Y las plantas ¿cómo responden al estrés por frío?

Nohemí Carreras Villaseñor y Diana Sánchez Rangel

Las plantas también sienten el frío, eso es un hecho, pero el cómo es una incógnita que los científicos aún no han resuelto del todo.

Todos sabemos que las plantas son organismos inmóviles, por lo que les es imposible eludir condiciones ambientales desfavorables; es decir, si hace frio no pueden refugiarse en un lugar cálido. Sin embargo, al igual que los humanos, tienen la capacidad de percibir todos los cambios ambientales que pasan a su alrededor, así que la pregunta que queremos contestar el día de hoy es ¿cómo sienten el frío las plantas? Sabemos qué ahora, cuando imperan los fenómenos de la Niña y el Niño en ciertas regiones del mundo, se pueden presentar temperaturas por debajo de los 0ºC, observándose un incremento en la duración e intensidad de las heladas. Cuando una planta se encuentra bajo estrés de frío y no es tolerante, presenta algunos síntomas como amarillamiento, marchitez, retardo en el crecimiento, senescencia y muchas veces, la muerte (Fig. 1), afectando la producción de muchos cultivos agrícolas. Esto ha hecho que se incrementen los esfuerzos de los científicos para entender cómo algunos cultivos tolerantes detectan el frío y responden a esta condición y para usar esa información con miras de lograr un mejoramiento de los cultivos sensibles al frio. 

Fig.1 Cambios que presenta la planta durante el estrés por frío. En respuesta a las bajas temperaturas las plantas presentan cambios en el crecimiento y desarrollo, bioquímicos y genéticos para adaptarse a esta condición adversa. Figura adaptada de²

Entonces, ¿cómo sienten el frío las plantas? Te contamos. 

La respuesta completa a esta pregunta aun representa un gran reto para la ciencia. Pero antes de empezar con los términos científicos, lo que debes conocer es que, primero la planta debe “saber” qué estrés está experimentando para después “avisarle” a cada una de sus células que deben reaccionar para superar esta condición climática desfavorable y eso lo hacen a través de una cascada de señales, como en un tipo de juego de efecto dominó, y al final la planta entra en un estado fisiológico adecuado para resistir al frío.

Ahora sí, en términos científicos, las células de las plantas están delimitadas por una bicapa lipídica, llamada membrana celular, la cual se considera la primera candidata para la percepción de la temperatura dada su composición, ya que pequeños cambios en la temperatura afectan varias de sus propiedades como fluidez, grosor, permeabilidad y empaquetamiento, por lo que estos cambios físicos afectan la función de las proteínas que se encuentran en la membrana celular (Fig. 1).  Por lo mismo, varias de estas proteínas de la membrana celular han sido propuestas, también, como sensores térmicos.  Pero ¿qué proteínas son estas? ahora se sabe que a bajas temperaturas, la membrana celular se hace rígida lo que permite la activación de proteínas asociadas a la membrana con función de canales, lo que desencadena una rápida entrada hacia el citoplasma (interior de la célula) de ciertos elementos como los iones de calcio (Ca;  recordando nuestra  analogía, es el impulso que inicia el efecto dominó), el cual activa otras proteínas especializadas que dependen del Ca, como proteínas cinasas reguladas por Ca (enzimas que agregan grupos fosfatos, es decir, fosforilan proteínas; por analogía serían las fichas de dominó, que caen por impulso de la ficha anterior) para desencadenar las cascadas de señalización por fosforilación (que mantienen  e  incrementan el efecto dominó) y que están mediadas por diversas clases de cinasas (es decir, más fichas de dominó). Específicamente, en  el arroz se ha identificado una proteína que se encuentra en la membrana llamada COLD1, la cual se propone como un sensor de frío y de manera indirecta activa canales de Ca o ella misma podría actuar como un canal de Ca^1-3. Por otro lado, el año pasado, se identificó a COG1, un gen que confiere al arroz tolerancia al frío y que codifica para una proteína transmembranal parecida a un receptor que activa a OsSERL2, una cinasa parecida al receptor que desencadena la señalización por fosforilación mediada por otras cinasas⁴  (Fig. 2).

Fig. 2 Mecanismo de percepción de bajas temperaturas en plantas. Al establecimiento del estrés por frío, las membranas lipídicas se hacen rígidas, lo cual activa a proteínas de membrana como canales de calcio, COLD1 y receptores como COG1, en individual o en conjunto, esta proteínas activan la señalización por fosforilación mediada por cinasas, la cual activa a proteínas reguladas por frío como son ICE-CBF-COR para establecer la respuesta adaptativa a este estrés mediante la expresión de genes y síntesis de proteínas necesarias para el restablecimiento del buen estado fisiológico de la planta. Figura adaptada de^1,2,4

Como podemos ver lo que tienen en común estos posibles sensores es que son proteínas asociadas a la membrana y que activan cascadas de señalización por fosforilación, dicha señalización llega al núcleo de la célula donde se encuentra el material genético, y en el cual se “prenden y apagan” genes que codifican para proteínas reguladas por el frío. Específicamente, ICEs-CBFs-CORs son las moléculas (proteínas) principales de la ruta responsiva al frío  y responsables de mitigar sus efectos^2,3 (Fig. 2), a través de diversos cambios, incluyendo la estabilización de la membrana celular, la regulación iónica, detoxificación, reparación estructural y funcional de proteínas, es decir, una completa reorganización metabólica y genética (Fig. 1,2). Pero esto, ¿en qué se traduce? en que la planta tolerante al frío, fisiológicamente establezca una toma balanceada de agua y nutrientes, en un intercambio óptimo de gases CO₂/O₂, una tasa fotosintética regulada y, por lo tanto, el crecimiento y desarrollo de la planta se reestablece, para que pueda seguir su ciclo productivo (Fig.1).

Cómo te dijimos al principio, aún no tenemos una respuesta completa, se necesita más investigación científica para identificar si existe un sensor maestro o si existen más sensores de respuesta al frio y como logran establecer el equilibrio celular que permite a las plantas sobrevivir durante el estrés por frío.

Referencias

• Kerbler, S. M. & Wigge, P. A. Temperature Sensing in Plants. Annu. Rev. Plant Biol. 74, 341–366 (2023).
• Gusain, S., Joshi, S. & Joshi, R. Sensing, signalling, and regulatory mechanism of cold-stress tolerance in plants. Plant Physiol. Biochem. 197, 107646 (2023).
• Lamers, J., Van Der Meer, T. & Testerink, C. How Plants Sense and Respond to Stressful Environments. Plant Physiol. 182, 1624–1635 (2020).
• Xia, C., Liang, G., Chong, K. & Xu, Y. The COG1-OsSERL2 complex senses cold to trigger signaling network for chilling tolerance in japonica rice. Nat. Commun. 14, 3104 (2023).

Foto slider: Diana Sánchez Rangel