La expresión rítmica de genes en plantas es fundamental para la simbiosis con bacterias que proporcionan nutrientes, según un estudio

Las legumbres crecen en ambientes bajos en nitrógeno asociándose con rizobios, bacterias del suelo que convierten el nitrógeno atmosférico en amonio, una forma utilizable por las plantas. Estas bacterias beneficiosas se encuentran en los nódulos radiculares que se forman en las raíces de las legumbres.

Sin embargo, la formación incontrolada de numerosos nódulos radiculares puede dificultar el funcionamiento de la raíz. Para evitar esto, las legumbres necesitan regular la distribución y el número de nódulos radiculares, pero los mecanismos exactos no estaban claros hasta ahora.

Investigaciones recientes en la leguminosa Lotus japonicus han revelado que la interacción entre las raíces de las leguminosas y los rizobios se caracteriza por una expresión genética cíclica con un ritmo de seis horas. Esta expresión genética rítmica influye en la distribución de las regiones de las raíces y los nódulos susceptibles a la infección por rizobios.

También se descubrió que la hormona vegetal citoquinina es fundamental para mantener este ritmo de expresión genética. Este estudio ha sido publicado cienciaEs un esfuerzo de colaboración del Instituto Nacional de Biología Básica, el Instituto Nara de Ciencia y Tecnología, la Universidad de Hokkaido, la Universidad Kwansei Gakuin, Riken y la Universidad de Educación de Aichi.

Cuando los rizobios infectan las raíces de las leguminosas, las células epidérmicas de las raíces forman hilos de infección, estructuras membranosas en forma de tubos que guían a las bacterias hacia el tejido interno de la raíz, donde pueden fijar nitrógeno. La infección por rizobios ocurre principalmente en una región estrecha de la raíz detrás de la punta de la raíz, conocida como zona susceptible. La producción continua de células en la punta de la raíz crea continuamente nuevas áreas susceptibles.

Lo ideal es que los hilos infectados se distribuyan uniformemente a lo largo de la raíz. Sin embargo, un examen más detenido revela un patrón de hilos de infección densamente formados que se alternan con áreas escasas, lo que sugiere respuestas intermitentes en lugar de continuas a los rizobios. Faltan estudios detallados sobre la respuesta funcional de las raíces a los rizobios a lo largo del tiempo.

Utilizando imágenes en vivo de luminiscencia con luciferasa como reportero, el equipo de investigación observó que el gen NSP1, que se induce rápidamente en respuesta a los rizobios y es esencial para el proceso de infección, exhibe patrones oscilatorios en intervalos de aproximadamente seis horas en la región. A medida que la raíz creció, aparecieron nuevos sitios de expresión apicales a las regiones oscilatorias anteriores.

«Observamos que estas regiones oscilantes coinciden con regiones donde los hilos de infección están densamente formados, lo que sugiere que esta expresión genética rítmica puede estar relacionada con la determinación de los sitios de formación de nódulos», dijo el Dr. Dijo Takashi Soyano. Para Biología Básica, Miembro del Equipo de Investigación.

De acuerdo con esta hipótesis, se formó una gran población de nódulos radiculares en la región oscilante, lo que sugiere un vínculo entre la expresión genética rítmica y la formación de nódulos. Otros genes necesarios para las respuestas tempranas durante la simbiosis de los nódulos exhibieron patrones de expresión oscilatoria, lo que marca la primera evidencia de expresión genética cíclica en respuesta a los rizobios.

La citoquinina, un regulador clave en la simbiosis de los nódulos radiculares, mantiene esta expresión génica oscilatoria. Los genes relacionados con la biosíntesis, el metabolismo y la señalización de citoquininas exhiben una expresión oscilante después de la inoculación de rizobios. Las imágenes de luminiscencia utilizando el marcador de respuesta de citoquinina TCSn revelaron respuestas de citoquinina oscilatorias, coincidiendo con el momento de las fluctuaciones en el contenido de citoquinina activa.

El estudio utilizó mutantes del receptor de citoquinina LHK1 para explorar el papel de la citoquinina en el ciclo de expresión génica. En mutantes que carecen de LHK1 funcional, los intervalos oscilantes de la expresión periódica de NSP1 se prolongan, extendiendo la región basal sobre la cual oscila la expresión de NSP1.

Por el contrario, en plantas transformadas con una forma activa de LHK1, se suprimió la inducción de la expresión de NSP1, provocando su pérdida de periodicidad. La región de oscilación de NSP1 coincidió con la región que forma densos hilos de infección. Los mutantes con pérdida de función de lhk1 exhibieron segmentos de raíz agrandados que formaban hilos de infección más densos, mientras que el LHK1 activo redujo la densidad de los hilos de infección.

Estos hallazgos subrayan la importancia de una respuesta adecuada de citoquininas para mantener la oscilación simbiótica y garantizar una entrega óptima del hilo de infección.

Los simbiontes de nódulos de raíz ocurren en un clado monofilético fijador de nitrógeno que incluye cuatro órdenes, Fables, Rosales, Cucurbitales y Fagales, lo que sugiere una adquisición evolutiva compartida para interactuar con las bacterias fijadoras de nitrógeno. Entre ellas, la mayoría de las especies involucradas en la simbiosis de nódulos de raíces en el orden Fables, la familia de las leguminosas, incorporaron de manera única la vía de las citoquininas como un módulo regulador clave para la simbiosis.

«El descubrimiento de las respuestas cíclicas de las citoquininas fue inesperado y planteó una serie de preguntas, incluidos los mecanismos moleculares que establecen esta ciclicidad y cómo estas respuestas cíclicas dan forma a las áreas de infección», dijo el Dr. Dijo Soyano.

Se espera que abordar estas preguntas profundice la comprensión de los mecanismos reguladores de la simbiosis de los nódulos radiculares y avance en la investigación sobre la regulación espacial del crecimiento de los órganos a través de respuestas cíclicas mediadas por hormonas vegetales.