BvCOLD1: La acuaporina que surgió del frío

El post de hoy es divulgación, como siempre, pero de la que más me gusta contar. La Ciencia que yo hago. A fin de cuentas, soy investigadora y realmente una de las cosas que más satisfacción nos da es publicar papers. Hoy voy a contaros la historia del último que he publicado y de cómo cuando buscas genes, no sabes qué puedes encontrarte.

La historia surge de un proyecto que consistía en identificar genes de remolacha (Beta vulgaris) capaces de dar tolerancia a frío.

Remolacha (Beta vulgaris). Imagen | dianazh/iStock

Buscar genes de plantas tiene su complicación. Veréis, las plantas tardan en crecer, unas más que otras, y tienen un genoma muy grande, del cual solo una mínima parte es codificante. Ahora tenemos herramientas para trabajar directamente en el genoma de las plantas, sobre todo en plantas modelo como Arabidopsis thaliana, aunque estas herramientas para una planta de cultivo como remolacha, siguen siendo muy escasas. La remolacha no es un cereal básico de los que la alimentación de millones de personas dependa de él como puede pasar con el maíz, el arroz o el trigo. En principio, puede parecer un cultivo sin mucho interés más allá de la obtención de azúcar. Sin embargo, además del azúcar y de su uso gastronómico y alimentario (en ensaladas o como colorante E-162 rojo remolacha), se utiliza para la producción de bioetanol y tiene mucha utilidad para dar de comer al ganado. También tiene hojas que se comen, aunque las solemos llamar acelgas y son la parte aérea de una variedad concreta llamada cicla (Beta vulgaris var. cicla).

Acelgas, hoja comestible de la variedad cicla de B.vulgaris

En nuestro caso, elegimos la remolacha porque es una planta de domesticación muy reciente, junto con su prima la espinaca, y sobre todo, porque de todas las plantas de cultivo, es de las más resistentes a la salinidad, que es uno de nuestros temas de trabajo.

Lo que se suele hacer para poder identificar genes es poner a la planta en unas condiciones ambientales muy exigentes, con lo que los genes implicados en la defensa a esas condiciones empezarán a activarse. Aislamos el ARN mensajero que transmite la secuencia de estos genes para que se traduzcan en proteínas, y utilizamos una enzima llamada retrotranscriptasa para hacer una copia en ADN de estos genes. Esta copia de ADN ya es estable, y se puede insertar en una estructura llamada plásmido que permite replicarlas y, lo más interesante, hacer que este gen funcione en otro organismo más simple como puede ser la levadura.

Cultivo in vitro de levadura.
Imagen Flickr | Connor Lawless

¿Qué ventajas tiene esto? La levadura se reproduce en 90 minutos, a diferencia de la remolacha que tarda dos años en florecer, ocupa muy poco espacio, apenas unas pocas micras y es bastante fácil de manipular. Podemos insertar esta colección de genes de remolacha en levadura, y cada célula individual dará lugar a una colonia que portará un único gen de remolacha. Si a esas células de levadura, que llevan un gen de remolacha, las ponemos a crecer en unas condiciones muy estrictas, como por ejemplo, a 10 ºC cuando la temperatura de crecimiento normal es de 28 ºC, lo más normal es que la mayoría se mueran, pero si alguno de los genes funciona en levadura, y está implicado en la tolerancia a esas condiciones extremas, veremos que en la placa de Petri, aparece una colonia que es capaz de crecer. Luego, es muy fácil identificar qué gen de remolacha es responsable de esa tolerancia a frío.

Gracias a esta estrategia identificamos BvCOLD1. Lo llamamos así por la especie de la que lo obtuvimos, Beta vulgaris y la característica por la que había sido identificado (tolerancia a frío). 

BvCOLD1 desde el principio resultó ser un gen raro. Codificaba una acuaporina, eso estaba claro,  pero era una acuaporina rara. Las acuaporinas son unas proteínas de membrana presentes en todos los organismos que fueron identificadas por su capacidad de transportar agua. Luego se descubrió que podían transportar otro tipo de moléculas, generalmente pequeñas, como amonio, glicerol, urea o gases entre otras. 

Que una acuaporina diera tolerancia a frío no es algo extraño, puesto que cuando hay frío se pierde la fluidez de las membranas celulares, y el tráfico a través de ella se detiene. Hay muchos ejemplos que señalan que aumentar la expresión de los genes que codifican acuaporinas, mejora la tolerancia a frío. Incluso yo misma he publicado varios artículos donde se muestra cómo afecta la sequía, la salinidad o el frío a la expresión de estos genes (aquí os dejo algunos por si os interesa paper1, paper2, review1, review2). La cuestión es que BvCOLD1 no apareció en el genoma de la planta modelo Arabidopsis thaliana, ni en el de otras muchas plantas. Solo apareció en plantas pertenecientes a las Chenopodioideae, una subfamilia de las Amaranthaceae. Las plantas de esta familia tienen en común que son capaces de crecer en condiciones ambientales extremas, como la salicornia que crece junto al mar, o la quinoa, que crece en los peores suelos. Otra rareza es que por secuencia, era similar a las acuaporinas que se localizan únicamente en la vacuola, pero cuando la poníamos al microscopio solo la pudimos ver en el retículo endoplásmico. ¡WTF!

Composición de diferentes planos de imágenes donde se observa la localización de
BvCOLD1-GFP (verde) en el retículo endoplasmático y envoltura nuclear.
Los cloroplastos se visualizan en rojo por la fluorescencia de la clorofila.
Realizado en Nicotiana benthamiana

Como muchas acuaporinas tienen capacidad para transportar diferentes moléculas, investigamos qué podía transportar la nuestra y descubrimos que transportaba glicerol, y ¡oh sorpresa! también ácido bórico. Además de ser un resultado inesperado, nos dio un subidón. Os cuento. El ácido bórico es un nutriente esencial para la remolacha, y tratar de cultivarla en un suelo pobre en boro provoca enfermedades como "el mal del corazón", que se produce cuando no se pueden formar las paredes celulares correctamente y la planta se vacía por dentro (esto no es romántico, es triste, sobre todo para el agricultor). Además, al investigar cómo se expresa este gen en remolacha pudimos detectarlo en todos los órganos que evaluamos, indicando que es un gen importante a nivel de toda la planta. Por lo tanto, parecía que habíamos descubierto una proteína que no solo era importante para que la remolacha tolerara el frío, sino también que estaba implicada en el transporte de un nutriente esencial. Pero claro, solo teníamos resultados en levadura.

Mal del corazón en remolacha, enfermedad
causada por la deficiencia de boro. Imagen

Había que pegar el salto a planta y para algo sirven las plantas transgénicas, además de inspirar a algunos grupos ecologistas. Como ya os he mencionado, trabajar con remolacha es complicado, pero tenemos a la planta modelo Arabidopsis thaliana, que es pequeñita y crece rápido (3 meses), así que hicimos plantas transgénicas a las que les pusimos el gen de BvCOLD1, y así pudimos confirmar que nuestras plantas transgénicas germinan mejor en baja temperatura que las otras, y sobre todo, que si las pones en un medio con poco boro, crecen mejor que los controles.

Efecto del frío y la concentración de boro sobre la germinación de arabidopsis en plantas no transgénicas (control) y plantas transgénicas transformadas con BvCOLD1. Porcel et al. (2018)

Eso significa que tenemos una proteína que puede servir para hacer variedades de remolacha que precisen menos boro, y eso quiere decir menos fertilizantes, menos laboreo, menos tractores, menos gasoil… ¿veis la aplicación? ¿entendéis ahora por qué me gusta investigar en ciencias agrarias tratando de mejorar cultivos? 

La investigación fue publicada hace poco en la revista Plant, Cell and Environment (una de las mejores revistas de nuestro área, ocupando la posición 13 de 222 y con más de 5.4 de factor de impacto, que eso en plantas es bastante!). Os confieso que es una de las que más esfuerzo y tiempo ha costado por la situación que se ha dado, ya que se hizo entre dos ciudades y a distancia, con lo que eso supone, pero sin duda, de la que más orgullosa me siento. Yo fui la primera autora por hacer todo el trabajo en remolacha y las plantas transgénicas de arabidopsis y el que dirigió el trabajo e identificó (hace mucho tiempo) el gen fue otro nauker que habla mucho de plantas transgénicas.

Nauker, del que un día recibí este regalo... lo conseguimos ;-)

Podéis encontrar la información sobre el estudio y todas las figuras accediendo directamente a:

Porcel et al. BvCOLD1: A novel aquaporin from sugar beet (Beta vulgaris L.) involved in boron homeostasis and abiotic stress. Plant, Cell & Env 2018: 1-14  https://doi.org/10.1111/pce.13416.

Este post fue publicado originalmente en Naukas.