Un promotor de genes hinchado evita que el calor socave las defensas de las plantas

Resumen

Las defensas inmunitarias de las plantas se debilitan durante las olas de calor, haciéndolas más vulnerables a los insectos y patógenos bajo el cambio climático. Los científicos del HHMI ahora han entendido por qué las altas temperaturas eliminan un sistema de defensa clave y han desarrollado una estrategia que aumenta la inmunidad de las plantas.

Las plantas que perciben el calor enfrentan riesgos más allá del marchitamiento. Durante las olas de calor, las defensas de las plantas fallan, haciéndolas más vulnerables a infecciones e infestaciones. Esto es tanto más preocupante cuanto que el cambio climático hace que las olas de calor sean más frecuentes e intensas.

«Las plantas en realidad tienen un sistema inmunológico innato muy fuerte, por lo que han sobrevivido en la Tierra durante tanto tiempo», dice el científico de plantas. Sheng Yang Él, quien es investigador en el Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) en la Universidad de Duke. “Pero ahora sabemos que es posible que este sistema inmunitario no funcione tan bien en un clima cálido, especialmente para muchos cultivos en climas fríos. El calentamiento climático continuo podría exacerbar esta reducción de la inmunidad innata y aumentar las infestaciones de enfermedades e insectos en el futuro.

Su equipo ha descubierto nuevas pistas sobre por qué el calor debilita la inmunidad de las plantas. Esto les permitió encontrar una solución genética para mantener en línea un sistema clave de defensa vegetal durante períodos cálidos, informan los investigadores el 29 de junio de 2022, en La naturaleza.

La función inmunológica de las plantas requiere la hormona ácido salicílico, que ayuda a coordinar las defensas que las plantas elevan o disminuyen. Pero las plantas asfixiantes reducen la producción de ácido salicílico, y los investigadores no están seguros de por qué.

Él y sus colegas crecieron Arabidopsis, una planta modelo y prima de las crucíferas, que permite que las plantas prosperen en temperaturas agradables durante cuatro semanas antes de subir la temperatura durante unos días. Luego infectaron las plantas con una bacteria patógena y observaron que las plantas calientes tenían niveles de ácido salicílico mucho más bajos que las plantas infectadas que habían escapado de la ola de calor. La expresión de genes vegetales permitió al equipo descubrir genes reguladores que pueden ser responsables de la producción mediocre de ácido salicílico en las plantas.

Para determinar qué gen era el eje central del ácido salicílico, el equipo pasó muchos años cultivando varias plantas transgénicas o mutantes. Cada uno expresó un gen candidato secuestrado para retenerlo durante las altas temperaturas. Eventualmente, el equipo de He aterrizó en un gen llamado CBP60g, que sorprendentemente estaba mucho más arriba de la producción de ácido salicílico. Pero el equipo aún no sabía por qué colapsó por el calor.

«Las plantas en realidad tienen un sistema inmunológico innato muy poderoso que explica por qué han sobrevivido en la Tierra durante tanto tiempo».

Sheng Yang He, investigador del HHMI en la Universidad de Duke

Así que él y sus colegas analizaron los factores de transcripción y coactivadores conocidos del gen, agotando todas las posibilidades. No se encontró que ninguno estuviera involucrado en la sensibilidad a la temperatura de CBP60g expresión. «Estábamos a punto de rendirnos», dice. Pero entonces, inmunólogo John McMicking publicó un artículo el año pasado en La naturaleza lo que proporcionó una nueva pista para el rompecabezas. MacMicking, investigador del HHMI en la Universidad de Yale, y sus colegas informaron sobre un nuevo condensado de proteínas, una gota de proteínas concentradas formadas por un proceso llamado separación de fases, involucradas en la regulación CBP60gse expresa y produce ácido salicílico tras la infección. Por lo tanto, él y MacMicking comenzaron una colaboración para investigar CBP60g’s papel en la pérdida de inmunidad bajo altas temperaturas.

Esta burbuja de proteína se encuentra en CBP60gy parece ser esencial para la transcripción, quizás porque concentra las moléculas necesarias para iniciar el proceso, dice. Estas estructuras de fases separadas, que se asemejan a orgánulos pero se autoensamblan sin una membrana de bicapa lipídica, se han estudiado en animales durante más de una década. Pero solo se han examinado más de cerca en las plantas en los últimos años, dice MacMicking. “Será un momento muy emocionante para los biólogos de plantas”, señala MacMicking. Los condensados ​​de proteínas pueden participar en la germinación, la floración y el crecimiento. Y parece que pueden formar, realizar sus tareas y luego desmontarse. Ahora debemos revisar nuestra noción de la composición de una célula, dice.

Su equipo encontró que sus plantas infectadas desarrollaron menos burbujas de proteína a altas temperaturas. Todavía no está claro exactamente qué tan sensibles al calor son estos condensados ​​durante la transcripción, por lo que el equipo de He encontró una solución para impulsar la producción de ácido salicílico.

Los investigadores cultivaron más plantas transgénicas, esta vez reemplazando CBP60g‘s promotor con un interruptor que no era sensible a la temperatura. Esto dejó el sistema de ácido salicílico aún activado. Y descubrieron que la respuesta inmune elevada vino con una compensación: estas plantas sacrificaron el crecimiento y produjeron hojas más pequeñas.

Los agricultores no quieren plantas atrofiadas, por lo que el equipo recurrió a un promotor desarrollado en 2017 por un científico de plantas de la Universidad de Duke. Dong Xinnian, quien también es investigador del HHMI. El interruptor hinchado de Dong solo se enciende cuando está infectado. Esto permitió la Arabidopsis tener su defensa de ácido salicílico lista, pero solo desplegarla cuando sea atacada. Esta estrategia también funcionó con el cultivo de colza.

«Existe una gran promesa de que las plantas pueden diseñarse para preservar la inmunidad en condiciones más cálidas», dice Jian Hua, biólogo de plantas de la Universidad de Cornell que no formó parte de este trabajo. Comprender cómo otros factores ambientales afectan la inmunidad de las plantas puede ayudar a los investigadores a desarrollar plantas más resistentes, dice ella. «Este trabajo es un gran ejemplo de investigación básica que se traduce en una solución efectiva para abordar el cambio climático».

Sus colaboradores están actualmente probando las plantas con los genes modificados en el campo. Todas las plantas tienen CBP60gpor lo que él y sus colegas quieren descubrir cómo editar genes de plantas con CRISPR para cambiar el endógeno de las plantas. CBP60g Génova. En última instancia, el objetivo, que se enfrentará a una comunidad de científicos de plantas, es dar a las plantas una ventaja a medida que surgen nuevas amenazas, desde el aumento de las sequías hasta nuevos patógenos.

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Cotizar

Jong Hum Kim et al. «Aumentar la resiliencia de la inmunidad de las plantas al calentamiento global.” La naturaleza. Publicado en línea el 29 de junio de 2022. doi: 10.1038/s41586-022-04902-y