Un reducido grupo de proteínas clave interactúa entre sí para establecer la forma en que las plantas muestran sensibilidadante el mundo que las rodea, según el primer mapa que las describe.
Las plantas carecen de ojos y oídos, pero aún así pueden ver, oír, oler y responder a las señales y peligros ambientales, especialmente a los patógenos virulentos. Lo hacen con la ayuda de cientos de proteínas de membrana que pueden detectar microbios u otras tensiones.
Solo una pequeña porción de estas proteínas sensibles se ha estudiado a través de la genética clásica, y el conocimiento sobre cómo funcionan estos sensores formando complejos entre sí es escaso. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha creado el primer mapa de red para 200 de estas proteínas. El mapa muestra cómo unas pocas proteínas clave actúan como nodos maestros críticos para la integridad de la red, y el mapa también revela interacciones desconocidas.
"Este es un trabajo pionero para identificar la primera capa de interacciones entre estas proteínas", dijo en un comunicado Shahid Mukhtar, profesor asistente de biología en la Universidad de Alabama en Birmingham (UAB), participante en el estudio. "La comprensión de estas interacciones podría conducir a formas de aumentar la resistencia de una planta a patógenos u otras tensiones como el calor, la sequía, la salinidad o el shock frío. Esto también puede proporcionar una hoja de ruta para estudios futuros de científicos de todo el mundo".
El equipo internacional, con sede en Europa, Canadá y los Estados Unidos, fue dirigido por Youssef Belkhadir, del Instituto Gregor Mendel de Biología Vegetal Molecular, en Viena. El estudio ha sido publicado en la revista Nature.
El nuevo mapa de red de interacción integral se centró en una de las clases más importantes de estas proteínas de detección: las quinasas receptoras repetitivas ricas en leucina, o las quinasas receptoras de LRR, que son estructuralmente similares a los receptores tipo-toll humanos, que forman parte del sistema inmunitario.
Las quinasas receptoras de LRR son una familia de proteínas en plantas y animales que son en gran parte responsables de detectar el medio ambiente. En las plantas, tienen un dominio extracelular de la proteína, que se extiende más allá de la membrana celular, que puede reconocer señales químicas, como las hormonas de crecimiento o porciones de proteínas de los patógenos. Las quinasas receptoras luego inician respuestas a estas señales dentro de la célula, usando un dominio intracelular de la proteína.
La planta modelo Arabidopsis thaliana contiene más de 600 quinasas receptoras diferentes, 50 veces más que los humanos, que son fundamentales para el crecimiento, el desarrollo, la inmunidad y la respuesta al estrés de las plantas. Hasta ahora, solo un puñado tenía funciones conocidas, y se sabía poco sobre cómo los receptores podrían interactuar con cada uno para coordinar las respuestas a señales a menudo conflictivas.
Para el estudio de Nature, el laboratorio de Belkhadir probó las interacciones entre los dominios extracelulares de los receptores de forma pareja, trabajando con más de 400 dominios extracelulares de las quinasas receptoras de LRR y realizando 40.000 pruebas de interacción.
Las interacciones positivas se utilizaron para producir un mapa de interacción que muestra cómo esas quinasas receptoras interactúan entre sí, en un total de 567 interacciones de alta confianza.
Los laboratorios de David Guttman y Darrell Desveaux, de la Universidad de Toronto, Canadá, analizaron el mapa de interacción del receptor utilizando algoritmos para generar diversas hipótesis, y esas predicciones fueron validadas en los laboratorios de Belkhadir y Cyril Zipfel, de The Sainsbury Laboratory, Norwich, Reino Unido.
En la UAB, Mukhtar y Howton probaron 372 dominios intracelulares de las quinasas del receptor LRR cuyos dominios extracelulares habían mostrado interacciones de alta confianza, para ver si los dominios intracelulares también mostraban interacciones fuertes. Más de la mitad lo hizo, lo que sugiere que la formación de estos complejos de receptores es necesaria para la percepción de la señal y la transducción de la señal aguas abajo. Esto también indica una validación de la importancia biológica de las interacciones del dominio extracelular.
El laboratorio de Mukhtar en la UAB ha clonado casi todos los dominios intracelulares de las quinasas receptoras de LRR de Arabidopsis. "Esto es parte de un esfuerzo para comprender cómo las plantas reaccionan a los patógenos o cómo los patógenos secuestran el sistema inmunológico, un área que nos interesa", dijo Mukhtar.
El estudio de Nature incluyó dos grandes sorpresas, dice Adam Mott, Universidad de Toronto. Las quinasas receptoras de LRR que tienen dominios extracelulares pequeños interactuaron con otras quinasas receptoras de LRR con más frecuencia que aquellas que tienen dominios grandes. Esto sugiere que las pequeñas quinasas receptoras evolucionaron para coordinar las acciones de los otros receptores. En segundo lugar, los investigadores identificaron varias quinasas de receptores LRR desconocidos que parecen fundamentales para la integridad de la red.
Se pronostica que el más importante, denominado APEX, provocará graves interrupciones en el resto de la red si se elimina. Los investigadores encontraron que la eliminación de APEX, y de otras quinasas conocidas de receptores LRR, de hecho perjudicaba el desarrollo de la planta y la respuesta inmune, incluso aunque esas respuestas están controladas por receptores quinasas a varios pasos de la red del nodo APEX.
Esta nueva comprensión de cómo interactúan los receptores quinasas puede ayudar a los investigadores a identificar receptores quinasas importantes que puede modificar las respuestas al estrés en los cultivos comerciales para hacerlos resistentes al estrés ambiental, como el calentamiento global y los patógenos.
mdgm