Los cloroplastos son orgánulos presentes en las células vegetales que desempeñan un papel esencial ya que son los encargados de llevar a cabo la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas captan la energía solar y la convierten en energía química. Además de contener su propio ADN, estos orgánulos «también dependen del núcleo celular para producir muchas de las proteínas que necesitan para funcionar correctamente».

Durante el desarrollo de una plántula, especialmente cuando ve la luz por primera vez, los cloroplastos comienzan a diferenciarse y a activar el programa fotosintético. Este proceso requiere una coordinación muy precisa entre el cloroplasto y el núcleo, mediante señales llamadas anterógradas (del núcleo al cloroplasto) y retrógradas (del cloroplasto al núcleo). Esta comunicación bidireccional es esencial para asegurar que la planta desarrolle la capacidad fotosintética en el momento y lugar adecuados.

En un estudio reciente publicado en la prestigiosa revista Nature Communications, un equipo de investigación liderado por el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) junto con el Umeå Plant Science Centre (UPSC) de Suecia «ha descrito por primera vez cómo los cloroplastos pueden modificar la expresión del genoma nuclear mediante cambios epigenéticos, ofreciendo una nueva visión de las señales retrógradas».

El CRAG ha indicado en un comunicado que «hasta ahora, se sabía que los cloroplastos podían influir en la activación o inhibición de ciertos genes nucleares, pero no se había descrito que lo hicieran mediante cambios en la cromatina, la forma compactada del ADN dentro del núcleo». La cromatina está formada por el ADN enrollado alrededor de unas proteínas llamadas histonas. Estas últimass pueden sufrir modificaciones químicas —como metilación o acetilación— que alteran el grado de compactación del ADN y, por tanto, «determinan si un gen está activo o silenciado. Este tipo de regulación se conoce como epigenética».

Uno de los principales retos para estudiar el establecimiento de la fotosíntesis ha sido la rapidez con la que las plántulas activan este proceso al exponerse a la luz. Para superar esta limitación, el equipo investigador utilizó un cultivo de células en suspensión de la planta modelo Arabidopsis thaliana, que permite observar de forma más lenta, controlada y sincronizada el proceso conocido como ‘greening’ (enverdecimiento), que «representa la formación de cloroplastos funcionales y la activación de la fotosíntesis cuando las células pasan de la oscuridad a la luz».

Mediante técnicas de alto rendimiento como ChIP-seq (del inglés, Chromatin Immunoprecipitation sequencing) para detectar modificaciones de histonas y transcriptómica  para analizar la expresión génica, los investigadores obtuvieron «una resolución temporal muy precisa de los cambios epigenéticos que tienen lugar durante este proceso».

Secuencia ordenada y precisa

Los resultados muestran que, a medida que las células pasan de la oscuridad a la luz, se activa una secuencia ordenada de modificaciones epigenéticas en los genes relacionados con la fotosíntesis, conocidos como PhANGs (Photosynthesis Associated Nuclear Genes).

En concreto, se produce una transición de una marca represora (la metilación H3K27me3) a una marca activadora (la acetilación H3K27ac), justo en el momento en que se establece la fotosíntesis. Esta transición clave «no se había documentado antes con este nivel de detalle».

El estudio también identifica proteínas reguladoras esenciales en este proceso, como GUN1, que es necesaria para transmitir la señal retrógrada, y los factores VAL1, REF6 y GLK1/2.

Este descubrimiento «representa un importante avance en el conocimiento de cómo los orgánulos celulares pueden influir directamente en el comportamiento del genoma nuclear, ya que muestra por primera vez cómo los cloroplastos pueden activar o silenciar genes nucleares mediante mecanismos epigenéticos».

Asimismo, «este conocimiento puede tener importantes implicaciones en agricultura y biotecnología, abriendo nuevas vías para optimizar la fotosíntesis, mejorar el crecimiento vegetal en condiciones adversas o generar cultivos más resistentes al estrés ambiental».

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