Al anochecer, las hojas del tamarindo se cierran, esperando otro amanecer. Androsthenes, un capitán de barco que servía bajo Alejandro Magno, hizo el primer relato escrito de estos movimientos de hojas en el siglo IV a. C.
Le llevó siglos más descubrir que estaba describiendo los efectos del reloj circadiano. Este mecanismo interno de detección del tiempo permite a muchos organismos vivos realizar un seguimiento del tiempo y coordinar sus comportamientos a lo largo de ciclos de 24 horas. Sigue los ciclos regulares día / noche y estacionales de la rotación diaria de la Tierra. La investigación circadiana ha avanzado tanto que el Premio Nobel 2017 en fisiología o medicina fue otorgado por el trabajo innovador que dilucida la base molecular que subyace a los ritmos circadianos.
Los biólogos como nosotros están estudiando los relojes circadianos en las plantas para obtener información sobre cómo afectan la salud y el bienestar de toda la vida en la Tierra. A medida que los investigadores continúan desenredando más sobre cómo funcionan estos relojes, incluida la forma en que influyen en las interacciones entre los anfitriones y sus patógenos y plagas invasoras, podrían aparecer nuevas formas de medicina de precisión especialmente cronometrada.
Nuestro marcapasos oculto
Los organismos de los tres dominios de la vida poseen una sorprendente diversidad de ritmos circadianos. Las cianobacterias aparentemente simples alternan la actividad fotosintética entre el día y la noche. El hongo Neurospora crassa produce esporas todas las mañanas justo antes del amanecer. Las mariposas monarca migratorias utilizan una delicada brújula solar en su migración anual. Casi todos los aspectos de la actividad humana están influenciados por el reloj circadiano; puedes verlo fácilmente en ti mismo si vuelas a través de zonas horarias o trabajas por turnos.
La fuerza impulsora detrás de los ritmos circadianos es lo que los científicos llaman el oscilador central del reloj circadiano, una elaborada red de genes que activan y desactivan la actividad de los demás. Juntos, forman complejos bucles de retroalimentación que calibran con precisión el tiempo.
Aunque los genes de reloj individuales no siempre son iguales en todos los dominios de la vida, el mecanismo de retroalimentación del oscilador central sí lo es. Este mecanismo actúa como un interruptor para sincronizar las actividades diarias de un organismo con las fluctuaciones diurnas y nocturnas y otros cambios ambientales. Tales sorprendentes actos de equilibrio reflejan las habilidades de los organismos para anticipar un entorno cambiante a lo largo del día.
Cronometraje preciso y salud
Un reloj circadiano bien calibrado es crítico para el crecimiento y la forma física, por lo que la desalineación del reloj circadiano con las señales ambientales causa problemas de salud diversos y de gran alcance. Algunas enfermedades humanas, como la diabetes, la obesidad, las enfermedades cardiovasculares y algunos trastornos psiquiátricos, como la depresión y el trastorno bipolar, probablemente estén relacionados con que los relojes circadianos no estén sincronizados con el medio ambiente.
Después de la infección por un hongo, las plantas con un reloj circadiano mutante (derecha) mostraron mucho más daño que las plantas normales (izquierda). (Hua Lu, CC BY-ND) La evidencia creciente también vincula el reloj circadiano con la salud de las plantas. En particular, los científicos de las plantas han demostrado que un reloj circadiano sintonizado adecuadamente es importante para la resistencia de las enfermedades de las plantas a las matrices de patógenos y plagas. Aunque las plantas no producen anticuerpos ni usan células inmunes especializadas para protegerse de los invasores, algunos aspectos de su sistema inmunitario son similares al nuestro. Debido a lo fácil que es cultivarlos y manipularlos genéticamente, algunas plantas, como Arabidopsis, sirven como sistemas ideales para investigar cómo el reloj circadiano influye en el resultado de enfermedades en plantas una vez infectadas.
Interacciones planta-patógeno las 24 horas
Las plantas, al estar inmóviles, deben asignar estratégicamente su energía y recursos limitados cuando se enfrentan a patógenos y plagas. Tienen la capacidad sofisticada de cronometrar su defensa, lo que les permite anticipar posibles ataques antes de que ocurran y modular las respuestas de defensa ante atacantes reales.
Los estomas son pequeños poros en la superficie de la planta que pueden abrirse y cerrarse. (Valentina Moraru / Shutterstock.com) La vanguardia de la defensa de las plantas está en la superficie. Las características físicas como tricomas, pequeños pelos que sobresalen, cubren protectoramente una planta y los recubrimientos de cera disuaden a los invasores de aferrarse a la superficie. La superficie de la planta también tiene numerosos poros en forma de boca llamados estomas. Normalmente, los estomas se abren rítmicamente durante el día y se cierran por la noche, un proceso regulado por el reloj circadiano en anticipación de los cambios de luz y humedad. Si bien este proceso es importante para la fotosíntesis y el intercambio de agua, algunos patógenos pueden usar estomas de apertura como portales para acceder a nutrientes y espacio dentro del tejido vegetal y los estomas de cierre restringen la invasión de patógenos.
Más allá de las barreras físicas de primera línea, las plantas han desarrollado sistemas de vigilancia complejos para detectar patógenos y plagas como intrusos. Cuando los receptores de la superficie celular reconocen un patógeno, la planta cierra inmediatamente sus estomas en el sitio de invasión. Los relojes circadianos disfuncionales deterioran el cierre del estoma, lo que resulta en una enfermedad más grave.
El reconocimiento adicional de patógenos envía señales de alerta profundamente en el tejido vegetal, activando un arsenal de respuestas de defensa, incluida la reprogramación de la expresión génica, la producción de compuestos antimicrobianos y la mejora de la señalización de defensa. Incluso en ausencia de patógenos, muchas de estas respuestas muestran cambios bajos pero rítmicos que están influenciados por el reloj circadiano. Cuando llega un ataque real, el ensayo diario de las plantas de sus sistemas de defensa garantiza una defensa oportuna fuerte y concertada. Las plantas con relojes desalineados sucumben al ataque.
Un excelente ejemplo de una planta que mide su defensa proviene del grupo de Xinnian Dong en la Universidad de Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis es un patógeno que disemina sus esporas virulentas por la mañana y causa enfermedades en las plantas de Arabidopsis . El grupo de Dong demostró con elegancia que Arabidopsis anticipa este ataque al expresar un conjunto de genes de defensa al amanecer que brinda resistencia contra el patógeno. Cuando los investigadores interrumpieron el reloj circadiano de Arabidopsis, abolió la defensa de esta mañana e hizo que la planta fuera más susceptible.
Las plantas también dependen de la defensa oportuna para combatir los insectos. Por ejemplo, los recolectores de repollo tienen una actividad de alimentación máxima antes del anochecer. El hermoso trabajo del grupo de Janet Braam en la Universidad de Rice demostró que Arabidopsis produce la hormona de señalización de defensa ácido jasmónico con un pico al mediodía en previsión de este ataque. Cuando los insectos realmente atacan, el reloj circadiano aumenta esta defensa del mediodía, produciendo más ácido jasmónico para inhibir la alimentación de insectos.
¿Los relojes bailan en parejas?
Como se ve en estos ejemplos, los patógenos y las plagas tienen sus propios relojes circadianos y los usan para determinar el mejor momento para estar activos. ¿Cómo afecta esta habilidad a sus invasiones de anfitriones? Hasta ahora, los investigadores no están seguros de si los relojes de patógenos y plagas están coordinados con los del huésped. Si lo están, su sincronización podrían determinar el resultado de sus interacciones.
La evidencia actual indica que algunos microbios eucariotas, como Hyaloperonospora arabidopsidis y Botrytis cinerea, pueden manipular el reloj circadiano de Arabidopsis . Incluso los patógenos procariotas, como Pseudomonas syringae, a pesar de carecer de un oscilador central canónico, pueden interferir con los relojes de las plantas de varias maneras.
En humanos y ratones, algunas poblaciones de microbiota intestinal oscilan diariamente, dependiendo del reloj circadiano del huésped. Curiosamente, la microbiota intestinal es capaz de reprogramar el reloj del host. ¿Cómo se produce esta comunicación transkingdom? ¿Cómo puede influir en el resultado de las interacciones huésped y microbio? La investigación en esta área representa un nivel fascinante e inexplorado de dinámica huésped-invasor.
Las acciones oportunas en las plantas, como las hojas de cierre del árbol de tamarindo notadas por Androsthenes hace milenios, podrían eventualmente ayudarnos a diseñar medicamentos más precisos. (oraphan_nan / Shutterstock.com) El reloj como sanador y ayudante
La capacidad de integrar las señales de tiempo con el desarrollo y las respuestas a los ataques ambientales es una adaptación evolutiva. Las plantas han enseñado mucho a los biólogos sobre los ritmos circadianos y su papel en la modulación de todo, desde el desarrollo hasta la defensa.
La investigación del reloj ha abierto una oportunidad para aplicar este conocimiento a otros sistemas, incluidos los humanos. ¿Cómo podemos modificar el ciclo diario de ciertas características de defensa para mejorar la inmunidad sin causar estrés en el desarrollo? ¿A qué horas del día somos más susceptibles a ciertos patógenos? ¿Cuáles son los momentos más invasivos del día para varios patógenos y plagas?
Las respuestas a preguntas como estas ayudarán a desentrañar las interacciones huésped-patógeno / plaga, no solo en las plantas sino también en las personas. En última instancia, este conocimiento podría contribuir al diseño de medicamentos de precisión diseñados para impulsar la defensa oportuna en personas individuales para luchar contra diversos patógenos y plagas. Además, nuestra comprensión de la resistencia a las enfermedades de las plantas ayudará al control agrícola de patógenos y plagas, mitigando el desafío global de la pérdida de cultivos.
La investigación en curso continúa revelando cómo la influencia de los ritmos circadianos se extiende tan ilimitadamente como los rayos del sol.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Hua Lu, Profesor Asociado de Ciencias Biológicas, Universidad de Maryland, Condado de Baltimore
Linda Wiratan, BS Estudiante de Bioquímica y Biología Molecular, Universidad de Maryland, Condado de Baltimore
