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The role of chromatin in the long-term adaptation of plants to abiotic stress

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Cómo las plantas «recuerdan» el estrés por calor para desarrollar tolerancia

Dado que el cambio climático exacerba las tensiones que hacen peligrar los cultivos mundiales, en CHROMADAPT se estudiaron los mecanismos moleculares que ayudan a las plantas a desarrollar tolerancia al calor y ofrecer así posibles soluciones para el sector agroalimentario.

Alimentos y recursos naturales icon Alimentos y recursos naturales

Las cultivos al aire libre se enfrentan a una serie de factores de estrés abióticos (no biológicos), como temperaturas extremas, sequía y salinidad, por lo que las plantas han adaptado respuestas moleculares para calibrar estos factores de estrés y adaptarse. El momento de la respuesta de cada planta es crítico para su supervivencia, con respuestas fluctuantes que difieren notablemente de las desarrolladas para el estrés recurrente. Según Isabel Bäurle, coordinadora del proyecto CHROMADAPT: «Las investigaciones se han centrado principalmente en la respuesta inmediata al estrés y han descuidado el hecho de que, en la naturaleza, el estrés se repite con frecuencia». El equipo de CHROMADAPT, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, se interesó especialmente por la base molecular del «cebado» en las plantas, que potencia las respuestas al estrés recurrente. Un hallazgo fundamental fue que las plantas tienen la capacidad de «recordar» el estrés por calor gracias a un mecanismo en el que intervienen factores de transcripción y modificadores de la cromatina. Los investigadores también hallaron este mecanismo en plantas lejanamente emparentadas, como la cebada.

La memoria del estrés por calor

En CHROMADAPT se estudió la pequeña planta de floración «Arabidopsis thaliana» o berro común. Además de tener mecanismos moleculares similares a los de las especies vegetales de cultivo, ofrecía una amplia gama de recursos de investigaciones previas. El proyecto utilizó la genética directa e inversa, que incluye CRISPR, para identificar los reguladores de la memoria del estrés por calor. La genética directa es una técnica molecular que identifica los genes responsables de determinados fenotipos o rasgos. Mientras que la genética inversa se pregunta si un gen específico tiene una función en el proceso estudiado. Tras identificar los genes responsables de la memoria del estrés por calor a nivel molecular, el equipo simuló este tipo de estrés en el laboratorio para comprobar si estos genes también son importantes para la tolerancia al calor de toda la planta. Las plántulas de berro común se incubaron a 37 °C durante una hora para que se aclimataran a altas temperaturas, proceso denominado «cebado». Esto se repitió unos días más tarde a 44 °C. «Las plántulas que no habían sido cebadas no podían sobrevivir a este estrés. Sin embargo, nuestras plántulas experimentales han desarrollado una memoria de estrés por calor, se protegen rápidamente y esta protección dura varios días», comenta Bäurle. La explicación de esta memoria parece estar en la cromatina.

El papel de la cromatina

La cromatina es una mezcla de ADN y proteínas que componen los cromosomas de las células. Su organización varía e influye en la expresión de los genes, incluidos los responsables de la memoria del estrés por calor. Los genes inducidos por altas temperaturas, por ejemplo, producen proteínas que reparan y protegen de daños a otras proteínas. El equipo de CHROMADAPT descubrió que la cromatina de estos genes cambia tras la inducción de calor y mantiene esos cambios como un «recordatorio» para el estrés recurrente. «Cuando se activa un recuerdo de estrés por calor, las modificaciones de la cromatina garantizan que estos genes estén activos durante más tiempo tras la remisión del estrés o que se reactiven más rápido y con mayor fuerza como respuesta al estrés por calor recurrente», explica Bäurle. El equipo realiza ahora pruebas para ver qué les ocurre a las plantas cuando estos genes se desactivan mediante mutaciones.

Seguridad alimentaria

Ante la previsión de que el aumento de las temperaturas mundiales propiciará la reducción del rendimiento de los principales cultivos, la industria agroalimentaria mundial busca soluciones. El equipo de CHROMADAPT estudió la cebada como modelo de cultivo de cereales, partiendo de la hipótesis de que los genes pertinentes para la memoria del estrés por calor en «A. thaliana» también lo son para la cebada, y descubrió que el gen FORGETTER1 interviene en la respuesta al calor de ambas. El equipo utiliza ahora CRISPR para crear mutantes de genes candidatos de la cebada y determinar su influencia en la cromatina, otros genes, la formación de proteínas y la tolerancia al estrés por calor. «Nuestros conocimientos sobre la adaptación a largo plazo de las plantas al estrés abiótico abren el campo a la obtención de cultivos más tolerantes al estrés como mitigación proactiva contra la reducción del suministro de alimentos», concluye Bäurle.

Palabras clave

CHROMADAPT, cambio climático, planta, cultivo, estrés, cromatina, berro común, genética, rendimiento

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