Las fosas vasculares del xilema son pequeñas aberturas en la pared celular de las células conductoras de agua; la geometría de las fosas influye en el rendimiento del cultivo a través de su efecto sobre la hidráulica de la planta y el transporte de nitrógeno.
por Zhang Nannan, Academia China de Ciencias
Investigadores del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia China de Ciencias han revelado la ultraestructura tridimensional (3D) completa de las fosas de los vasos del xilema en el arroz e identificaron un módulo regulador crítico, MYB61-PS1, que da forma a la estructura 3D de las fosas en el arroz.
Los hallazgos, publicados en Cell el 14 de octubre, demuestran que la geometría 3D de las punteaduras vasculares se controla con precisión mediante la desacetilación del xilano alrededor de los bordes de las punteaduras, mediada por el módulo molecular MYB61-PS1. A su vez, la geometría optimizada mejora el rendimiento al mantener la hidráulica del vaso y facilitar el transporte de nitrógeno.
Mediante microscopía electrónica de barrido, los investigadores, dirigidos por los profesores Zhang Baocai y Zhou Yihua, investigaron las variaciones de las punteaduras vasculares en accesiones de núcleos de arroz, descubriendo una amplia variación en el tamaño de las punteaduras. El análisis de asociación de todo el genoma identificó a PS1 como el principal gen del locus de rasgos cuantitativos (QTL) que controla el tamaño de las punteaduras. PS1 codifica una xilano desacetilasa, y su función en el control del tamaño de las punteaduras y la hidráulica del xilema ha sido validada genéticamente.
Para aclarar los detalles estructurales de las punteaduras formadas por los alelos PS1, los investigadores aplicaron microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocado para reconstruir la estructura tridimensional completa de las punteaduras a escala nanométrica, revelando una curvatura compleja de la estructura de la cavidad de la punteadura. Además, se identificó la parte más estrecha (abertura de la punteadura) como un determinante de la hidráulica del xilema. Cabe destacar que descubrieron que PS1 Hap2 (haplotipo 2) genera aberturas de punteadura más pequeñas en comparación con PS1Hap1 (haplotipo 1), lo que resulta en una mayor eficiencia del transporte xilemático.
Para dilucidar la función biológica de PS1, los investigadores desarrollaron un sistema de detección rápida para obtener anticuerpos capaces de distinguir diferentes estados de acetilación de xilano in situ y descubrieron que los xilanos agrupados en los bordes de los hoyos están poco acetilados, lo que fue corroborado por microscopía de súper resolución y análisis in situ sin etiquetas de microscopía Raman estimulada de alta resolución.
Los ensayos seriados mostraron que PS1 Hap2 exhibe una actividad desacetilasa más intensa que PS1 Hap1 debido a una variación de aminoácido (V163A). Las proteínas PS1 Hap2 producen xilanos con menor nivel de acetilación, que se unen a la celulosa con mayor afinidad, facilitando así el empaquetamiento de las nanofibras celulósicas en los bordes de las punteaduras para formar punteaduras con aberturas más pequeñas.
Ensayos posteriores de tratamiento con nitrógeno revelaron que las plantas de arroz que albergaban PS1 Hap2 mostraron una eficiencia de transporte de nitrógeno significativamente mejorada, lo que resultó en un mayor rendimiento de grano en diferentes condiciones de nitrógeno. Por lo tanto, PS1 Hap2 es un haplotipo de élite. El análisis de la red haplotípica reveló una divergencia evidente en PS1 entre las dos principales subespecies de arroz, índica y japónica. Hap2 se ha utilizado cada vez más en las variedades índica modernas, pero rara vez en el mejoramiento de cultivares japónica.La conformación de las fosas vasculares contribuye al transporte del xilema y al rendimiento del grano en el arroz. Crédito: IGDB
Además, la introducción genética de PS1 Hap2 en las dos variedades de japonica, Wuyujing 3 y Wumijing, resultó en un aumento significativo en el rendimiento del grano, lo que indica su gran potencial en el mejoramiento.
Inesperadamente, los investigadores descubrieron que el nitrógeno regula el tamaño de las fosas a través de PS1 bajo el control de MYB61, un gen QTL de eficiencia en la utilización del nitrógeno. La piramidación de ambos alelos élite puede optimizar aún más la geometría de las fosas y, por lo tanto, aumentar significativamente el rendimiento de grano en el arroz.
Este estudio ha identificado a PS1 como el primer gen QTL que controla el tamaño de las punteaduras en los vasos xilemáticos y ha revelado el mecanismo molecular mediante el cual PS1 desacetila los xilanos destinados a los bordes de las punteaduras para orquestar la reticulación celulosa-xilano y el ensamblaje de nanofibras, moldeando así las punteaduras y, en consecuencia, regulando el transporte xilemático y el rendimiento de grano en el arroz. También inspira nuevas ideas sobre cómo las moléculas de señalización regulan la plasticidad de la estructura celular de los vasos.
Los hallazgos proporcionan una estrategia de investigación multiescala, que abarca niveles moleculares desde genes hasta macromoléculas de polisacáridos, desde la ultraestructura subcelular hasta células y tejidos, y en última instancia plantas enteras, facilitando así la innovación tecnológica para la agricultura sostenible.
Más información: Lanjun Zhang et al., La conformación de la estructura de las fosas en las paredes de los vasos sustenta la hidráulica del xilema y el rendimiento de grano, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.09.018
Nota editorial:
Este artículo ha sido elaborado con fines divulgativos a partir de información pública y fuentes especializadas, adaptado al enfoque editorial del medio para facilitar su comprensión y contextualización.
