• Els cloroplast, orgànuls clau per dur a terme la fotosíntesi, poden comunicar-se amb el nucli cel·lular per controlar amb precisió l’activació o repressió de determinats gens.
• Ara, un estudi recent ha demostrat que els cloroplasts també regulen l’activitat del genoma mitjançant modificacions epigenètiques, actuant directament sobre la cromatina.
• Aquest descobriment suposa un pas important en la comprensió de com les plantes regulen el desenvolupament de la seva maquinària fotosintètica, i obre la porta a aplicacions futures en biotecnologia agrícola.

Els cloroplasts són orgànuls presents a les cèl·lules de les plantes que tenen un paper essencial: són els encarregats de dur a terme la fotosíntesi, el procés que permet a les plantes captar l’energia solar i convertir-la en energia química. A més de contenir ADN propi, els cloroplasts també depenen del nucli cel·lular per produir moltes de les proteïnes que necessiten per funcionar correctament.

Durant el desenvolupament d’una plàntula, especialment quan aquesta veu la llum per primera vegada, els cloroplasts comencen a diferenciar-se i a activar el programa fotosintètic. Aquest procés requereix una coordinació molt precisa entre el cloroplast i el nucli, mitjançant senyals anomenats anterògrads (del nucli cap al cloroplast) i retrògrads (del cloroplast cap al nucli). Aquesta comunicació bidireccional és essencial per garantir que la planta desenvolupi la capacitat fotosintètica en el moment i lloc adequats.

En un estudi recentment publicat a la prestigiosa revista Nature Communications, una recerca col·laborativa entre el Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) i l'Umeå Plant Science Centre (UPSC) de Suècia ha descrit per primera vegada com els cloroplasts poden modificar l’expressió del genoma nuclear mitjançant canvis epigenètics, oferint una nova visió dels senyals retrògrads.

Els cloroplasts poden modificar directament l’activitat de l’ADN nuclear

Fins ara, se sabia que els cloroplasts podien influir l’activació o inhibició de certs gens nuclears, però no s’havia descrit que ho poguessin fer mitjançant canvis en la cromatina, la forma compactada de l’ADN dins del nucli. La cromatina està formada per l’ADN embolicat al voltant de proteïnes anomenades histones. Aquestes histones poden patir modificacions químiques —com metilació o acetilació— que canvien el grau de compactació de l’ADN i, per tant, determinen si un gen està actiu o silenciat. Aquest tipus de regulació es coneix com a epigenètica.

Un dels reptes principals fins fa poc per estudiar l’establiment de la fotosíntesi ha estat la rapidesa amb què les plàntules activen la fotosíntesi en veure la llum. Per superar aquest obstacle, l’equip investigador va utilitzar un cultiu de cèl·lules en suspensió de la planta model Arabidopsis thaliana que permet observar de manera més lenta, controlada i sincronitzada el procés conegut com a “greening” (enverdiment), que representa la formació de cloroplasts funcionals i l’activació de la fotosíntesi quan les cèl.lules passen de la foscor a la llum.

A través de tècniques d’alt rendiment com la ChIP-seq (de l’anglès, Chromatin Immunoprecipitation sequencing) per detectar modificacions d’histones i transcriptòmica per analitzar l’expressió gènica, els investigadors van obtenir una resolució temporal molt fina dels canvis epigenètics que tenen lloc durant aquest procés.

Una seqüència precisa de modificacions epigenètiques

Els resultats mostren que, a mesura que les cèl·lules passen de la foscor a la llum, s’activa una seqüència precisa i ordenada de modificacions epigenètiques en els gens relacionats amb la fotosíntesi, coneguts com a PhANGs (de l’anglès, Photosynthesis Associated Nuclear Genes).

En concret, es produeix una transició d’una marca repressora (la metilació H3K27me3) cap a una marca activadora (l’acetilació H3K27ac), just en el moment en què s’estableix la fotosíntesi. Aquesta transició clau no s’havia documentat fins ara amb aquest nivell de detall.

L’ estudi també identifica diverses proteïnes reguladores que tenen un paper fonamental en aquest procés, com GUN1 que és essencial per transmetre el senyal retrògrad del cloroplast al nucli, i els factors reguladors VAL1, REF6 i GLK1/2.

Aquest descobriment representa un avenç important en la comprensió de com els orgànuls cel·lulars poden influir de manera directa en el comportament del genoma nuclear, ja que mostra per primera vegada com els cloroplasts poden activar o silenciar gens nuclears mitjançant mecanismes epigenètics. Aquest coneixement pot tenir importants implicacions en biotecnologia i agricultura, ja que obre la porta a desenvolupar estratègies per optimitzar la fotosíntesi, millorar el creixement vegetal en condicions adverses, o generar cultius més resistents a l’estrès ambiental.

Article de referència

Marti Quevedo, Ivona Kubalová, Alexis Brun, Luis Cervela-Cardona, Elena Monte i Åsa Strand. Retrograde signals control dynamic changes to the chromatin state at photosynthesis-associated loci. Nature Communications (2025), https://doi.org/10.1038/s41467-025-61831-w

Sobre els autors i el finançament de l’estudi

Part d’aquest treball ha estat finançat mitjançant subvencions i suport econòmic a Å.S. per part del Consell Suec de Recerca, VR (2020-03958), i la Fundació per a la Recerca Estratègica, SSF (ARC19-0051); i a E.M. pel FEDER/Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats – Agència Estatal d’Investigació (referència del projecte PID2021-122288NB-I00); pel Programa CERCA / Generalitat de Catalunya (referència del projecte 2021SGR-792), i pel Ministeri d’Economia i Competitivitat d’Espanya, a través del “Programa Severo Ochoa de Centres d’Excel·lència” en CEX2019-000902-S, finançat per MCIN/AEI/10.13039/501100011033. M.Q. va rebre finançament postdoctoral del programa de recerca i innovació Horitzó 2020 de la Unió Europea, en el marc de l’acord de subvenció Marie Skłodowska-Curie núm. 945043.