Las plantas han desarrollado numerosas estrategias para esparcir sus semillas ampliamente. Algunos esparcen sus semillas al viento, mientras que otros tientan a los animales y pájaros para que coman sus frutos llenos de semillas.
por la Sociedad Max Planck
Y algunas plantas raras, como el berro cardamine hirsuta, han desarrollado vainas de semillas explosivas que impulsan sus semillas en todas direcciones. En su nuevo estudio publicado en PNAS , Angela Hay y sus colegas, del Instituto Max Planck para la Investigación de Fitomejoramiento en Colonia, Alemania, investigan qué genes controlan la estructura mecánica de estas vainas de semillas que explotan.
Sus hallazgos muestran que un micronutriente clave, el cobre, es esencial para establecer un patrón preciso de lignina en las vainas de las semillas . La lignina es un polímero vegetal abundante que se encuentra en la lignocelulosa, el principal material estructural de las plantas . Está presente en las paredes de las células vegetales y es responsable de endurecer la madera.
Las vainas de semillas de C. hirsuta constan de dos válvulas largas. Cuando las semillas están listas para la dispersión, estas válvulas se separan rápidamente y se enrollan hacia atrás, disparando semillas a través de un área grande. El secreto de la naturaleza explosiva de estas cápsulas es su diseño mecánico único, que presenta tres varillas rígidas de lignina conectadas por bisagras. Estas bisagras son cruciales para la liberación explosiva de energía potencial almacenada en la cápsula. Para crear estas estructuras articuladas, la lignina se deposita en un patrón preciso en una sola capa de células de la vaina de la semilla, llamada endocarpio b.
Como explica Hay, «el diseño mecánico que permite que estas cápsulas exploten depende de que la lignina se deposite en un patrón preciso en esta única capa de células. Sabemos poco sobre qué controla este patrón de depósito de lignina, por lo que nos dispusimos a identificar los genes que controlan este proceso. Encontramos tres genes que se requieren para lignificar la pared celular en las vainas de semillas que explotan. Estos genes codifican enzimas, llamadas lacasas, que polimerizan la lignina. Cuando las plantas de C. hirsuta carecen de los tres genes de lacasa, también carecen de lignina en este tipo de célula específico».
El equipo de investigación también descubrió otro gen, llamado SPL7, necesario para la lignificación de las vainas de semillas de C. hirsuta. Este gen codifica una proteína que regula los niveles de cobre en las plantas. Los investigadores descubrieron SPL7 en una pantalla mutante. Las plantas mutantes que carecen de este gen, también carecen de lignina en las paredes celulares del endocarpio. Sin lignina, ya no podían dispersar ampliamente sus semillas. Estos efectos se revirtieron cuando las plantas mutantes SPL7 se cultivaron en suelos con altos niveles de cobre, pero no cuando se cultivaron en suelos con bajos niveles de cobre. Por lo tanto, SPL7 ayuda a las plantas de C. hirsuta a adquirir suficiente cobre para desarrollar vainas de semillas completamente explosivas, especialmente cuando los niveles de cobre son bajos.
Pero, ¿cómo afecta el cobre a la estructura mecánica de estas vainas de semillas que explotan?
Curiosamente, las lacasas son proteínas de unión al cobre que dependen del cobre para su función. «El vínculo entre estos dos hallazgos es el cobre», dice Hay. «Las plantas necesitan SPL7 para hacer frente cuando hay muy poco cobre en el suelo, y las lacasas necesitan unirse al cobre para su actividad enzimática. Dado que la lignina es fundamental para la mecánica de la explosión de las vainas de las semillas, y las lacasas que requieren cobre regulan esta lignificación, esto hace que las semillas dispersión dependiente del control de los niveles de cobre por SPL7».
Estos hallazgos proporcionan nuevos e importantes conocimientos sobre los genes y los procesos celulares que generan estas extraordinarias estructuras explosivas. También arrojan nueva luz sobre el papel del cobre en este proceso y sobre el proceso de lignificación en sí, que sigue siendo poco conocido. Una razón de esto es que grandes familias de genes están involucradas en la polimerización de la lignina en las paredes celulares de las plantas. Por lo tanto, determinar cómo está involucrado cada gen es un desafío, pero podría abordarse utilizando los enfoques informados en este estudio, como la edición de genes CRISPR/Cas9 y la expresión génica condicional.
La deficiencia de cobre en el suelo afecta a las plantas y los árboles de muchas maneras diferentes y se aborda mediante el uso de fertilizantes de cobre. Es un problema particular para la silvicultura, ya que los niveles bajos de cobre pueden debilitar los árboles como resultado de una mala lignificación. «Nuestro trabajo establece un vínculo molecular entre el cobre y la lignina a través de SPL7 y lacasas. Estos conocimientos podrían inspirar nuevos enfoques para la gestión forestal sostenible «, explica Hay.
Estos hallazgos también podrían ser importantes para la producción más sostenible de biocombustibles en el futuro. Las paredes celulares lignificadas plantean un desafío para la producción de biocombustibles, ya que son resistentes a la degradación y, por lo tanto, deben descomponerse mediante tratamientos previos costosos y que consumen mucha energía. Hay señala: «Nuestro trabajo identifica tres lacasas que controlan la lignificación en un tipo de célula específico. Comprender el control genético de la polimerización de la lignina en diferentes tipos de células y especies de plantas puede abrir nuevas fronteras en la bioenergía basada en la ingeniería de la pared celular «.
Más información: Miguel Pérez-Antón et al, La dispersión de semillas explosivas depende de SPL7 para asegurar suficiente cobre para la deposición de lignina localizada a través de lacasas,
Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022).
