A xerminación das sementes depende da luz en moitas plantas. Pero non sempre: Aethionema arabicum, unha planta adaptada a condicións ambientais desafiantes, faino á súa maneira. Aquí, os fitocromos, os receptores da luz vermella e vermella afastada, xogan un papel inesperado na xerminación das sementes e tempo este proceso para a estación óptima.
Estes achados, agora publicados en Fisioloxía das plantas, son un exemplo convincente do recableado evolutivo dos módulos de sinalización que axudan ás plantas a adaptarse aos seus hábitats. O estudo foi dirixido por investigadores do Instituto Gregor Mendel de Bioloxía Vexetal Molecular (GMI) da Academia de Ciencias de Austria.
Mentres algúns sementes de plantas requiren luz para xerminar, outras sementes son insensibles ou mesmo inhibidas pola luz. A maioría das ideas sobre o papel da luz durante xerminación de sementes derivan de estudos que utilizaron o organismo modelo Arabidopsis thaliana, onde se precisa luz para iniciar a xerminación.
Pola contra, a luz é un forte inhibidor da xerminación noutras plantas, pero a base molecular deste efecto permaneceu en gran parte descoñecida. Un equipo de investigadores, dirixido pola doutora Zsuzsanna Mérai do Instituto Gregor Mendel (GMI), utilizou agora a planta Aethionema arabicum (Brassicaceae) para investigar o mecanismo molecular da inhibición da luz. semente xerminación.
Aethionema arabicum orixínase en hábitats abertos e secos onde a xerminación de sementes na superficie durante días brillantes, longos e calorosos reduciría as posibilidades de supervivencia das mudas. A inhibición lixeira da xerminación interprétase como un trazo para restrinxir a xerminación ás estacións máis frías ou ás sementes situadas baixo terra.
No seu estudo, Mérai e os seus colegas demostraron que os fitocromos, os receptores de luz para as lonxitudes de onda vermellas e vermellas afastadas, xogan un dobre papel na resposta á luz en Aethionema; poden estimular pero tamén inhibir a xerminación. Medindo o intensidade da luz e a duración a través dos fitocromos, as sementes adquiren información sobre a duración do día e, por iso, sobre a estación.
Unha variante chipriota axuda a comprender a inhibición da luz
Mérai e os seus colegas usan sementes dunha variante de Aethionema orixinaria de Chipre (CYP) que non xerminan ao exporse á luz branca. No seu hábitat natural, a variante CYP só xermina a principios da primavera cando os días son relativamente curtos e as temperaturas son frescas. Isto permite que a planta complete o seu ciclo de vida antes da estación seca do verán.
Mérai buscou investigar o mecanismo de inhibición da luz no Aethionema CYP creando unha colección de sementes mutaxenizadas que analizaron para detectar mutantes que puidesen xerminar tamén en luz branca, en contraste coa liña orixinal. Agora, os investigadores caracterizaron un mutante no nivel molecular.
Chamárono "koy-1", despois de Koyash, o deus do sol na mitoloxía turca. Demostraron que a súa mutación afectaba á HEME OXIGENASE 1, un xen clave necesario para a biosíntese dos cromóforos, as moléculas que detectan a luz dos fitocromos. Esta mutación limita a cantidade de proteína cromóforo e é responsable da alteración da resposta á luz de koy-1.
O dobre papel dos fitocromos permite a adaptación ambiental
O mutante koy-1 permitiu a Mérai e aos seus colegas descubrir máis detalles mecanicistas. "Ao variar a intensidade da luz, a lonxitude de onda e a duración, puidemos analizar patróns complexos de resposta á luz vinculados aos fitocromos en Aethionema", di Mérai. "A baixa cantidade residual de fitocromos funcionais en koy-1 permitiunos desvelar un sorprendente dobre papel. na xerminación das sementes de Aethionema”.
Os seus experimentos demostraron que a alta intensidade e duración da luz inhibían fortemente a xerminación, mentres que unha exposición curta favorecía a xerminación. Estas dúas respostas opostas á luz resultan de diferentes proporcións entre dúas hormonas clave: o ácido abscísico inhibidor da xerminación (ABA) fronte ao ácido xiberélico (GA) que induce a xerminación.
"Xa sabiamos que a exposición á luz en Arabidopsis resultou en niveis altos de GA e baixos niveis de ABA. Agora, tamén sabemos que Aethionema CYP responde de xeito similar baixo unha luz moi limitada. Non obstante, co aumento da irradiación, os niveis de hormonas van literalmente ao revés, o que resulta na inhibición da xerminación", di Mérai. "As respostas opostas á intensidade e á duración da luz teñen unha base xenética e son unha adaptación ao medio natural das plantas, o que permite que Aethionema CYP xermine a principios da primavera, pero non máis tarde".
Evolution funciona con módulos de recableado
Ao desvelar que os mesmos actores moleculares poderían mediar en efectos diametralmente opostos, o equipo documenta como a evolución puido "reconectar" os módulos existentes para responder adecuadamente aos requisitos ambientais. Con tales variacións combinatorias, documentadas en múltiples organismos, a evolución pode lograr cambios "rápidos" sen a necesidade de que novos xogadores evolucionen desde cero.
"Os nosos descubrimentos abren o camiño para unha mellor comprensión dos procesos moleculares na natureza e na biodiversidade estudando organismos non modelos e plantas non cultivadas. O coñecemento científico adquirido de Arabidopsis é esencial, pero non sempre representativo de todas as plantas. Aquí, demostramos que mesmo poderíamos descubrir mecanismos moleculares completamente opostos na natureza”, conclúe Mérai, cuxo traballo establece a Aethionema como un novo modelo para estudar os efectos da luz nas sementes. xerminación.