•    El procés d’obertura dels estomes és clau per a l'intercanvi d'oxigen i diòxid de carboni en les plantes i és essencial per a la fotosíntesi.

•    Un equip investigador del CRAG ha identificat la interacció entre dues proteïnes, PIF i KAT1, que són crucials en la regulació de l'obertura/tancament dels estomes durant el dia i la nit.

•    El coneixement d'aquest mecanisme molecular és clau per entendre com les plantes regulen la fotosíntesi en situacions d’estrès, i pot ser útil per a prevenir pèrdues en els cultius en condicions de sequera.

Les plantes intercanvien constantment oxigen (O2) i diòxid de carboni (CO2) amb el medi ambient, un procés essencial per a la fotosíntesi. Aquest procés de “respiració” es produeix gràcies a una estructura molt concreta: l'estoma. Els estomes (del grec στόμα, "boca") són porus que es troben a la superfície de les fulles i que controlen l'intercanvi de gasos entre la planta i l'atmosfera externa. El control de l'obertura dels estomes és essencial per a regular la fosíntesi i l'eficiència en l'ús de l'aigua, i per la fisiologia general de la planta. Per tant, una regulació precisa de la dinàmica d’obertura/tancament dels estomes és crucial per entendre els canvis en la fotosíntesi i en el rendiment quan les plantes estan en situacions d’estrès, i pot tenir un impacte en el sector de l’agricultura.

En aquest treball, publicat a la prestigiosa revista Nature Communications, el grup liderat per la investigadora del CSIC al Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), Elena Monte, ha desxifrat el mecanisme molecular que regula els moviments rítmics dels estomes al llarg del dia.

Els estomes estan formats per dues cèl·lules oclusives (GC, de l’anglès guard cells) i el porus que queda entre elles, la mida del qual depèn de si les cèl·lules estan més o menys turgents, augmentant o disminuint, per tant, l'obertura estomàtica. L’obertura òptima dels estomes ve determinada per la combinació de diferents factors ambientals i també interns. En general, els estomes es tanquen en condicions de foscor i sota estrès hídric en resposta a l'hormona de l'estrès ABA (àcid abscísic) per evitar la pèrdua d'aigua, mentre que en condicions de llum els estomes s’obren per permetre l'absorció de CO2 i l'alliberament d'O2 durant el dia.

Per entendre en detall els mecanismes que controlen els moviments dels estomes, l’equip del CRAG va estudiar la planta model Arabidopsis thaliana en períodes de llum i foscor controlats per fer el seguiment de l'obertura dels estomes i identificar les proteïnes i els gens implicats, utilitzant mètodes de biologia molecular i anàlisis bioinformàtiques

Els investigadors van trobar que una família de proteïnes anomenades PIFs (de les sigles en anglès de Phytochrome Interacting Factors, o factors d’interacció amb el fitocrom) s'acumulen al final del període nocturn, i que aquest és un pas crucial per induir posteriorment l'obertura dels estomes al matí. Els PIF són factors de transcripció que controlen l'expressió de certs gens, i en aquest cas, els investigadors van determinar que l'acumulació de PIFs desencadena l'activació del gen KAT1, un canal de potassi (K+ ) específic de la cèl·lules oclusives que controla la quantitat d'ions i, per tant, la quantitat d'aigua que entra en aquestes cèl·lules. En presència de llum, l'activació de la proteïna KAT1 desencadena l’entrada d'ions potassi i l’augment de la turgència de les cèl·lules oclusives, provocant l'obertura dels estomes.

Nil Veciana i Arnau Rovira, primers autors del treball, destaquen la importància de la troballa en un disseny experimental on les plantes es van estudiar "sense restriccions d'aigua i, per tant, amb nivells endògens d'ABA", condicions en què hi ha una obertura rítmica dels estomes i on es pot avaluar la regulació de la resposta a la llum/foscor.

De fet, aquesta interacció entre la funció de PIF i els nivells endògens d'ABA a les cèl·lules oclusives és clau per a la regulació dinàmica dels estomes. Durant la nit, l'ABA endogen permet que els estomes es mantinguin tancats, mentre que al matí és necessària una reducció de l'ABA per a l'obertura dels estomes induïda per la llum i regulada per PIFs.

Tot i que ja se sabia que els estomes tenien moviments rítmics i també es coneixien les proteïnes implicades en la seva obertura/tancament, aquesta és la primera vegada que es defineix el mecanisme transcripcional exacte que regula l'obertura dels estomes durant el cicle de dia i nit. A més, la identificació de PIF i KAT1 com a components essencials en aquesta regulació obre la possibilitat a noves vies de recerca i a possibles intervencions biotecnològiques.

Entendre com el cicle de llum/foscor regula l'obertura estomàtica podria servir per identificar dianes per a optimitzar el rendiment de les plantes i la seva adaptació a diferents situacions d’estrès, per exemple en un entorn restrictiu d'aigua o condicions de sequera.

Article de referència 

Arnau Rovira, Nil Veciana, Aina Basté-Miquel, Martí Quevedo, Antonella Locascio, Lynne Yenush, Gabriela Toledo-Ortiz, Pablo Leivar & Elena Monte. PIF transcriptional regulators are required for rhythmic stomatal movements. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-48669-4

Sobre els autors i el finançament de l'estudi 

Aquest treball ha comptat amb el suport de subvencions de FEDER/Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación (Project References BIO2015-68460-P, PGC2018-099987-B-I00 i PID2021-122288NB-I00 a PID0451.9; -I00 a L.Y.), del Programa CERCA/ Generalitat de Catalunya (Project Reference 2017SGR-718) a E.M, i de la Daiwa Anglo Japanese Foundation (1019/13721) i la Royal Society (IEC\R1\180047) a G.T- O. Agraïm el suport financer del Ministeri d'Economia i Competitivitat Espanyol, a través del 'Programa Severo Ochoa de Centres d'Excel·lència en R+D' 2016–2019 (SEV-2015- 0533) i CEX2019-000902-S finançat per MCIN/AEI/0310/.13/0310. 501100011033. A.B.-M. va comptar amb el suport del programa predoctoral AGAUR-FI ajuts (2023 FI-1 00910) Joan Oró de la Secretaria d'Universitats i Recerca del Departament de Recerca i Universitats de la Generalitat de Catalunya i el Fons Europeu Social Plus, i M.Q. va rebre finançament postdoctoral del programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea en virtut de l'acord de subvenció Marie Skłodowska-Curie núm. 945043.