Marcos Egea: «Todo ocurre porque dos moléculas se reconocen, o dejan de hacerlo»

El ser humano tiene su 'reloj biológico' instalado en el cerebro, en concreto, tanto los humanos como mamíferos lo tenemos localizado en el núcleo supraquiasmático, ubicado en el hipotálamo. Su funcionamiento se puede asemejar al de un metrónomo ya que se ocupa de sincronizar los diversos ritmos periféricos con los estímulos externos que le informan sobre los cambios de luz y temperatura generados por la rotación de la tierra. A grandes rasgos, diríamos que marca el ritmo del cuerpo. En las plantas, y por lo que se sabe hasta la fecha, los genes del reloj se expresan en todos los tejidos: hojas, flores, semillas en desarrollo y raíces. Marcos Egea, catedrático de Genética Vegetal de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), nos aclara algunos conceptos.

–En concreto, ¿qué función cumple el 'reloj biológico' en las plantas?

–Las plantas terrestres son organismos sésiles y necesitan adaptarse continuamente a los cambios ambientales y de alguna manera «predecir» lo que se espera. Así hay varios procesos claves en las plantas directamente regulados por el reloj. Los dos primeros son la división y expansión celular, es decir, el crecimiento. Una expresión popular «creces de noche como los pepinos», demuestra que esa temporalidad del crecimiento se ha observado por agricultores atentos, y está gestionada por el reloj. A continuación, tenemos procesos relacionados con la luz y el día/noche que incluyen la captación de luz por la clorofila, y la apertura y cierre de estomas para captar CO2 y evitar la pérdida de agua. Así, las plantas todas las noches reparan los sistemas de captación energética de cara al día siguiente. En términos coloquiales, revisan los paneles solares y reponen lo que está mal.

Por último, tenemos procesos más específicos como son la floración, la gestión energética a través de la síntesis y degradación de almidón en las hojas o los volátiles que la planta produce y emite y que dependen de si tienen polinizadores o plagas diurnas o nocturnas.

–¿Al igual que en el caso de las personas, se rigen por los ciclos de luz oscuridad?

–Si para los animales la luz es importante, en el caso de las plantas es vital, ya que tiene dos funciones, una de aporte energético, y la segunda como señal. Las plantas utilizan fotoreceptores en diferentes longitudes de onda que transmiten a la planta la hora del día con bastante precisión. Entre ellos tenemos receptores de luz azul, roja/infrarroja y ultravioleta. Por la noche, una planta no ve luz roja, ni azul ni ultravioleta, pero algo de infrarrojo hay. El amanecer determina la aparición de luz roja y azul, y el ultravioleta va aumentando a lo largo del día. De esta manera se ha podido demostrar que las plantas determinan los tiempos con precisiones de aproximadamente 30 minutos.

–¿La temperatura, la humedad, u otros factores juegan un papel a este respecto?

–Junto con la luz, las plantas tienen termoreceptores que son moléculas cuya conformación cambia en respuesta a temperatura. Pensemos que no existe el vudú o magia negra. En la vida todo ocurre porque dos moléculas se reconocen, o dejan de hacerlo y eso provoca una reacción o hace que cese. Como se dice hoy en día, «el roce hace el cariño». Los termoreceptores en plantas son muy importantes porque al ser organismos que no controlan su temperatura interna, están expuestos a que todos los procesos sigan el capricho de los días cálidos o fríos. Aquí el reloj juega su papel de compensación para mantener una homeostasis interna.

–¿Qué ocurre cuando las plantas sufren alguna alteración en todo eso?

–Las alteraciones en genes del reloj o en los sistemas de transmisión de señales al mismo, dan como resultado cambios en muchos procesos de la planta. El reloj de las plantas es mucho más complejo que el humano y tiene más de 15 genes que forman el reloj. Dependiendo del gen mutado, los efectos pueden ser desde una floración tardía a una disminución de crecimiento. Al final estos dos procesos son los que nos dan de comer. La productividad en tiempo es la base de todos los cultivos

–¿Qué pasa entonces con los efectos del cambio climático? Las plantas no pueden migrar.

–Lo que se sabe de esto es interesante. Así existen zonas climáticas muy diversas en el planeta, y lo que se ha podido demostrar en plantas que viven en zonas muy diferentes es que esto se debe a cambios en el reloj. Así, la soja crece desde India hasta el norte de China, Corea y Japón que son diferencias tan grandes como Murcia y Suecia. Los cambios se deben a mutaciones en los genes de GIGANTEA de soja. En el caso de tomate, el tomate cultivado tiene un reloj que casi no funciona comparado con el silvestre, adaptado a la zona de los Andes. Así son genes candidatos para su mejora. Cabe destacar que resultados pioneros de nuestro laboratorio demostraron que el metabolismo fotosintético de los cactus, adaptados a calores extremos, parece que se debe a cambios en el reloj.

–En resumen, podríamos decir que, a las plantas, como a las personas, las rutinas les benefician.

–No exactamente, sí que es importante ir en consonancia con el medio ambiente, y este cambia. Por ejemplo, en Murcia, cada día, cambia en longitud en aproximadamente tres minutos y las plantas van ajustándose cada día ese pequeño diferencial de horas de luz.

–¿Qué papel juega la cronobiología en sectores como la agricultura, por ejemplo?

–De momento es un nicho de investigación básica y a los agricultores lo que les llega son semillas mejoradas, y adaptadas localmente. Esta adaptación local, aunque no se haga de forma dirigida, lo que busca es un reloj que funciona aquí. Y que, por ejemplo, no hace que un apio florezca a la semana sin producir.

–¿Conocer más en profundidad los ritmos biológicos de las plantas, puede tener ventajas también para nosotros?

–Yo soy un ardiente defensor de la ciencia abierta. Creo que hace cinco años si hubiese dicho que trabajaba en virus de murciélagos, o incluso en poblaciones de algas marinas unicelulares me habrían tomado por el «típico académico que vive en su torre de marfil». El crear conocimiento es fundamental, porque no sabemos cuándo nos va a hacer falta qué conocimiento. En eso creo que hace falta educar a la sociedad. El reloj parece jugar un papel fundamental en adaptación al clima en las plantas. Y eso no creo que sea una ventaja sino, más bien una acuciante necesidad.

–Curiosamente, la primera vez que se describieron los ciclos biológicos de un organismo vivo fue en una planta, la mimosa. Y de ahí a las personas y los animales.

–Si, efectivamente, Jean Jacques d'Ortous de Mairan, un astrónomo, fue el primero en describir un movimiento circadiano en mimosa en 1729, y se le considera el fundador de la cronobiología. Su experimento consistió en introducir las plantas en un armario y observó que, en ausencia de luz, la apertura y cierre de hojas se mantenía, y que por lo tanto existía un reloj endógeno. Muchos investigadores siguieron este hilo conductor, destacando Darwin, en su libro 'El poder del movimiento de las plantas', publicado en 1898. Los primeros trabajos, sobre el reloj humano y el sueño son de 1917. A partir de los años 50 la cronobiología se dispara sobre todo definiendo conceptos y métodos de trabajo que fueron los que dieron fruto posteriormente al identificar mutantes de Drosophila en el reloj. Julius Axelrod, premio Nobel en 1970, descubrió parte de la bioquímica del sueño, concretamente la síntesis de melatonina. Pero fueron Hall, Rosbach y Young los que recibieron el premio Nobel de Medicina de 2017 por determinar la estructura molecular del reloj en Drosophila, que está muy conservada en otros animales, como nosotros. Tenemos genes ortólogos en insectos y mamíferos haciendo la función circadiana como TIMELESS en Drosophila y CRYPTOCHROME-1 en mamíferos. En otros sistemas como hongos o cianobacterias, el reloj se ha estudiado mucho también, pues por ejemplo los ciclos de crecimiento de algas y cianobacterias tienen una regulación circadiana, tan importante en ecosistemas marinos.

Este conocimiento básico permite en algunos casos desarrollar tecnología o productos como la melatonina en farmacias, o mejoras genéticas dirigidas a respuestas a cambio climático. El medio ambiente y su estudio básico es fundamental para que evolucione y en determinados casos preservarlo de agresiones ambientales o antrópicas.