Los hallazgos de un nuevo estudio resuelven un misterio clave sobre la química de cómo las plantas dicen la hora para que puedan florecer y metabolizar los nutrientes.
El proceso, un evento químico sutil, tiene lugar en las células de cada planta cada segundo de cada día.
El nuevo entendimiento significa que los agricultores algún día pueden cultivar cultivos en condiciones o en climas donde actualmente no pueden hacerlo, dijo el químico Brian D. Zoltowski, de la Southern Methodist University, Dallas, quien dirigió el estudio.
"Ahora entendemos la química que permite a las plantas mantener un ritmo natural de 24 horas en sincronía con su entorno. Esto nos permite ajustar la química, como subir o bajar un regulador de intensidad, para alterar la capacidad del organismo de mantener el tiempo,", Dijo Zoltowski." Entonces podemos hacer que el reloj de la planta funcione más rápido o hacerlo más lento. Al alterar estos eventos químicos sutiles, podríamos rediseñar racionalmente la fotoquímica de una planta para permitirle adaptarse a un nuevo clima ".
Específicamente, los investigadores descubrieron los aspectos básicos de cómo se forma y se rompe un enlace químico en la proteína Zeitlupe en reacción a la luz solar, y la velocidad a la que lo hace, para comprender cómo las proteínas en las células de una planta envían señales a la planta.cuándo florecer, metabolizar, almacenar energía y realizar otras funciones.
El equipo de Zoltowski, con colaboradores de la Universidad de Washington y la Universidad Estatal de Ohio, ha creado cepas de plantas con cambios específicos en la forma en que pueden responder a la luz azul.
"Con estas plantas demostramos que de hecho podemos sintonizar cómo los organismos responden a su entorno de una manera inteligible", dijo Zoltowski.
Zoltowski y sus colegas hicieron el descubrimiento mapeando la estructura cristalina de una proteína vegetal cuya función es medir la intensidad de la luz solar. La proteína es capaz de traducir la intensidad de la luz a un evento de formación de enlaces que permite a la planta rastrear el tiempo dedía y decirle a la planta cuándo florecer o metabolizar los nutrientes.
Una planta usa señales visuales para leer constantemente todos los aspectos de su entorno y reajustar sus funciones fisiológicas para adaptarse en consecuencia. Algunas de estas señales son monitoreadas por proteínas vegetales que absorben y transmiten señales de luz, llamadas fotorreceptores. El equipo de investigación estudió específicamente dosfotorreceptores clave, Zeitlupe Zite-LOO-puh y FKF-1.
"Las plantas tienen una gama muy compleja de fotorreceptores que absorben todas las diferentes longitudes de onda de luz para reconocer cada aspecto de su entorno y adaptarse en consecuencia", dijo Zoltowski, profesor asistente en el Departamento de Química de SMU. "Todas sus células y tipos de tejidos sontrabajando en concierto unos con otros ".
El hallazgo se informó en el artículo "La cinética del dominio LOV de Zeitlupe determina su función circadiana en Arabidopsis" en la revista eLIFE en línea antes de la publicación impresa.
El coautor y autor principal es Ashutosh Pudasaini, un doctorado del Departamento de Química de SMU que ahora es un becario postdoctoral en la Facultad de Medicina de la Universidad de Texas Southwestern, Dallas. Otros coautores son Jae Sung Shim, Young Hun Songy Takato Imaizumi, Universidad de Washington, Seattle; Hua Shi y David E. Somers, Universidad Estatal de Ohio; y Takatoshi Kiba, Centro RIKEN para la Ciencia de Recursos Sostenibles, Japón.
La investigación se financia a través de una subvención del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud otorgada al laboratorio de Zoltowski.
La noche es el momento adecuado para que las plantas crezcan
"Si vive en el Medio Oeste, la gente dice que escucha el maíz crecer por la noche", dijo Zoltowski, quien creció en la zona rural de Wisconsin.
"Durante el día, una planta almacena tanta energía como puede al absorber los fotones de la luz solar, de modo que durante la noche puede hacer todo su metabolismo, crecimiento y desarrollo. Por lo tanto, existe esta separación entre el día y la noche".
Las plantas miden estas oscilaciones diurnas y nocturnas, así como los cambios estacionales. Ya existían conocimientos sobre la química, biología y fisiología iniciales de ese proceso.
Además, Zoltowski y sus colegas publicaron en 2013 el descubrimiento de que los aminoácidos en Zeitlupe, que funcionan como un regulador de intensidad, se vuelven gradualmente más activos a medida que el día se convierte en noche, controlando así el ritmo circadiano de 24 horas.encontraron que FKF-1 es muy diferente de Zeitlupe. FKF-1 se enciende con la luz de la mañana y mide los cambios estacionales, también llamado fotoperiodismo.
Pero quedaba una brecha de conocimiento. Era un misterio cómo el organismo integraba la información.
"En última instancia, eso tiene que estar relacionado con algún tipo de evento químico que ocurra, algún tipo de cronometrador químico", dijo Zoltowski. "Entonces, siguiendo ese rastro, descubrimos cómo funciona la química".
instantáneas de estado oscuro y estado claro
El problema requería un enfoque doble: resolver la estructura de la proteína para comprender cómo la formación y ruptura de enlaces cambia la forma en que el organismo percibe su entorno; y resolver la química, específicamente las estructuras cristalinas de los estados oscuro y claro de la proteína.
Ese proceso produjo una instantánea de la proteína en el estado oscuro y una instantánea de la proteína en el estado claro, por lo que los investigadores pudieron observar los cambios en la estructura de la proteína en respuesta al evento de formación de enlaces.
A partir de ahí, los investigadores hicieron modelos matemáticos
1 que expliquen cómo la química del evento de ruptura y formación de enlaces, y la velocidad a la que ocurre, debería afectar al organismo;y
2 que diseñan mutaciones en la proteína que afectan cómo pasa del estado oscuro al estado claro para bloquear ese proceso.
Las técnicas estándar dieron como resultado el descubrimiento
El equipo utilizó algunas técnicas estándar. Para llegar a la química, desplegaron espectroscopia visible ultravioleta para medir la eficiencia con que las proteínas absorben la luz. Siguieron las diferencias en el espectro de absorción, viendo qué longitudes de onda se absorben, para rastrear los cambios químicos entrelos estados oscuro y claro.
En el lado de la estructura, cristalizaron las proteínas y recopilaron datos en fuentes de sincrotrón en la Universidad de Cornell, luego trazaron un mapa como un rompecabezas donde todos los electrones están ubicados en el cristal. A partir de ahí, podrían encajar y construir: aminoácido por aminoácido.ácido: la proteína, lo que produce una imagen tridimensional de dónde se encuentra cada átomo de la proteína.
"Esto nos da imágenes e instantáneas de todos esos eventos discretos, donde luego podemos ver cómo los átomos se mueven y cambian de uno a otro", dijo Zoltowski. "Eso nos permite ver la formación de enlaces, los enlacesrotura, y cómo el resto de la proteína cambia en respuesta a eso ".
¿Por qué no pensamos en eso?
La pregunta ha sido importante en el campo, pero los obstáculos técnicos desafiantes frustraron las soluciones, dijo Zoltowski. La clave para su equipo fue la persistencia y los años de experiencia.
"No es fácil trabajar con esta proteína; es difícil obtener cristales de estas proteínas. Requiere una proteína que sea lo suficientemente estable y que interactúe de tal manera que produzca un cristal perfectamente ordenado. Por lo tanto, es difícil de hacerla química y las estructuras. Los investigadores han luchado por obtener cantidades adecuadas de proteína para poder hacer este tipo de caracterizaciones ", dijo.
Piense en ello como un diamante, dijo Zoltowski, que es un cristal perfectamente ordenado que son solo átomos de carbono dispuestos de una manera específica.
"Zeitlupe y FKF-1 tienen miles de átomos en cada proteína, y para obtener un cristal, cada molécula de la proteína debe organizarse con el mismo tipo de exactitud y precisión que los átomos de carbono en un diamante.que se produzcan, donde se empaquetan bien juntas, no es trivial. Y es realmente difícil trabajar con algunas proteínas ".
Zoltowski y sus colegas han tenido la suerte de tener años de experiencia trabajando con estas familias de proteínas, denominadas dominios sensibles al voltaje de oxígeno-luz o dominios LOV, para abreviar.
"Por lo tanto, hemos desarrollado muchas habilidades y técnicas a lo largo de los años que pueden superar algunos de los obstáculos técnicos", dijo. "Así que, simplemente por ganar experiencia con el tiempo, hemos mejorado trabajando con algunosproteínas difíciles. Hace algo que es un desafío, mucho más manejable para nuestro laboratorio ".
¿Esto se aplica a todas las proteínas LOV en cada planta?
Zeitlupe es una palabra alemana que significa cámara lenta. La proteína se denominó Zeitlupe porque los científicos descubrieron, cuando encontraron mutaciones de esta proteína anteriormente, que hacía que el reloj circadiano funcionara más lento. Alteraba naturalmente la forma en que el organismo percibía el tiempo.
"Queríamos comprender las proteínas lo suficientemente bien como para poder alterar selectivamente la química, o alterar selectivamente la estructura, para crear mutaciones que pudieran ser comprobadas en el organismo", dijo Zoltowski. "Queríamos un modelo predictivo que nos dijeraque estas mutaciones que afectan la cinética, la velocidad a la que se rompe este enlace, deberían hacer 'X' en el organismo ".
El nuevo descubrimiento del equipo da como resultado plantas híbridas, algo que la naturaleza ya hace y ha hecho durante millones de años a través del proceso de evolución para que las plantas se adapten para sobrevivir.
"No estamos poniendo nada en la planta ni cambiando su genética", dijo Zoltowski. "Estamos haciendo una mutación muy sutil y dirigida a una proteína específica que ya es una proteína vegetal nativa, y una que nosotros 'Lo que se muestra en este documento ha evolucionado considerablemente en varios cultivos agrícolas diferentes para hacer esto ".
El descubrimiento brinda a los científicos la capacidad de interpretar racionalmente la información ambiental que afecta a una planta para introducir mutaciones, en lugar de depender de la reproducción selectiva para lograr una mutación dirigida para generar fenotipos que potencialmente permitan que la planta crezca en un ambiente diferente.
La investigación abre muchas puertas nuevas, incluidas nuevas preguntas sobre cómo estas proteínas están cambiando su configuración y cómo otras variables, como el estrés oxidativo, se acoplan a las redes sensoriales globales de la planta para alterar también las proteínas y enviar múltiples señales del medio ambiente.
"Lo que hemos aprendido es que es necesario prestar mucha atención a partes específicas de la proteína porque modulan la actividad de forma selectiva en diferentes categorías de esta familia", dijo Zoltowski. "Si miramos a toda la familia de estosproteínas, hay aminoácidos clave que se seleccionan evolutivamente, por lo que desarrollan modulaciones específicas de esta actividad para su propio nicho independiente en el medio ambiente. Una de las conclusiones es que hay áreas en la proteína que debemos analizar para ver cómolos aminoácidos ahora son diferentes ".
Además de la subvención de los NIH, el laboratorio opera con $ 250,000 de la Fundación Herman Frasch de la Sociedad Estadounidense de Química para las Subvenciones de Investigación Química en Química Agrícola.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Metodista del Sur . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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