Blueprint revela cómo las plantas construyen un carril de transporte de azúcar


Se ha descubierto que una pequeña región en la punta de la raíz es responsable de orquestar el crecimiento y desarrollo de la compleja red de tejidos vasculares que transportan los azúcares a través de las raíces de las plantas.


por la Universidad de Cambridge


En un artículo publicado en Science today, un equipo internacional de científicos presenta un plano detallado de cómo las plantas construyen las células del floema , el tejido responsable de transportar y acumular azúcares y almidón en las partes de la planta que cosechamos (semillas, frutos y tubérculos de almacenamiento). ) para alimentar a gran parte del mundo.

Esta investigación fundamental revela cómo las señales globales en los meristemas de las raíces coordinan distintas fases de maduración del tejido del floema.

El floema es un tejido vascular altamente especializado que forma una red interconectada de hebras continuas en todo el cuerpo de una planta. Transporta azúcares, nutrientes y una variedad de moléculas de señalización entre hojas, raíces, flores y frutos.

Como resultado, el floema es fundamental para la función de la planta. Comprender cómo se inicia y se desarrolla la red del floema es importante para futuras aplicaciones en la agricultura, la silvicultura y la biotecnología, ya que podría revelar cómo transportar mejor esta energía azucarera a donde se necesita.

Blueprint revela cómo las plantas construyen un carril de transporte de azúcar
Fig 1. Punta de la raíz de Arabidopsis que muestra la posición de las células del floema que se extienden a lo largo de la raíz. Crédito: Pawel Roszak

¿Cómo construyen las plantas un carril de azúcar en una carretera de varios carriles?

Las raíces de las plantas continúan creciendo a lo largo de la vida de una planta. Este fenómeno, conocido como crecimiento indeterminado, significa que las raíces se alargan continuamente a medida que agregan nuevos tejidos a la punta de la raíz, como si se construyera una carretera sin fin. Un archivo continuo de células de floema especializadas que se extienden a lo largo de las raíces (análogo a un carril en una carretera) entrega el nutriente primario, sacarosa, a las partes de la planta donde se necesita para el crecimiento. Para cumplir con esta función vital, el tejido del floema debe desarrollarse y madurar rápidamente para que pueda suministrar azúcares a los tejidos circundantes, similar a la construcción de un carril de servicio que debe completarse en la primera etapa de la construcción de una carretera de varios carriles.

Blueprint revela cómo las plantas construyen un carril de transporte de azúcar
Fig 2. Desarrollo del floema a resolución unicelular. Crédito: Pawel Roszak

El problema que ha desconcertado durante mucho tiempo a los científicos de plantas es cómo un solo gradiente instructivo de proteínas puede organizar las fases de construcción en todos los diferentes archivos de células especializadas (carriles de autopista) que están presentes en las raíces. Cómo un tipo de célula lee el mismo gradiente que sus vecinas, pero lo interpreta de manera diferente para organizar su propio desarrollo especializado es una cuestión que los científicos de plantas han estado trabajando para resolver.

Durante los últimos 15 años, los investigadores de los equipos de Yrjö Helariutta en la Universidad de Cambridge y la Universidad de Helsinkihan descubierto el papel central de la comunicación de célula a célula y los complejos mecanismos de retroalimentación implicados en el patrón vascular. Esta nueva investigación, realizada con colaboradores de la Universidad de Nueva York y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, revela cómo este carril único de células de floema se construye independientemente de las células circundantes.

El grupo de Sainsbury / Helsinki diseccionó cada paso en la construcción del archivo de células de floema (la línea de transporte de azúcar) en la planta modelo Arabidopsis thaliana utilizando RNA-seq de una sola célula e imágenes en vivo. Su trabajo mostró cómo las proteínas que controlan el amplio gradiente de maduración de la raíz interactúan con la maquinaria genética que controla específicamente el desarrollo del floema.

Este es un mecanismo que parece ayudar al archivo de células del floema a acelerar la maduración utilizando su propia maquinaria para interpretar las señales de maduración. El Dr. Pawel Roszak, coautor del estudio e investigador del Laboratorio Sainsbury de la Universidad de Cambridge (SLCU), explica: «Hemos demostrado cómo las señales globales en el meristemo de la raíz interactúan con los factores específicos del tipo de célula para determinar las distintas fases de desarrollo del floema en la resolución celular. El uso de la clasificación celular seguida de una secuenciación unicelular profunda y de alta resolución de la red reguladora de genes subyacente reveló un mecanismo de «vaivén» de represión genética recíproca que desencadena transiciones rápidas del desarrollo «.

El grupo también mostró cómo el desarrollo del floema se desarrolla a lo largo del tiempo, con programas genéticos tempranos que inhiben los programas genéticos tardíos y viceversa, al igual que los equipos de trabajo de colocación de asfalto entregan la construcción a los pintores de carriles en las últimas etapas de la construcción de la carretera. Además, mostraron cómo los primeros reguladores del floema instruían a genes específicos para dividir las células del floema en dos subtipos diferentes, como la construcción de una bifurcación en la carretera que conduce a dos destinos separados.

El co-líder del trabajo, el profesor Yrjö Helariutta, dijo que la reconstrucción de sus equipos de los pasos desde el nacimiento hasta la diferenciación terminal del protofloema en la raíz de Arabidopsis expuso los pasos. Helariutta dijo: «Para el desarrollo del floema se requieren gradientes de maduración amplios que interactúen con reguladores transcripcionales específicos del tipo celular para estadificar la diferenciación celular».

«Al combinar la transcriptómica unicelular con imágenes en vivo, aquí hemos mapeado los eventos celulares desde el nacimiento de la célula del floema hasta su diferenciación terminal en células del elemento tamiz del floema. Esto nos permitió descubrir mecanismos genéticos que coordinan la maduración celular y conectan el tiempo de la cascada genética a los reguladores maestros ampliamente expresados ​​de la maduración del meristemo. El momento preciso de los mecanismos de desarrollo fue fundamental para el desarrollo adecuado del floema, con aparentes mecanismos «a prueba de fallas» para garantizar las transiciones «.

Los investigadores planean explorar más a fondo la evolución de estos mecanismos y si estos pasos se replican en otras regiones de plantas y otras especies de plantas.



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