, lo que se traduce en menos frutos y menos semillas y una biomasa reducida.

Los científicos ahora están trabajando en el reloj circadiano de las plantas, que determina su crecimiento, metabolismo y cuándo florecen. El termosensor clave del reloj circadiano es EARLY FLOWERING 3 (ELF3), una proteína que juega un papel vital en el desarrollo de las plantas. Integra varias señales ambientales, como la luz y la temperatura, con señales internas de desarrollo, para regular la expresión de los genes de floración y determinar cuándo crecen y florecen las plantas.

Un equipo del CEA, ESRF y CNRS ha determinado el mecanismo molecular de funcionamiento de ELF3 in vitro y en la planta modelo Arabidopsis thaliana. A medida que aumenta la temperatura, ELF3 se somete a un proceso llamado separación de fases. Esto significa que coexisten dos fases líquidas, de forma similar al aceite y al agua.

«Creemos que cuando pasa por la separación de fases, secuestra diferentes proteínas asociadas, como factores de transcripción, lo que se traduce en un crecimiento más rápido y una floración temprana en función de la temperatura elevada», explica Chloe Zubieta, directora de investigación del CNRS del Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Vegetale en el CEA Grenoble (CNRS/Univ. Grenoble Alpes/CEA/INRAE ​​UMR 5168) y coautor de la publicación.

«Estamos tratando de comprender la biofísica del dominio similar a un prión dentro de ELF3, que creemos que es el responsable de esta separación de fases».

ELF3 es una proteína flexible, sin una estructura bien definida, por lo que no se puede estudiar mediante cristalografía de rayos X, ya que necesita estar en solución. En su lugar, el equipo utilizó principalmente dispersión de rayos X de ángulo pequeño. Todos los modelos existentes mostraban que la estructura estaría muy desordenada. Entonces surgió la sorpresa: «He visto muchos dominios similares a priones involucrados en la separación de fases, pero esta es la primera vez que veo algo fundamentalmente diferente», explica Mark Tully, científico de ESRF en BM29 y coautor de la publicación. .

Los experimentos mostraron que el dominio similar al prión forma un oligómero monodisperso de orden superior, que es vital para la separación de fases. Este oligómero parece ser una bola de unas 30 copias de la proteína y actúa como un andamio, que probablemente sea necesario para que interactúe con otras proteínas en la célula vegetal.

Cuando los investigadores aumentaron la temperatura, las esferas se juntaron para formar una fase líquida y luego, con el tiempo, una pila lamelar ordenada. Otros experimentos, utilizando microscopía electrónica, microscopía de fuerza atómica y difracción de rayos X en polvo en la línea de luz ID23-1, confirmaron los resultados.

«Si logramos ajustar cuándo se produce la separación de fases en función de la temperatura, mediante la mutación de diferentes residuos de aminoácidos, en última instancia, podríamos retrasar la floración de las plantas en condiciones más cálidas, permitiéndoles establecer más biomasa y producir más frutos y semillas», explica Stephanie. Hutin, científico del CEA y primer autor del artículo.

«Por lo tanto, el siguiente paso en esta investigación será agregar una forma diferente del gen ELF3 a la planta modelo Arabidopsis thaliana y ver qué sucede cuando las cultivamos a temperaturas cálidas. Si nuestro modelo es correcto, podríamos hacer lo mismo». lo mismo en especies de cultivos que tienen problemas para adaptarse a condiciones más cálidas», concluye.