Ajustando el reloj para el nuevo clima

La última Cumbre Mundial sobre Seguridad Alimentaria, organizada por la FAO, la agencia de alimentación y agricultura de las Naciones Unidas, señalaba en su declaración final un objetivo que se ha convertido en el mayor desafío agroalimentario actual: Para conseguir erradicar el hambre en el año 2050 la producción de alimento a nivel global debe incrementarse en un 70%. Debido al crecimiento de la población mundial y a las situaciones de desnutrición, no sólo hay que producir más comida, sino de mejor calidad. Pero también hay que reducir el uso de fertilizantes para minimizar la degradación medioambiental causada por emisiones de CO2 y los compuestos nitrogenados en los procesos agrícolas.

Este aumento sostenido de la producción no tiene precedentes y, para lograrlo, hay que tener en cuenta además que no estamos en un entorno estable, en el que el objetivo sería ya de por si difícil, si no que nos encontramos en medio de un proceso de cambio climático que modifica los patrones meteorológicos y aumenta las variaciones medioambientales en parámetros como la sequía, la salinidad o la temperatura. Para contrarrestar estos efectos negativos es fundamental entender cómo afecta el cambio climático a la agricultura y cómo pueden adaptarse las plantas a las variaciones ambientales a las que van a ser sometidas.

Objetivos de producción de cereal a nivel global basados en datos de la FAO. (Tester & Landgrige, Science 327, 818)

Esa es una de las motivaciones que hay detrás de una serie de estudios recientes llevados a cabo en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB), un centro de investigación del CSIC que ha recibido este año la certificación de Centro de Excelencia del programa Severo Ochoa a pesar de haber estado en duda su continuidad hace apenas un año debido a los recortes en los presupuestos del CSIC. La Dra. Cristina Nieto, del grupo dirigido por la doctora Prat, del Departamento de Genética Molecular de Plantas del CNB, afirma: “El impacto del cambio climático ha puesto de relieve la necesidad de enfocar los programas de mejora hacia la selección de variedades capaces de adaptarse a las nuevas condiciones”.

El crecimiento y desarrollo vegetal está regulado por diversos factores ambientales, entre ellos la luz y la temperatura. Las plantas han desarrollado mecanismos de regulación que les permiten anticiparse y adaptarse a lo largo de su ciclo de vida a los cambios de su entorno inmediato y sincronizar estas respuestas con sus propios mecanismos endógenos de desarrollo. De esta forma, las condiciones locales ejercen un efecto determinante en la morfología y fisiología de la planta adulta, alterando la longitud del tallo, la formación de brotes laterales o la transición a la fase reproductiva. El mecanismo encargado de integrar las señales de luz y temperatura y de regular el crecimiento de la planta de acuerdo a estas condiciones es el reloj circadiano (del latín circa, que significa ‘alrededor de’ y dies, que significa ‘día’). Aunque es objeto de numerosos estudios, todavía se desconoce el funcionamiento preciso de este mecanismo, pero la Dra Nieto nos explica que en él está la clave para mejorar la adaptabilidad de las plantas: “El estudio de los mecanismos que controlan la regulación del reloj circadiano nos permitirá abordar estrategias nuevas en los programas de mejora dirigidas a la selección de variedades más adaptadas al entorno en que se cultivan. Entre los caracteres que consideramos con mayor potencial para aumentar el rendimiento de los cultivos se encuentra la floración temprana. Y los mecanismos que controlan estos caracteres se encuentran integrados en el reloj circadiano. Estamos estudiando qué proteínas y genes intervienen en dichos procesos y su papel en la regulación del crecimiento de la planta”.

Para estudiar el reloj circadiano de las plantas se utiliza la planta modelo Arabidopsis thaliana, una  herbácea sobre la que se basan casi todos los experimentos de este tipo por ser la primera planta cuyo genoma se secuenció por completo. Se estudia con ella en el espacio, e incluso la NASA tiene planeados experimentos de crecimiento con ella plantando Arabidopsis en la Luna en una próxima misión.

Mutantes de Arabidopsis con distinto crecimiento según la expresión de diferentes genes.

Una manera de explicar el reloj circadiano de manera simple sería decir que funciona haciendo que se expresen ciertos genes cuando se cumplen ciertas condiciones de luz y temperatura. Es decir, dependiendo de la cantidad de luz recibida, de si los días son más o menos cortos y de la temperatura ambiental. La expresión de cada uno de estos genes se manifiesta mediante la producción de cierta proteína asociada a ellos. La labor de intentar entender el funcionamiento del reloj y de cómo afectan las condiciones ambientales a la planta pasa por identificar qué genes se expresan y cuándo, y qué papel desempeña cada proteína en los rasgos físicos y de comportamiento que presente la planta, su fenotipo. Obviamente esto es mucho más complejo de lo que parece, puesto que muchas características no dependen de la presencia de una proteína en concreto, sino de la interacción de varias de ellas.

En su publicación más reciente, Nieto et al (2015) han identificado que la interacción entre dos proteínas, llamadas ELF3 y PIF4, regula el patrón de crecimiento diurno en la Arabidopsis. Sus resultados muestran que el ELF3 modula el crecimiento de la planta, no directamente si no mediante la inhibición de la actividad de PIF4, que controla la elongación del hipocotilo, el tallo germinal de la planta.

Esquema básico de reloj circardiano. (Nieto et al. 2014)

Esquema básico de reloj circardiano. (Nieto et al. 2015)

La sobreexpresión de PIF4 causa una floración temprana, mientras que la de ELF3 causa el efecto contrario y además retrasa la senescencia de las plantas mediante la generación de nuevas yemas. De esta manera, la sobreexpresión simultánea de ambos genes, con papeles opuestos en el control del momento de la floración, provoca que la planta florezca antes de tiempo a la vez que prolonga su ciclo de vida. Este resultado, y la identificación de la relación de las proteínas que lo influyen, tiene una serie de aplicaciones agronómicas potenciales muy interesantes. Gracias a la selección de variedades que puedan florecer antes se dispone de un mayor rango de condiciones de cultivo, pues de esta forma se evitan épocas de climatología adversa y, además, se amplía la latitud en la que una variedad determinada puede ser cultivada.

Este tipo de investigaciones son un ejemplo de cómo hacer énfasis en lo minúsculo para combatir grandes problemas y nos señalan un posible camino a seguir en la adaptación al cambio climático: manipular el reloj para ajustarlo a la nueva hora.

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Foto de portada: Arabidopsis thaliana, planta utilizada en el estudio del reloj circadiano.

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