Les plantes també s'estressen i això canvia com creixen

Científics del Centre de Recerca en Agrigenòmica identifiquen el mecanisme amb què es protegeixen els vegetals quan hi ha massa llum

Les investigadores Guiomar Martín i Elena Monte, del Centre de Recerca en Agrigenòmica / ARA

Les plantes tenen cert marge de decisió davant els estímuls que reben. Quan hi ha massa llum, o no tenen aigua, o el terra és massa àcid, es posa en marxa un mecanisme molecular amb el qual modifiquen el seu desenvolupament per així protegir-se de la situació que les estressa. “Davant l’excés de llum, frenen el seu creixement global, el creixement de la tija, no obren les fulles, la seva capacitat fotosintètica... és per intentar captar menys sol, per què li fa mal”, explica Guiomar Martín, estudiant de doctorat del  Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) i primera autora de l’estudi científic que avui publica 'Nature Communications' i que descriu amb detall com es posa en marxa aquest complex engranatge molecular quan la planta es troba en un entorn amb llum excessiva.

En aquest procés tenen un paper clau els cloroplasts, uns orgànuls de la cèl·lula vegetal. Els científics catalans han observat que son capaços de modificar les instruccions sobre desenvolupament del comandament central de la cèl·lula, el nucli on es troba l’ADN.

Fins ara es creia que els cloroplasts només s’ocupaven de la fotosíntesi

Fins ara es creia que els cloroplasts només s’ocupaven de la fotosíntesi i que, com si es tractés d’una estructura altament jerarquitzada, l’ADN de la cèl·lula era el “director cel·lular” que enviava constantment senyals als orgànuls, entre els quals, els cloroplasts, per uè executessin les seves funcions. Però els orgànuls de la planta se salten aquesta jerarquia i executen senyals al nucli per poder exercir adequadament la seva funció fotosintètica quan cal, fet que es coneix com a senyalització retrògrada.

Ara, l’equip del CRAG ha pogut descriure per primer cop que els efectes d’aquesta senyalització retrògrada no la fan servir tan sols per a la fotosíntesi. “Ens ha sorprès descobrir que els senyals del cloroplast tenen la capacitat de modificar el desenvolupament de la planta, fins i tot imposant-se jeràrquicament al nucli”, explica Martín.

Fent que les fulles o altres parts de la planta es desenvolupin menys, aconsegueix captar menys llum nociva i protegir-se'n. Amb un límit, esclar. Per arribar a aquestes conclusions, els investigadors del CRAG van utilitzar un tipus de planta de laboratori, l''Arabidopsis thaliana'. Li van donar un antibiòtic, la lincomicina, que en humans serveix per tractar infeccions, però que en les plantes malmet els cloroplasts. El seu primer objectiu va ser veure com afectava la desactivació dels orgànuls a la senyalització retrògrada.

En experiments posteriors, van poder identificar amb detall aquesta senyalització retrògrada i les proteïnes PIF, que son sensibles a la llum i regulen el gen nuclear GLK1, encarregat de la posada en marxa el desenvolupament. Quan és fosc, aquestes proteïnes son abundants i fan de fre, de manera que eviten que el GLK1 s’expressi i la planta es desenvolupi. Però quan la planta comença a créixer, surt de sota terra i li arriba la llum, les proteïnes PIF es degraden. Amb la seva absència deixen de frenar el gen, que passa a promoure el desenvolupament de trets fotomorfogènics de la planta, entre altres, l’expansió de les fulles o la producció de clorofil·la.

És com si el gen es rebel·lés i decidís actuar pel seu compte

Ara bé, tot aquest engranatge es veu alterat quan la planta rep llum excessiva. Aleshores, el cloroplast es danya i comença a enviar altres senyals independents i pel seu compte al gen GLK1. Aquestes instruccions el porten a disminuir la seva activitat. És com si davant la informació que li envia el cloroplast danyat, el gen es rebel·lés i decidís actuar pel seu compte davant la situació d’emergència. En definitiva, els científics conclouen que el cloroplast funciona com una antena sensora d’estrès capaç de prendre temporalment al nucli la direcció de la cèl·lula per així modificar el desenvolupament de la planta i protegir-la.

Els resultats de l’estudi obren la porta a entendre millor “la capacitat d’adaptació de les plantes davant el canvi climàtic”, explica Martín. També a crear plantes modificades per sobreviure en condicions extremes. “Hem definit gens que protegeixen la planta, i si n'alterem l'expressió podem fer plantes més resistents”, diu Martín.

Funcions múltiples

En un estudi anterior, els investigadors del CRAG ja van observar que les mateixes proteïnes PIF tenen una altra funció. “Estan implicades en el rellotge circadiari (biològic) de la planta”, assegura Martín. Aquest mecanisme explica per què les plantes creixen durant l’hivern, quan les nits son més llargues, mentre que a l’estiu s’atura el creixement per donar pas a la floració, activa quan les nits son curtes.

Superordinadors per simular la fotosíntesi

La supercomputació fa possible que científics i enginyers analitzin processos físics molt complexos amb tècniques de simulació. Ara, el que es vol simular és la fotosíntesi. Aquesta informació seria útil per als científics que investiguen com construir cèl·lules fotovoltaiques inspirades en els processos de les plantes, i per als que volen crear plantes modificades més resistents a les temperatures cada cop més extremes davant el canvi climàtic i que estan desplaçant alguns cultius.

Algunes de les màquines més ràpides del mon, entre les quals, el MareNostrum III, del Centre Nacional de Supercomputació de Barcelona, col·laboren en un ambiciós projecte per entendre com funciona en les plantes la molècula LHC-II, encarregada de la fotosíntesi i formada per uns 17.000 àtoms. Per ara, encara no s’ha pogut executar la molècula en la seva totalitat, però sí, dissenyar el 'software' necessari i desvelar-ne algunes parts importants. Des de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) també s’estudia la fotosíntesi a nivell quàntic gràcies a un complex microscopi dissenyat per ells que els ha permès enregistrar la quàntica de la fotosíntesi a nivell nanomètric i en qüestió de femtosegons. Molts fenòmens de la fotosíntesi desconeguts tenen relació amb la física quàntica.