Memoria Ambiental en Plantas

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Resumen

Las plantas usan diferentes señales del ambiente para ajustar su crecimiento y desarrollo a los cambios estacionales. Esta plasticidad en la respuesta requiere de una correcta percepción e integración de las señales, un cambio en la expresión de genes en respuesta a esas señales, y luego el mantenimiento de esa respuesta hasta que las condiciones cambien nuevamente.

Estamos interesados en entender cómo las plantas integran la información ambiental para regular diferentes transiciones del desarrollo a través de su ciclo de vida y las generaciones, enfocándonos en los procesos de germinación y floración.

Esta integración de la información, o memoria ambiental, está finamente regulada ya que es relevante para maximizar las chances de supervivencia y desempeño en condiciones variables. Nuestro trabajo está enfocado en entender cómo germinación y floración, dos transiciones vinculadas fenotípica y genotípicamente, son influenciadas por los cambios en el ambiente. En particular, estamos estudiando los mecanismos moleculares que subyacen las respuestas a los cambios en el ambiente (especialmente cantidad y calidad de luz, fotoperíodo y temperatura).

Usamos varios modelos de estudio, entre ellos Arabidopsis thaliana, Nothofagus obliqua, Nothofagus pumilioy arroz maleza, cada uno dándonos la oportunidad de explorar las respuestas de las plantas en diferentes escalas: molecular, fisiológica,ecológica y evolutiva.

Resumen Científico

¡Las plantas son muy interesantes!

Ellas usan diferentes señales del ambiente para ajustar su crecimiento y desarrollo a los cambios estacionales. Esta plasticidad en la respuesta requiere de una correcta percepción e integración de las señales, un cambio en la expresión de genes en respuesta a esas señales, y luego el mantenimiento de esa respuesta hasta que las condiciones cambien nuevamente.

En particular, cuando se produce la germinación es determinante del ambiente que la planta en crecimiento experimentará, influenciando de manera importante otras transiciones del desarrollo como la floración. A su vez, el momento en el que ocurre la floración también puede afectar el desempeño de las plantasen un ambiente fluctuante por medio de la regulación de cuándo las semillas son producidas y dispersadas, influenciando el ambiente que las semillas tendrán disponible para germinar. Este ciclo es extremadamente relevante para plantas de vida corta (anuales y bianuales, mayoritariamente malezas),por lo que regular finamente las respuestas a las estaciones aumenta su posibilidad de supervivencia y desempeño en condiciones variables, también mejorando sus posibilidades de colonización de, y enúltima instancia adaptación a, nuevos ambientes.

Nuestro trabajo está enfocado en entender cómo germinación y floración, dos transiciones vinculadas fenotípica y genotípicamente, son influenciadas por los cambios en el ambiente y las consecuencias evolutivas que dichos cambios puedan tener

Los cambios en la calidad y cantidad de luz del ambiente (ambiente lumínico) advierten a las plantas sobre la presencia de potenciales competidores, mientras que los cambios en la duración del día (fotoperiodo) informa sobre el contexto estacional.

Cuando estos cambios son experimentados por la planta madre durante la maduración de las semillas, éstos informan a las semillas sobre posibles condiciones de estrés luego de la dispersión. Cambios en la calidad (proporción de luz roja/roja lejana,R:RL) y cantidad de la luz (irradiancia) durante la maduración o imbibición de las semillas afecta la respuesta de germinación de la progenie.

El fotoperíodo a su vez también afecta la germinación de la progenie, aún si las plantas madre experimentaron diferentes largos del día antes de florecer. Es interesante que el efecto del ambiente materno supera el efecto del propio ambiente de las semillas,modificando las respuestas a través de las generaciones, y probablemente influenciando la composición de los bancos de semillas y comunidades vegetales (Leverett et al. 2016; Imaizumi et al. 2017).

Usando Arabidopsis thaliana, estamos estudiando cuál es el papel que juegan en el efecto materno los fotorreceptores (proteínas que perciben los cambios en la composición de la luz) y sus vías de señalización, así como los genes de la vía de floración de respuesta al fotoperíodo, en el pasaje de la memoria del ambiente materno a las semillas

Para plantas de vida corta, la correcta sincronización de la germinación con el ambiente es importante para el futuro desarrollo y supervivencia de la planta.

Las semillas toman la decisión de germinar o no integrando la información sobre las condiciones ambientales luego de la dispersión, su fondo genético y la historia del ambiente experimentado por la planta madre que es pasado a la semilla antes de la dispersión.

Los cambios ambientales percibidos por la planta madre pueden afectar la germinación de la siguiente generación aún si las mismas semillas en desarrollo no experimentan esos cambios. La exposición de las plantas madre como plántulas al frío, mucho antes de que las plantas florezcan,aumenta la probabilidad de germinación de las semillas de la progenie (Auge et al. 2017).

Usando Arabidopsis thaliananos encontramos estudiando cuál es la base genética y la naturaleza de la unidad de información que la planta madre pasa a las semillas, y también cuál es el significado adaptativo de los efectos maternos.

Para muchos cultivos, la domesticación fue acompañada por la evolución de malezas cercanamente emparentadas, que compiten fuertemente con los cultivos que invaden y tienen efectos perjudiciales en el rendimiento de los cultivos.

El arroz maleza pertenece a la misma especie que el arroz convencial (Oryza sativa) y es una maleza importante para cultivos de arroz en todo el mundo, con un estimado de pérdidas >80% si no se controla a tiempo. Desde principios de la década del 2000, el arroz maleza ha emergido en numerosas áreas de Japón, generando un importante problema a la producción de arroz en este país, aún en campos donde se realiza trasplante.

Las poblaciones de arroz maleza tienen alta dormición que el arroz convencional, lo que las hace extremadamente exitosas y persistentes. Entender la dinámica y los mecanismos que subyacen los procesos de dormición y germinación en arroz maleza es de suma importancia para desarrollar mejores herramientas de control.

Usando poblaciones de arroz maleza, estamos estudiando los efectos maternos en respuesta a los cambios de temperatura en variedades de arroz convencional y maleza para entender los mecanismos moleculares subyacentes y para ser capaces de predecir fenotipos con el objetivo de ayudar a establecer mejores estrategias de control que puedan ser usadas en Japón y en cualquier región productora de arroz del mundo.

La germinación es una transición del desarrollo clave en el ciclo de vida de las plantas que contribuye fuertemente a la adaptación local de las especies. Sin embargo, el conocimiento sobre las redes genéticas que subyacen esta adaptación en ambientes naturales es sumamente escasa. Las semillas de dos árboles nativos de la Patagonia Argentina, Nothofagus pumilio(lenga) y N. obliqua(roble pellín), muestran respuestas diferentes a ciertos rangos de temperatura asociadas con estratos altitudinales distintivos.

Cuáles son los genes o regiones del genoma que se encuentran asociados a estas respuestas es desconocido. Usando bloques experimentales en el Parque Nacional Lanín (Neuquén, Argentina) en un gradiente altitudinal, estamos explorando las bases moleculares de la adaptación local y la contribución de la germinación de semillas de lenga y roble pellín.

Integrantes

Clara Fontana

maclarafontana@gmail.com
Becaria Doctoral CONICET

Ailén Authier

ailenauthier@gmail.com
Becaria Doctoral CONICET

Cruz Ferrer Vieyra

cruzferrervieyra@gmail.com
Estudiante de Licenciatura

Galería

Colaboradores:

  • Kathleen Donohue, Departamento de Biología / Biology Department, Duke University, EEUU / USA
  • Mariano Alvarez, Departamento de Biología / Biology Department, Duke University, EEUU / USA
  • Pablo Cerdán, Fundación Instituto Leloir-IIBBA-CONICET, Argentina
  • Ma. Verónica Arana, EEA-Bariloche-INTA, Argentina
  • Toshiyuki Imaizumi, National Agriculture and Food Research Organization, Japón / Japan

Prensa: