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Neurocientíficos identifican que plantas y animales poseen el mismo neurotransmisor que detecta el daño en el organismo

por 14 mayo, 2019

Neurocientíficos identifican que plantas y animales poseen el mismo neurotransmisor que detecta el daño en el organismo
Un equipo de investigadores de Estados Unidos y Japón, liderado por Masatsugu Toyota, publicó un estudio en el que analizó el mecanismo mediante el cual las plantas detectan el daño en sus hojas y responden a él, un proceso que resultó ser similar al del sistema nervioso animal. Este artículo es el resultado del Convenio con el Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso.
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Una de las grandes ventajas que poseemos los animales para mejorar nuestras posibilidades de sobrevivir es la existencia de un sistema nervioso, ya que este nos dota de una forma de detectar estímulos del ambiente y de nuestro propio organismo y responder a ellos con gran velocidad, mediante el uso de señales eléctricas transmitidas a través de las neuronas.

Uno de dichos estímulos, que resulta fundamental para nuestra sobrevida, es la capacidad de detectar daño a nuestro propio cuerpo. Por ejemplo, si sin darnos cuenta apoyamos una mano contra una superficie caliente, como una olla de la cocina, en fracciones de segundo las neuronas de nuestra piel detectarán el cambio de temperatura, enviarán la señal a nuestro cerebro y, sin siquiera tener que pensarlo, alejaremos la mano para evitar quemarnos.

Un equipo de investigadores de Estados Unidos y Japón, liderado por Masatsugu Toyota, publicó un estudio en el que analizó el mecanismo mediante el cual las plantas detectan el daño en sus hojas y responden a él, un proceso que resultó ser sorprendentemente similar al del sistema nervioso animal.

La importancia de tener esta capacidad se hace evidente en el caso de las personas que carecen de ella. En la insensibilidad congénita al dolor, una enfermedad poco común en que se nace sin la capacidad de sentir dolor, la persona sufre heridas de diversa severidad sin que sea consciente de ello, incluyendo cortes, úlceras y fracturas, las que además se pueden asociar a la automutilación, en que la persona se hiere a sí misma sin darse cuenta, por ejemplo, mordiéndose la lengua. Todo esto lleva a que la mayoría de quienes padecen de dicha enfermedad no viva más allá de los 25 años.

¿Pero qué pasa en el caso de las plantas? Las plantas al igual que nosotros son seres vivos, por lo que tener herramientas que les permitan evitar el daño a su organismo también es de vital importancia, pero sabemos que las plantas no tienen un sistema nervioso y, por lo tanto, no son capaces de realizar este tipo de respuestas rápidas. Si cortamos la hoja de una planta, esta claramente no hace nada o, al menos, eso es lo que parece…

Un equipo de investigadores de Estados Unidos y Japón, liderado por Masatsugu Toyota, publicó un estudio en el que analizó el mecanismo mediante el cual las plantas detectan el daño en sus hojas y responden a él, un proceso que resultó ser sorprendentemente similar al del sistema nervioso animal.

Señales químicas y eléctricas

Aunque puede que no sea de conocimiento común, las plantas sí son capaces de detectar daño y de responder a él cuando son atacadas por depredadores, pero a través del uso de señales químicas.

Una sustancia que es conocida por señalizar estrés en las plantas es el ácido jasmónico –llamado así por haber sido descubierto por primera vez en el aceite del jazmín–, el cual se secreta hacia la savia y viaja a través de la vasculatura (que son tubos dentro de las plantas similares a nuestras venas) después de que la planta recibe daño en sus hojas.

Este ácido sería un análogo a las hormonas en los animales, que son sustancias que se liberan a la sangre para enviar información a sitios lejanos del organismo. La liberación de esta hormona vegetal o fitohormona posterior al daño en una hoja específica es capaz de producir respuestas en el resto de las hojas, entre las que se encuentran la acumulación de sustancias tóxicas, la producción de repelentes químicos contra depredadores o que les impiden digerir las hojas.

De todos modos, este sigue siendo un proceso lento, que puede tardar varias horas en transmitir la información necesaria, incluso a las hojas más cercanas.

Pero existe además un componente mucho más rápido que el hormonal en la respuesta de las plantas al daño, el cual se transmite a través de señales eléctricas. Y fue específicamente entender el mecanismo mediante el cual trabaja este componente rápido, el objetivo de los autores del estudio.

Calcio y glutamato

Basándose en estudios previos, los dos mecanismos en los que se centraron los investigadores fue la variación del calcio dentro de las células y la producción de glutamato. Es aquí donde se comienza a observar las similitudes con el sistema nervioso animal: la entrada de calcio a las neuronas es capaz de transmitir información mediante el cambio de la carga eléctrica de la célula y además de inducir la liberación de sustancias químicas capaces de entregar información a otras neuronas, los neurotransmisores.

Entre estos mismos neurotransmisores se encuentra el glutamato, el cual en el cerebro humano tiene el trabajo de aumentar la actividad de las neuronas, y su disfunción se asocia además a enfermedades como la esquizofrenia y la depresión.

Para analizar el rol de estos mecanismos en la transmisión rápida de información en las plantas, los investigadores utilizaron a Arabidopsis thaliana, una especie de planta con múltiples características que la hacen ideal para los estudios científicos. Lo más especial de esta planta se relaciona con su genética, ya que se conoce el código de su genoma en su totalidad y además es posible realizar manipulación genética y producir mutantes en condiciones de laboratorio, debido a que se trata de una planta diploide, es decir, tiene un par de cada cromosoma (tener más cromosomas dificulta que las mutaciones sean efectivas).

La técnica utilizada fue la de medición de calcio y glutamato, en la cual se genera una planta mutante que lleva en su ADN la información necesaria para producir una sustancia fluorescente al interior de sus células, que brilla cuando entra en contacto con calcio o glutamato, indicando además la cantidad de dichas sustancias, dependiendo de cuánto brilla.

Esta técnica permite también estudiar tipos de células específicos, dependiendo de a qué genes se asocie la información de esta sustancia fluorescente. De esta forma, al observar con una iluminación especial, es posible ver en tiempo real y en una planta viva cómo cambian los niveles de calcio y glutamato en sus células.

Soluciones comunes para distintos organismos

El primer experimento consistió en observar qué pasaba con los niveles de calcio frente al daño en una hoja. Para comenzar, se le permitió a una oruga alimentarse de la planta, y se observó que en cosa de segundos los niveles de calcio en el sitio en que la oruga estaba comiendo aumentaban, y que este aumento de calcio viajaba hacia las demás hojas en los siguientes 1 a 2 minutos a través de la vasculatura de la planta. El mismo fenómeno se observó cuando la hoja era cortada con una tijera, indicando que la señal no provenía de la oruga.

Además, se observó que esta señal, al llegar a otra hoja, salía de la vasculatura e invadía a la hoja por completo, induciendo en esa hoja el aumento de los niveles de ácido jasmónico.

Luego los investigadores midieron los cambios en los niveles de glutamato, observando un patrón similar al del calcio, con un aumento local inicial, una propagación al resto de las hojas y una invasión de la hoja objetivo. Para comprobar la interdependencia de ambos procesos, los investigadores generaron plantas mutantes que carecían de los receptores para glutamato, lo que las hacía incapaces de responder a este, y observaron que ambas respuestas, la de calcio y la de glutamato, desaparecían. Finalmente, aplicar glutamato directamente a la hoja producía una respuesta igual al daño por la oruga y al generado por tijeras.

En resumen, los investigadores demostraron que una sustancia que se utiliza en la transmisión neural dentro de nuestros cerebros, el glutamato, tiene un rol en las hojas de las plantas como una señal de daño, y que gatilla una respuesta eléctrica rápida dependiente de calcio que se propaga a toda la planta en cuestión de minutos, produciendo que las demás hojas activen mecanismos de defensa.

Este sistema provee a las plantas de una forma mucho más rápida que la hormonal de llevar señales de daño al resto de su organismo, al utilizar a las células de la vasculatura de la planta como una vía de transmisión para una señal eléctrica, y además nos muestra cómo la evolución puede llevar a la producción de soluciones similares en distintos organismos para un problema común, utilizando estructuras y sustancias que ya están disponibles.

Estudios como este nos ayudan a darnos cuenta de que las plantas son organismos mucho más dinámicos de lo que podemos imaginar a simple vista, y que a pesar de lo distintas a nosotros que puedan ser, en el fondo podemos tener más cosas en común de las que imaginamos.

Vínculo al artículo original: http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1112.

Título: Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling.

Texto del convenio con el Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso (CINV)

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