Pais: Países bajos

Fecha: 19 de Febrero del 2021

Cómo las plantas y los árboles estabilizan sus tuberías de agua para crecer más alto por WUR, Países bajos

Las plantas, especialmente los árboles, son con mucho los organismos más altos de la Tierra. El crecimiento en altura es posible gracias a un sistema vascular especializado. Este sistema conduce el agua de las raíces a las hojas con alta eficiencia, mientras que simultáneamente, gracias a las paredes celulares extremadamente fuertes, proporciona estabilidad. A través de una combinación de experimentos y simulaciones por computadora, investigadores de Wageningen University & Research en colaboración con colegas en Alemania y Australia han logrado estudiar la formación de este sistema con más detalle y visualizarlo de una manera espectacular. Sus resultados se publicaron hoy en Nature Communications y pueden contribuir en el futuro, entre otras cosas, a la adaptación de plantas y cultivos al cambio climático.

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Timelapse: imágenes de microscopía que siguen la formación de una "capa de cebra" por una célula vegetal en la planta Arabidopsis thaliana. La imagen del extremo izquierdo muestra el 'abrigo de cebra' después de que ha tomado su forma final 120 minutos después del comienzo del experimento.

La imagen central muestra todos los cambios en el patrón de cebra en los minutos 115 a 120. La imagen de la derecha acumula todos los movimientos que llevaron al patrón de cebra dentro de los primeros 120 minutos del experimento. Imagen: Kris van 't Klooster.

Si se hablara en términos de moda, se diría que las células vegetales del sistema vascular se hacen a sí mismas un pelaje a rayas de cebra. No lo hacen porque se vea bien, sino porque es una forma de transportar el agua desde las raíces hasta las hojas. Tampoco quieren depender de una sola pajita, por así decirlo. Si se sella una pajita en la parte inferior, se apretará. Lo mismo pasaría con los vasos de la planta. Por lo tanto, usan un 'abrigo de cebra' en su lugar.

Células del xilema

Las plantas y los árboles absorben agua del suelo a través de las raíces y la transportan a través de un sistema vascular. Este llamado xilema es una red de contenedores de pared celular tubular que están formados por células vivas del xilema durante el crecimiento de la planta. Antes de su muerte, las células organizan activamente la deposición de una pared excepcionalmente fuerte, la llamada pared secundaria, en patrones inusuales de bandas y espirales. Después de eso, las células se disuelven y abandonan su interior, y lignifican las paredes para proporcionar aún más fuerza, resistencia e impermeabilidad a estas estructuras. Debido a esto, las células del xilema proporcionan tanto un sistema de transporte de agua eficiente como la estabilidad de plantas y árboles.

Citoesqueleto

El principal componente de carga de las paredes del xilema es la celulosa. Para permitir que la celulosa forme estos patrones de bandas visualmente impresionantes, necesita la ayuda de varias proteínas. Estos incluyen los llamados microtúbulos, pequeñas estructuras proteicas tubulares que forman parte del citoesqueleto, que proporcionan las 'pistas' moleculares para la maquinaria de producción de la pared celular. Esta maquinaria se mueve a lo largo de los microtúbulos como una pavimentadora de asfalto y deposita continuamente material de pared en el exterior de las celdas. Los microtúbulos actúan así como un manual de instrucciones para la síntesis de la pared celular. A pesar de mucha investigación sobre la formación general de las paredes celulares, aún no ha quedado claro cómo se reorganiza el citoesqueleto de microtúbulos en patrones de filigrana durante la formación de la pared secundaria.

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Interruptor genético

"Un problema para dilucidar estos mecanismos es que las células del xilema están enterradas bajo muchas capas celulares. Como resultado, no se pueden observar directamente en el microscopio. Usamos un enfoque genético para hacer que este proceso sea visible bajo el microscopio", explica Kris van. 't Klooster del Laboratorio de Fisiología Vegetal.

Los investigadores utilizaron Arabidopsis thaliana (thale berro), una maleza discreta y una planta modelo para la investigación, y la modificaron de esa manera, de modo que todas sus células pueden ser forzadas a formar xilema y, por lo tanto, paredes celulares secundarias. "Para este propósito, hemos equipado nuestras plantas con un 'interruptor genético'. Esto hace posible activar el mecanismo de desarrollo del xilema desde el exterior de una manera específica. De esa manera, todas las células de la planta se convierten en células del xilema, particularmente las los de la superficie que son fáciles de estudiar con microscopía de alta resolución ”, describe Van 't Klooster. Con este método, es posible por primera vez observar las células del xilema y sus patrones de pared a medida que se desarrollan.

Mapeo del comportamiento de los microtúbulos

Con esta nueva herramienta, los investigadores describen qué procesos impulsan la reordenación de los microtúbulos durante la formación del xilema. Desarrollaron un método automático de imágenes para recopilar datos durante un período de tiempo más largo y vieron, mediante simulaciones por computadora detalladas, que las bandas de microtúbulos y las espirales se forman simultáneamente en toda la superficie celular y el patrón resultante se reorganiza aún más hasta una distribución ordenada de los se logra bandas.

Durante este proceso, los microtúbulos en los espacios entre las bandas se descomponen continuamente a medida que crecen en las bandas. La reorganización en bandas paralelas, espaciadas uniformemente, lleva de una a dos horas y se mantiene durante el tiempo restante.

Todo el proceso de transformación de una célula para convertirse en una célula de xilema adecuada requiere varios días en total. Utilizando sus observaciones en plantas y con la ayuda de simulaciones por computadora, el equipo de científicos también pudo identificar un complejo de proteínas, KATANIN, que resultó estar involucrado en la formación oportuna y ordenada de paredes secundarias.

Adaptación al cambio climático

Con base en estos hallazgos, la investigadora Eva Deinum (Biometris) trabajará con el estudiante de doctorado Bas Jacobs para investigar más a fondo cómo se forman exactamente los patrones de las paredes secundarias en las plantas. Este trabajo no solo es importante para la investigación de plantas, sino que también podría contribuir a la adaptación de las plantas al clima futuro, ya que la supervivencia de los árboles en un clima cambiante depende en gran medida de la capacidad de adaptación de los vasos del xilema.

La identificación de proteínas y genes asociados que adaptan el sistema vascular a las condiciones ambientales podría ayudar a identificar o incluso diseñar genéticamente especies de plantas más resistentes al clima.

Traducido del inglés.

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