Cuando las plantas también sufren estrés
Diálogo con Norberto IUSEM, Doctor en Química, Investigador del CONICET, Profesor de la FCEN.
Diálogo con Norberto IUSEM, Doctor en Química, Investigador del CONICET, Profesor de la FCEN.
El estrés no solamente está reservado a los humanos, ni es solamente un fenómeno de nuestra sociedad híper... “hiperalgo”. Las plantas también pueden padecerlo, y para defenderse de él ponen en juego mecanismos complejos y maravillosos que aún no se conocen del todo.
– Usted es director de un grupo de investigación... ¿por qué no me cuenta qué es lo que hace allí?
– Cómo no. Investigamos el estrés que sufren las plantas bajo ciertas condiciones adversas. Eso se enmarca en el campo de la genética molecular y la biología molecular vegetal.
– ¿Qué diferencia hay entre genética molecular y biología molecular?
– Muy poca, en realidad. La biología es más amplia; se ocupa de todas las moléculas que intervienen en procesos celulares. La genética se enfoca más en los genes, en la expresión de esos genes y de la herencia de atributos, de fenotipos... Digamos que la genética molecular es un subcampo de la biología molecular.
– Cuénteme cómo hacen para dilucidar el estrés en las plantas.
– Estudiamos los genes que intervienen en las respuestas y montan las plantas frente a condiciones adversas. A estas condiciones adversas las llamamos estrés, y hay de distintos tipos.
– ¿Por qué se la llama estrés?
– Porque la planta siente una intervención desfavorable desde el exterior y se ve obligada a reaccionar.
– ¿Por ejemplo?
– Ataques patógenos, temperaturas muy elevadas o muy bajas o falta de agua. Ese último es el que yo estudio más exhaustivamente. Ese es el estrés fundamental en climas secos, áridos..., ni qué hablar en desiertos. Las plantas sufren ese déficit de agua, pero algunas especies se adaptaron en la evolución y lograron sobrevivir a lo largo de millones de años.
– Hay un cuento de Macedonio en que él torturaba a un trébol no regándolo y provocándole estrés.
– No leí el cuento, pero seguramente Macedonio se encontró con un trébol al que le pasaban todas las cosas que nosotros encontramos. Me gustaría aclarar que hay otros organismos que pueden resistir la sequedad: bacterias, gusanos, algunos invertebrados. Se les llaman anhidrobióticos y pueden sobrevivir con un orden del 5 por ciento de agua en su cuerpo (lo cual es rarísimo, teniendo en cuenta que una célula nuestra tiene 80 por ciento de agua). Van Leewenhoek, el gran microscopista, fue el primero que encontró organismos de este tipo y, mucho antes que Pasteur, desconfió de la generación espontánea.
– Cuénteme entonces cómo reaccionan las plantas ante la escasez de agua.
– Bueno, lo que nosotros vemos es una porción de todo el escenario. Se sabe que las plantas reaccionan a través de la raíz, que es el órgano que primero censa la escasez de agua. La falta de turgencia que presentan las plantas ante esa escasez (debilitamiento de la célula por pérdida de volumen) gatilla señales, que son en general moléculas pequeñas que viajan desde el tallo hasta las hojas. Las hojas, por su parte, responden cerrando los estomas (estructuras celulares con forma de poro): son dos células que dejan un poro por el que entra dióxido de carbono y sale agua. Las plantas, entonces, cierran esos estomas, minimizando la transpiración. Para que ocurra todo eso, tienen que encenderse programas genéticos, es decir, determinados genes tienen que expresarse, o sea, comenzar a producir enzimas. Esas enzimas conducen a la fabricación de moléculas que protegen a la célula contra el estrés por falta de agua: son azúcares, sacarosa y proteínas. Yo estudio esas proteínas.
– Y los genes... ¿cómo saben que tienen que expresarse?
– Bueno, eso es lo más oscuro de todo el escenario. Las moléculas sensoras primarias no se conocen. Se supone que son proteínas que ante la falta de agua en el citoplasma de la célula, cambian su forma, y ese cambio de forma desataría la expresión de los genes que yo estoy viendo.
– ¿Ocurre en toda la planta?
– Se supone que los genes del sensado primario se gatillan en la raíz. De todas las señales que van apareciendo durante el estrés se sabe más de lo que ocurre hacia el final de la respuesta; del sensado primario no se sabe prácticamente nada. Esto es válido para todos los tipos de estrés.
– Repasemos: tenemos moléculas que sensan la falta de agua, que por un mecanismo que no se conoce bien, encienden en la raíz un programa genético que genera proteínas que hace que se cierren los estomas.
– Sí. Pasan muchas cosas en el medio. Aumentan los niveles de algunas hormonas, hay flujos de iones (potasio, por ejemplo)... Cada grupo de investigación se focaliza en alguna de esas cosas. Yo me focalizo en unas proteínas que cambian la conformación ante situaciones de baja cantidad de agua y que están en el citoplasma de la célula vegetal.
– ¿En qué parte?
– A ver... Estos genes están agrupados en familias; es decir, los genes son similares y las proteínas codificadas por ellos también. Por ejemplo, la familia que estudio yo, en tomate, hay cuatro miembros de la familia. Uno está en raíz, otro está en hoja..., es bastante complejo. Las hay en semilla, en polen..., son bastante ubicuas.
– Y cierran los estomas.
– Indirectamente, cierran los estomas. Pero el cierre de los estomas no es lo único que hacen las plantas para defenderse de la sequedad. Con el tiempo, las plantas acostumbradas a climas secos desarrollan raíces más voluminosas, para poder captar toda el agua que se pueda. Las proteínas que estudiamos nosotros, que se llaman ASR, casualmente también aparecen en los fenómenos de maduración de los frutos.
– ¿Saben por qué?
– No lo sabemos. Pero es así como las encontré yo, primero en el fruto. Estas proteínas, en el citoplasma de las células, parecieran actuar como chaperonas, es decir ayudando a otras proteínas a plegarse mejor. Pero ellas mismas se pliegan mejor frente a la desecación. Es un mecanismo intrincado y maravilloso.
– Cuénteme cómo es el trabajo en el laboratorio.
– Bueno, son experimentos largos, que hay que planificarlos bien. Algunos tienen que ver con la medición de la expresión de los genes (la fabricación de ARN mensajero) y usamos tecnologías que nacieron hace unos 25 años. Antes era muy difícil estudiar los genes. A partir de la década del 70 surgieron técnicas que permitieron aislar genes y mantenerlos en tubos de ensayo, y mediante esas tecnologías pudimos ver cómo ciertas proteínas se acumulan en la célula cuando la planta sufre carencia de agua. Hay otros experimentos que son más fáciles de comprender, porque consisten en la visualización de la proteína usando un microscopio potente. Eso es gratificante: ver a la proteína que uno está estudiando, aunque se haga indirectamente (ya que se utiliza una sonda fluorescente). Pero hay microscopías más avanzadas, como la microscopía de fuerza atómica, que permite visualizar moléculas únicas.
– Microscopía de fuerza atómica... suena lindo.
– La de fuerza atómica, que hemos usado nosotros, hace un barrido del relieve. La solución de proteína se deposita en un soporte inerte y después hay como un bastoncito que va tanteando el terreno, y si hay una irregularidad la va siguiendo y la va tanteando.
– ¿Y por qué se llama de fuerza atómica?
– Mmmmmm.... No me acuerdo ahora.... La investigadora que está a cargo de estos microscopios siempre da el ejemplo de un ciego que con su bastoncito va haciendo un relevamiento del terreno. La resolución que uno obtiene es increíble.
– ¿Cómo se enciende un gen?
– Cuando nosotros lo explicamos a los alumnos de primer año, nos cuesta . Hay señales que la célula percibe, y esas señales hacen que se prendan los genes. El gen es ADN y, en células eucariotas, está cubierto por proteínas. Esa asociación se llama cromatina. Viene una señal, entonces, una proteína, que interactúa ya sea con el ADN directamente o con la cobertura o con otras proteínas (que se llaman “del aparato basal de transcripción”, porque promueven un nivel muy bajo de transcripción, que en general no alcanza). Hay otros factores, más específicos, que actúan de manera más eficiente. Las hormonas, entonces, interaccionan con estos factores de transcripción específicos.
– A ver...., me perdí.... Están esos factores de transcripción...
– En primer lugar, la cromatina se tiene que volver más laxa, para lo que actúan algunos factores de transcripción (por ejemplo, modificándola químicamente). La cobertura del ADN, de este modo, se aleja y deja más libre al ADN. Si la cromatina está compacta, no hay gen que se pueda transcribir. Todas estas modificaciones de la cromatina entran dentro de un campo nuevo de la biología: la epigenética, una disciplina que habla de modificaciones químicas en el ADN y en la cromatina que modulan el grado de expresión de los genes sin que cambie la secuencia del ADN. Hay cambios sutiles en el ADN que tienen un efecto dramático: pueden hacer que un gen no se exprese. Lo que es interesante es que esas modificaciones se pueden heredar. Y en plantas el grado de herencia es muy alto. Una hormona o una situación ambiental puede hacer variar la epigenética.
– Bueno.... Más o menos ya estamos... ¿Hay algo más que me quiera decir?
– Solamente una cosa, que no sé si habrá quedado clara: la investigación científica me apasiona porque persigue la verdad.
– ¿Persigue la verdad? ¿O persigue la construcción de un modelo que más o menos represente lo que la verdad podría ser?
– Bueno, digamos que los modelos ayudan a llegar a la verdad.
– Y para usted, como biólogo, ¿qué es la verdad?
– Saber cómo funcionan las células realmente.
El estrés no solamente está reservado a los humanos, ni es solamente un fenómeno de nuestra sociedad híper... “hiperalgo”. Las plantas también pueden padecerlo, y para defenderse de él ponen en juego mecanismos complejos y maravillosos que aún no se conocen del todo.
– Usted es director de un grupo de investigación... ¿por qué no me cuenta qué es lo que hace allí?
– Cómo no. Investigamos el estrés que sufren las plantas bajo ciertas condiciones adversas. Eso se enmarca en el campo de la genética molecular y la biología molecular vegetal.
– ¿Qué diferencia hay entre genética molecular y biología molecular?
– Muy poca, en realidad. La biología es más amplia; se ocupa de todas las moléculas que intervienen en procesos celulares. La genética se enfoca más en los genes, en la expresión de esos genes y de la herencia de atributos, de fenotipos... Digamos que la genética molecular es un subcampo de la biología molecular.
– Cuénteme cómo hacen para dilucidar el estrés en las plantas.
– Estudiamos los genes que intervienen en las respuestas y montan las plantas frente a condiciones adversas. A estas condiciones adversas las llamamos estrés, y hay de distintos tipos.
– ¿Por qué se la llama estrés?
– Porque la planta siente una intervención desfavorable desde el exterior y se ve obligada a reaccionar.
– ¿Por ejemplo?
– Ataques patógenos, temperaturas muy elevadas o muy bajas o falta de agua. Ese último es el que yo estudio más exhaustivamente. Ese es el estrés fundamental en climas secos, áridos..., ni qué hablar en desiertos. Las plantas sufren ese déficit de agua, pero algunas especies se adaptaron en la evolución y lograron sobrevivir a lo largo de millones de años.
– Hay un cuento de Macedonio en que él torturaba a un trébol no regándolo y provocándole estrés.
– No leí el cuento, pero seguramente Macedonio se encontró con un trébol al que le pasaban todas las cosas que nosotros encontramos. Me gustaría aclarar que hay otros organismos que pueden resistir la sequedad: bacterias, gusanos, algunos invertebrados. Se les llaman anhidrobióticos y pueden sobrevivir con un orden del 5 por ciento de agua en su cuerpo (lo cual es rarísimo, teniendo en cuenta que una célula nuestra tiene 80 por ciento de agua). Van Leewenhoek, el gran microscopista, fue el primero que encontró organismos de este tipo y, mucho antes que Pasteur, desconfió de la generación espontánea.
– Cuénteme entonces cómo reaccionan las plantas ante la escasez de agua.
– Bueno, lo que nosotros vemos es una porción de todo el escenario. Se sabe que las plantas reaccionan a través de la raíz, que es el órgano que primero censa la escasez de agua. La falta de turgencia que presentan las plantas ante esa escasez (debilitamiento de la célula por pérdida de volumen) gatilla señales, que son en general moléculas pequeñas que viajan desde el tallo hasta las hojas. Las hojas, por su parte, responden cerrando los estomas (estructuras celulares con forma de poro): son dos células que dejan un poro por el que entra dióxido de carbono y sale agua. Las plantas, entonces, cierran esos estomas, minimizando la transpiración. Para que ocurra todo eso, tienen que encenderse programas genéticos, es decir, determinados genes tienen que expresarse, o sea, comenzar a producir enzimas. Esas enzimas conducen a la fabricación de moléculas que protegen a la célula contra el estrés por falta de agua: son azúcares, sacarosa y proteínas. Yo estudio esas proteínas.
– Y los genes... ¿cómo saben que tienen que expresarse?
– Bueno, eso es lo más oscuro de todo el escenario. Las moléculas sensoras primarias no se conocen. Se supone que son proteínas que ante la falta de agua en el citoplasma de la célula, cambian su forma, y ese cambio de forma desataría la expresión de los genes que yo estoy viendo.
– ¿Ocurre en toda la planta?
– Se supone que los genes del sensado primario se gatillan en la raíz. De todas las señales que van apareciendo durante el estrés se sabe más de lo que ocurre hacia el final de la respuesta; del sensado primario no se sabe prácticamente nada. Esto es válido para todos los tipos de estrés.
– Repasemos: tenemos moléculas que sensan la falta de agua, que por un mecanismo que no se conoce bien, encienden en la raíz un programa genético que genera proteínas que hace que se cierren los estomas.
– Sí. Pasan muchas cosas en el medio. Aumentan los niveles de algunas hormonas, hay flujos de iones (potasio, por ejemplo)... Cada grupo de investigación se focaliza en alguna de esas cosas. Yo me focalizo en unas proteínas que cambian la conformación ante situaciones de baja cantidad de agua y que están en el citoplasma de la célula vegetal.
– ¿En qué parte?
– A ver... Estos genes están agrupados en familias; es decir, los genes son similares y las proteínas codificadas por ellos también. Por ejemplo, la familia que estudio yo, en tomate, hay cuatro miembros de la familia. Uno está en raíz, otro está en hoja..., es bastante complejo. Las hay en semilla, en polen..., son bastante ubicuas.
– Y cierran los estomas.
– Indirectamente, cierran los estomas. Pero el cierre de los estomas no es lo único que hacen las plantas para defenderse de la sequedad. Con el tiempo, las plantas acostumbradas a climas secos desarrollan raíces más voluminosas, para poder captar toda el agua que se pueda. Las proteínas que estudiamos nosotros, que se llaman ASR, casualmente también aparecen en los fenómenos de maduración de los frutos.
– ¿Saben por qué?
– No lo sabemos. Pero es así como las encontré yo, primero en el fruto. Estas proteínas, en el citoplasma de las células, parecieran actuar como chaperonas, es decir ayudando a otras proteínas a plegarse mejor. Pero ellas mismas se pliegan mejor frente a la desecación. Es un mecanismo intrincado y maravilloso.
– Cuénteme cómo es el trabajo en el laboratorio.
– Bueno, son experimentos largos, que hay que planificarlos bien. Algunos tienen que ver con la medición de la expresión de los genes (la fabricación de ARN mensajero) y usamos tecnologías que nacieron hace unos 25 años. Antes era muy difícil estudiar los genes. A partir de la década del 70 surgieron técnicas que permitieron aislar genes y mantenerlos en tubos de ensayo, y mediante esas tecnologías pudimos ver cómo ciertas proteínas se acumulan en la célula cuando la planta sufre carencia de agua. Hay otros experimentos que son más fáciles de comprender, porque consisten en la visualización de la proteína usando un microscopio potente. Eso es gratificante: ver a la proteína que uno está estudiando, aunque se haga indirectamente (ya que se utiliza una sonda fluorescente). Pero hay microscopías más avanzadas, como la microscopía de fuerza atómica, que permite visualizar moléculas únicas.
– Microscopía de fuerza atómica... suena lindo.
– La de fuerza atómica, que hemos usado nosotros, hace un barrido del relieve. La solución de proteína se deposita en un soporte inerte y después hay como un bastoncito que va tanteando el terreno, y si hay una irregularidad la va siguiendo y la va tanteando.
– ¿Y por qué se llama de fuerza atómica?
– Mmmmmm.... No me acuerdo ahora.... La investigadora que está a cargo de estos microscopios siempre da el ejemplo de un ciego que con su bastoncito va haciendo un relevamiento del terreno. La resolución que uno obtiene es increíble.
– ¿Cómo se enciende un gen?
– Cuando nosotros lo explicamos a los alumnos de primer año, nos cuesta . Hay señales que la célula percibe, y esas señales hacen que se prendan los genes. El gen es ADN y, en células eucariotas, está cubierto por proteínas. Esa asociación se llama cromatina. Viene una señal, entonces, una proteína, que interactúa ya sea con el ADN directamente o con la cobertura o con otras proteínas (que se llaman “del aparato basal de transcripción”, porque promueven un nivel muy bajo de transcripción, que en general no alcanza). Hay otros factores, más específicos, que actúan de manera más eficiente. Las hormonas, entonces, interaccionan con estos factores de transcripción específicos.
– A ver...., me perdí.... Están esos factores de transcripción...
– En primer lugar, la cromatina se tiene que volver más laxa, para lo que actúan algunos factores de transcripción (por ejemplo, modificándola químicamente). La cobertura del ADN, de este modo, se aleja y deja más libre al ADN. Si la cromatina está compacta, no hay gen que se pueda transcribir. Todas estas modificaciones de la cromatina entran dentro de un campo nuevo de la biología: la epigenética, una disciplina que habla de modificaciones químicas en el ADN y en la cromatina que modulan el grado de expresión de los genes sin que cambie la secuencia del ADN. Hay cambios sutiles en el ADN que tienen un efecto dramático: pueden hacer que un gen no se exprese. Lo que es interesante es que esas modificaciones se pueden heredar. Y en plantas el grado de herencia es muy alto. Una hormona o una situación ambiental puede hacer variar la epigenética.
– Bueno.... Más o menos ya estamos... ¿Hay algo más que me quiera decir?
– Solamente una cosa, que no sé si habrá quedado clara: la investigación científica me apasiona porque persigue la verdad.
– ¿Persigue la verdad? ¿O persigue la construcción de un modelo que más o menos represente lo que la verdad podría ser?
– Bueno, digamos que los modelos ayudan a llegar a la verdad.
– Y para usted, como biólogo, ¿qué es la verdad?
– Saber cómo funcionan las células realmente.
