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Cuando las raíces de las plantas aprendieron a seguir la gravedad


Las plantas de semillas altamente desarrolladas desarrollaron sistemas de raíces profundas que son capaces de sentir la gravedad de la Tierra. Hasta ahora, el cómo y el momento de este paso evolutivo permaneció desconocido.


por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria


Los biólogos de plantas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (IST Austria) han identificado componentes y procesos cruciales que solo se desarrollaron en plantas de semillas hace unos 350 millones de años para permitir un crecimiento rápido y eficiente de las raíces impulsado por la gravedad. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Communications .

Uno de los eventos más importantes en la historia evolutiva ocurrió hace unos 500 millones de años con la propagación de la vida vegetal del agua a la tierra. Para que las plantas prosperen en este nuevo entorno, los sistemas de raíces tuvieron que evolucionar para crecer hacia abajo, siguiendo la gravedad con dos propósitos principales: anclarse en el suelo y proporcionar una fuente de agua y nutrientes para el crecimiento de las partes de la planta sobre el suelo. Este mecanismo, llamado gravitropismo, ha sido ampliamente estudiado en plantas con flores como Arabidopsis thaliana. Sin embargo, nunca se ha comparado sistemáticamente en todo el reino vegetal , y su origen evolutivo sigue siendo un misterio.

Abajo, abajo, abajo, pero a diferente velocidad

Ahora, Yuzhou Zhang, postdoctorado en el grupo del profesor Jirí Friml, y su equipo han obtenido una visión más amplia de cómo y cuándo evolucionó el gravitropismo radical . Los investigadores seleccionaron múltiples especies de plantas que representan los linajes de musgos, lycophytes (clubmosses y firmosses), helechos, gimnospermas (coníferas) y plantas con flores y dejaron que sus raíces crecieran horizontalmente para observar si comenzaron a doblarse hacia abajo para seguir la gravedad. El resultado: el crecimiento de la raíz impulsado por la gravedad resultó ser muy rudimentario y lento en las plantas terrestres más primitivas (musgos), así como en las plantas vasculares basales (lycophytes y helechos). Solo las plantas de semillas (gimnospermas y plantas con flores), que aparecieron por primera vez hace unos 350 millones de años, mostraron una forma de gravitropismo más rápida y, por lo tanto, más eficiente.

El poder del almidón.

Pero, ¿qué paso evolutivo permitió este gravitropismo radical rápido y eficiente en las plantas de semillas? Mediante el análisis de las distintas fases del gravitropismo (percepción de la gravedad, la transmisión de la señal gravitrópica y, en última instancia, la propia respuesta de crecimiento), los investigadores encontraron dos componentes cruciales, que evolucionaron de la mano. El primero resultó ser una característica anatómica: los orgánulos vegetales llamados amiloplastos, densamente llenos de gránulos de almidón, sedimentan en respuesta a la gravedad y de esta manera funcionan como sensores de gravedad. Sin embargo, este proceso de sedimentación solo se observó en las gimnospermas y las plantas con flores, y los amiloplastos terminaron altamente concentrados en el fondo de la punta de la raíz. Por el contrario, en plantas anteriores, los amiloplastos permanecieron distribuidos aleatoriamente dentro y por encima de la punta de la raíz, por lo que no funcionaban como sensores de gravedad como era el caso en las plantas de semillas.

Distribución específica de amiloplastos rellenos de gránulos de almidón (puntos negros) en la raíz del helecho C. richardii (izquierda) y la semilla y la planta con flores A. thaliana (derecha). En el helecho, los amiloplastos están presentes tanto arriba como dentro de la punta de la raíz, mientras que en la gimnosperma y otras plantas de semillas se sedimentan por completo para reunirse en el fondo de la punta de la raíz. Crédito: © IST Austria – Yuzhou Zhang / Friml Group

Un código PIN especial para auxina

Después de la percepción a través de los amiloplastos, la señal de gravedad se transmite aún más de célula a célula por la hormona de crecimiento auxina. En experimentos genéticos , los investigadores identificaron una molécula transportadora específica en la planta modelo Arabidopsis thaliana, PIN2, que dirige el flujo de auxina y, por lo tanto, el crecimiento de la raíz . Si bien casi todas las plantas verdes contienen proteínas PIN, solo la molécula PIN2 específica en las plantas con semillas se reúne en el lado de las células epidérmicas de la raíz. Esta localización específica, exclusiva de las plantas de semillas, conduce a la polarización de las células transportadoras, lo que, a su vez, permite que la raíz transporte la auxina hacia el brote y, por lo tanto, la señalización basada en la auxina se desvíe del lugar de la percepción de la gravedad a la zona. de regulación del crecimiento.

Evolución de las plantas terrestres (gráfico simplificado). Crédito: (C) IST Austria

Plantas como maestros para la humanidad

Con estos dos componentes anatómicos y funcionales identificados, los autores han obtenido información valiosa sobre la evolución del gravitropismo de las raíces, que es una de las adaptaciones cruciales de las plantas de semillas a la tierra. Pero incluso las implicaciones prácticas de estos hallazgos son concebibles: «Ahora que hemos comenzado a comprender qué necesitan las plantas para crecer anclaje estable para alcanzar nutrientes y agua en las capas profundas del suelo, eventualmente podremos encontrar formas de mejorar el crecimiento de cultivos y otras plantas en áreas muy áridas «, dice Zhang, quien se unió al IST Austria en 2016. Agrega:» La naturaleza es mucho más inteligente que nosotros; hay mucho que podemos aprender de las plantas que eventualmente pueden ser de utilidad. beneficio para nosotros «.


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