Al anochecer, las hojas del tamarindo se cierran a la espera de un nuevo amanecer. Andróstenes, capitán de un barco al servicio de Alejandro Magno, dejó el primer registro escrito de estos movimientos de las hojas en el siglo IV a. C.
Pasaron siglos hasta que se descubrió que describía los efectos del reloj circadiano. Este mecanismo interno de percepción del tiempo permite a muchos organismos vivos medir el paso del tiempo y coordinar su comportamiento en ciclos de 24 horas. Sigue los ciclos regulares del día y la noche, así como las estaciones, determinados por la rotación diaria de la Tierra. La investigación circadiana ha avanzado tanto que el Premio Nobel de 2017 de Fisiología o Medicina se concedió por el trabajo pionero que dilucidó las bases moleculares de los ritmos circadianos.
Biólogos como nosotros estudiamos los relojes circadianos de las plantas para comprender cómo afectan a la salud y el bienestar de toda la vida en la Tierra. A medida que los investigadores siguen desentrañando cómo funcionan estos relojes —incluido cómo influyen en las interacciones entre los huéspedes y los patógenos y plagas que los invaden—, podrían estar surgiendo nuevas formas de medicina de precisión con tiempos de aplicación específicos.
Nuestro marcapasos oculto
Los organismos de los tres dominios de la vida poseen una asombrosa diversidad de ritmos circadianos. Las aparentemente simples cianobacterias alternan la actividad fotosintética entre el día y la noche. El hongo Neurospora crassa produce esporas cada mañana, justo antes del amanecer. Las mariposas monarca migratorias utilizan una delicada brújula solar durante su migración anual. Casi todos los aspectos de la actividad humana están influidos por el reloj circadiano; basta con cruzar zonas horarias en avión o trabajar por turnos para comprobarlo.
La fuerza que impulsa los ritmos circadianos es lo que los científicos denominan el oscilador central del reloj circadiano, una compleja red de genes que activan y desactivan mutuamente su actividad. En conjunto, forman bucles de retroalimentación complejos que calibran el tiempo con precisión.
Aunque los genes individuales del reloj no siempre son iguales en todos los dominios de la vida, el mecanismo de retroalimentación del oscilador central sí lo es. Este mecanismo actúa como un interruptor que sincroniza las actividades diarias de un organismo con las fluctuaciones entre el día y la noche y otros cambios ambientales. Estos asombrosos actos de equilibrio reflejan la capacidad de los organismos para anticiparse a los cambios del entorno a lo largo del día.
La medición precisa del tiempo y la salud
Un reloj circadiano bien calibrado es fundamental para el crecimiento y la buena forma física, por lo que su desajuste respecto de las señales ambientales provoca diversos problemas de salud con consecuencias de gran alcance. Es probable que algunas enfermedades humanas, entre ellas la diabetes, la obesidad, las enfermedades cardiovasculares y algunos trastornos psiquiátricos como la depresión y el trastorno bipolar, estén vinculadas a relojes circadianos desincronizados con el entorno.
Cada vez hay más pruebas que también vinculan el reloj circadiano con la salud de las plantas. En particular, los científicos especializados en plantas han demostrado que un reloj circadiano bien ajustado es importante para la resistencia de las plantas a las enfermedades causadas por diversos patógenos y plagas. Aunque las plantas no producen anticuerpos ni utilizan células inmunitarias especializadas para defenderse de los invasores, algunos aspectos de su sistema inmunitario son similares a los nuestros. Como son fáciles de cultivar y modificar genéticamente, algunas plantas, como Arabidopsis, son sistemas ideales para investigar cómo influye el reloj circadiano en el desenlace de las enfermedades en las plantas una vez infectadas.
Interacciones entre plantas y patógenos a cualquier hora
Al ser inmóviles, las plantas deben distribuir estratégicamente su limitada energía y sus recursos cuando se enfrentan a patógenos y plagas. Tienen la sofisticada capacidad de sincronizar sus defensas, lo que les permite anticipar posibles ataques antes de que ocurran y modular sus respuestas defensivas frente a atacantes reales.
La primera línea de defensa de las plantas está en su superficie. Las características físicas, como los tricomas —pequeños pelos que sobresalen—, recubren y protegen la planta, mientras que las capas de cera impiden que los invasores se adhieran a ella. La superficie vegetal también tiene numerosos poros parecidos a bocas, llamados estomas. Normalmente, los estomas se abren rítmicamente durante el día y se cierran por la noche, un proceso que regula el reloj circadiano para anticiparse a los cambios de luz y humedad. Aunque este proceso es importante para la fotosíntesis y el intercambio de agua, algunos patógenos pueden aprovechar la apertura de los estomas como vía de acceso a los nutrientes y al espacio dentro del tejido vegetal; su cierre limita la invasión de patógenos.
Además de las barreras físicas de primera línea, las plantas han desarrollado complejos sistemas de vigilancia para detectar patógenos y plagas como intrusos. Cuando los receptores de la superficie celular reconocen un patógeno, la planta cierra de inmediato sus estomas en el lugar de la invasión. Los relojes circadianos disfuncionales dificultan el cierre de los estomas, lo que provoca enfermedades más graves.
El reconocimiento adicional del patógeno envía señales de alerta al interior del tejido vegetal y activa un arsenal de respuestas defensivas, entre ellas la reprogramación de la expresión génica, la producción de compuestos antimicrobianos y el refuerzo de las señales de defensa. Incluso en ausencia de patógenos, muchas de estas respuestas presentan cambios leves, pero rítmicos, influidos por el reloj circadiano. Cuando llega un ataque real, el ensayo diario de los sistemas defensivos de las plantas garantiza una defensa firme, coordinada y oportuna. Las plantas cuyos relojes están desajustados sucumben al ataque.
Un excelente ejemplo de una planta que sincroniza sus defensas procede del grupo de Xinnian Dong en la Universidad de Duke. Hyaloperonospora arabidopsidis es un patógeno que dispersa sus esporas virulentas por la mañana y causa enfermedades en las plantas de Arabidopsis. El grupo de Dong demostró con elegancia que Arabidopsis se anticipa a este ataque expresando al amanecer un conjunto de genes defensivos que le confieren resistencia al patógeno. Cuando los investigadores alteraron el reloj circadiano de Arabidopsis, se anuló esta defensa matutina y la planta se volvió más susceptible.
Las plantas también recurren a defensas oportunas para combatir a los insectos. Por ejemplo, las orugas medidoras de la col tienen su máxima actividad alimentaria antes del anochecer. Un excelente trabajo del grupo de Janet Braam en la Universidad Rice demostró que Arabidopsis produce la hormona de señalización defensiva ácido jasmónico, cuyo nivel alcanza su máximo al mediodía para anticiparse a este ataque. Cuando los insectos atacan, el reloj circadiano refuerza esta defensa del mediodía, produciendo más ácido jasmónico para inhibir la alimentación de los insectos.
¿Bailan los relojes en pareja?
Como muestran estos ejemplos, los patógenos y las plagas tienen sus propios relojes circadianos y los usan para determinar cuál es el mejor momento para estar activos. ¿Cómo afecta esta capacidad a sus invasiones de los huéspedes? Hasta ahora, los investigadores no saben con certeza si los relojes de los patógenos y las plagas se coordinan con el del huésped. Si es así, el grado de sincronización podría determinar el desenlace de sus interacciones.
Las pruebas actuales indican que algunos microbios eucariotas, como Hyaloperonospora arabidopsidis y Botrytis cinerea, pueden manipular el reloj circadiano de Arabidopsis. Incluso los patógenos procariotas, como Pseudomonas syringae, pese a carecer de un oscilador central canónico, pueden interferir de diversas maneras con los relojes de las plantas.
En los seres humanos y los ratones, algunas poblaciones de la microbiota intestinal oscilan a diario, en función del reloj circadiano del huésped. Curiosamente, la microbiota intestinal puede reprogramar el reloj del huésped. ¿Cómo se produce esta comunicación entre reinos? ¿Cómo puede influir en el desenlace de las interacciones entre huéspedes y microbios? La investigación en este campo explora un nivel fascinante y poco estudiado de las dinámicas entre huéspedes e invasores.
El reloj como sanador y aliado
La capacidad de integrar señales temporales con el desarrollo y las respuestas a las agresiones ambientales es una adaptación evolutiva. Las plantas han enseñado mucho a los biólogos sobre los ritmos circadianos y su papel en la modulación de todo, desde el desarrollo hasta las defensas.
La investigación sobre los relojes ha abierto la posibilidad de aplicar estos conocimientos a otros sistemas, incluidos los seres humanos. ¿Cómo podemos modificar los ciclos diarios de ciertas funciones defensivas para reforzar la inmunidad sin causar estrés en el desarrollo? ¿En qué momentos del día somos más susceptibles a determinados patógenos? ¿En qué momentos del día son más invasivos los distintos patógenos y plagas?
Las respuestas a preguntas como estas ayudarán a desentrañar las interacciones entre huéspedes y patógenos o plagas, tanto en las plantas como en las personas. En última instancia, estos conocimientos podrían contribuir al diseño de medicamentos de precisión adaptados para reforzar las defensas oportunas de cada persona frente a diversos patógenos y plagas. Además, comprender la resistencia de las plantas a las enfermedades contribuirá al control agrícola de patógenos y plagas y ayudará a mitigar el desafío mundial de la pérdida de cosechas.
La investigación en curso sigue revelando que la influencia de los ritmos circadianos se extiende tan ilimitadamente como los rayos del sol.
