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Desentrañar los receptores desconocidos y el mecanismo de fertilización en las plantas

Desentrañar los receptores desconocidos y el mecanismo de fertilización en las plantas
Figura 1. Crecimiento y guía del tubo polínico por el péptido LURE en Arabidopsis.

Los tubos polínicos son atraídos por péptidos LURE, que se producen a partir de óvulos, para provocar la fertilización. 


por la Universidad de Nagoya


En su informe reciente publicado en Nature , un par de biólogos de plantas de la Universidad de Nagoya ha revelado por primera vez el receptor en los tubos polínicos que se requiere para detectar LURE. Descubrir este mecanismo desconocido en la fertilización de las plantas puede conducir a una mejora en la eficiencia del crecimiento del tubo polínico, lo que puede resultar en una mayor tasa de éxito de la fertilización. Además, este estudio también puede generar nuevos métodos para permitir la fertilización cruzada entre diferentes especies de plantas para generar nuevos cultivos.

Nagoya, Japón – El Dr. Hidenori Takeuchi y el profesor Tetsuya Higashiyama del Proyecto JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics y el Instituto de Bio-Moléculas Transformadoras (ITbM) de la Universidad de Nagoya han logrado descubrir un receptor de quinasa clave en los tubos polínicos (macho ) de las plantas con flores responsables de permitir que los tubos polínicos lleguen con precisión al óvulo (hembra) para permitir una fertilización exitosa, sin perder el rumbo.

Los tubos polínicos crecen dentro del pistilo y entregan sus espermatozoides a los óvulos, que se encuentran en el interior del pistilo, para provocar la fertilización. El grupo de Higashiyama ha descubierto previamente un péptido atrayente del tubo polínico, llamado LURE, que es producido por el óvulo para guiar el tubo polínico hacia el óvulo. Los estudios han demostrado que la estructura de LURE difiere para cada especie de planta y es específica para el tubo polínico de cada planta; es decir, cada péptido LURE atrae preferentemente el tubo polínico de la misma especie vegetal. Sin embargo, el mecanismo exacto de cómo los tubos polínicos detectan LURE no se conocía hasta ahora.

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Figura 2. Comparación del tubo polínico de tipo salvaje atraído por LURE y el tubo polínico mutante prk6 no atraído por LURE

En este estudio, publicado en línea el 10 de marzo de 2016 en la revista Nature , Takeuchi e Higashiyama han descubierto un receptor necesario para la detección de LURE en la punta del tubo polínico de la planta modelo, Arabidopsis thaliana (berro thale). También encontraron que este receptor trabaja con múltiples receptores que tienen una estructura similar, para detectar con precisión las señales transmitidas desde el pistilo. Al aceptar las diversas señales enviadas desde el pistilo, los receptores de quinasa permiten que los tubos polínicos crezcan hasta una posición dentro del pistilo donde puedan detectar SEÑUELO. Posteriormente, los tubos polínicos se guían para llegar al óvulo y pasar sus espermatozoides para la fertilización.

«Creemos que este estudio avanza nuestra comprensión sobre el mecanismo de fertilización entre especies de plantas», dice Takeuchi, un investigador postdoctoral, actualmente en el Instituto Gregor Mendel en Austria, que llevó a cabo este estudio. «Tras investigar el papel de este receptor con más detalle, esperamos que esto conduzca al desarrollo de técnicas para alterar la tasa de éxito en la fertilización y mejorar la eficiencia de la producción de semillas, así como establecer métodos que permitan la fertilización entre diferentes especies, «, dice Higashiyama, líder del proyecto ERATO y profesor / subdirector de ITbM, Universidad de Nagoya.

El arroz y la soja que comemos a diario son semillas de plantas y muchas verduras se desarrollan a partir de semillas. Para que las plantas produzcan semillas, es necesario que los órganos reproductores masculinos y femeninos de las plantas se encuentren y fertilicen. El órgano masculino de las plantas con flores se compone de polen y los espermatozoides que contiene. El polen se convierte en un tubo polínico, que es una sola célula con estructura tubular. La punta del tubo polínico (antera) se extiende y crece hacia el pistilo. El tubo polínico finalmente alcanza el óvulo en lo profundo del pistilo y pasa el espermatozoide al óvulo para provocar la fertilización.

El hecho de que los tubos polínicos puedan encontrar con precisión los óvulos sin perder el rumbo puede ser el elemento clave que respalda nuestro suministro de alimentos. El encuentro de los órganos masculinos y femeninos en las plantas es un evento extremadamente místico e importante, pero su mecanismo exacto aún está lleno de misterio.

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Figura 3. Cambio en la localización de PRK6 tras la respuesta a LURE.

En 2009, Higashiyama y sus colegas descubrieron que una célula sinérgica, que se encuentra junto al óvulo , produce moléculas llamadas LUREs que atraen los tubos polínicos en las plantas de Torenia. También descubrieron péptidos LURE similares en Arabidopsis thaliana en 2012.

«Descubrimos que la estructura de LURE difiere según la especie de planta, y que LURE de una planta específica atrae los tubos polínicos de la misma especie, lo que preserva la fertilización entre la misma especie», describe Higashiyama. «Por lo tanto, LURE ha sido identificado como el factor clave producido por el órgano femenino para atraer al órgano masculino en las plantas».

Sin embargo, se desconoce el mecanismo sobre cómo los tubos polínicos pueden detectar el SEÑUELO, cómo los tubos polínicos crecen hasta una posición dentro del pistilo donde pueden detectar el SEÑUELO, y los factores detrás del crecimiento y las respuestas de los tubos polínicos. El equipo de Higashiyama decidió investigar estas preguntas tratando de descubrir los factores clave en los tubos polínicos que le permiten detectar LURE.

«Al utilizar Arabidopsis thaliana como modelo, planteamos la hipótesis de que los 23 receptores de quinasa localizados específicamente en la superficie de la membrana de los tubos polínicos podrían ser candidatos necesarios para detectar LURE», dice Takeuchi. «Realicé bioensayos de los tubos polínicos desactivando la función de cada receptor de quinasa y descubrí que el receptor PRK6 era esencial para detectar LURE».

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Figura 4. Inserción del gen PRK6 de Arabidopsis thaliana en Capsella rubella.

Para PRK6, existen en realidad múltiples familias de receptores que tienen una secuencia de aminoácidos similar. Al desactivar la función de otros receptores PRK, Takeuchi y Higashiyama encontraron que la pérdida de varias combinaciones de receptores PRK conducía a reducciones en las respuestas de los tubos polínicos a LURE o dificultaba el crecimiento del tubo polínico. Esto coincide con informes anteriores de que el crecimiento de los tubos polínicos es inducido por el receptor PRK que responde a las señales enviadas desde el pistilo. Por lo tanto, el equipo descubrió que PRK6 y sus otros receptores PRK trabajan juntos para detectar LURE y permiten que los tubos polínicos crezcan hasta una posición dentro de un pistilo donde pueden detectar LURE.

Takeuchi luego estudió cómo PRK6 envía señales dentro de las células del tubo polínico para comprender cómo responde a LURE. «Cuando el tubo polínico crece en una dirección recta, PRK6 se distribuye por igual a través de la membrana celular», explica Takeuchi. «Utilicé PRK6 con etiqueta fluorescente y, al agregar LURE al tubo polínico, observé que PRK6 se mueve hacia el área de la membrana celular en la punta del tubo polínico que mira hacia LURE. El tubo polínico cambia de dirección y comienza a crecer hacia SEÑUELO.» A partir de estos resultados, el equipo demostró que PRK6 recopila los factores necesarios para el crecimiento del tubo polínico en la dirección de LURE.

«Aunque se considera que la atracción de los tubos polínicos ocurre preferentemente entre la misma especie, queríamos ver si podemos hacer que ocurra entre diferentes especies», dice Higashiyama. Tras el tratamiento de LURE de Arabidopsis thaliana en un tubo polínico de una planta de Capsella rubella (bolsa de pastor rosa), que pertenece a la misma familia de Brassicaceae (Cruciferae) que Arabidopsis thaliana, no se observó respuesta a LURE.

«Curiosamente, cuando insertamos el gen PRK6 de Arabidopsis thaliana en el tubo polínico de Capsella rubella, respondió al SEÑUELO de Arabidopsis thaliana», dice Takeuchi. «Estos datos muestran que el receptor PRK6 en el tubo polínico es sin duda el factor clave para detectar SEÑUELO de la misma especie. También estábamos muy emocionados de ver que la atracción del tubo polínico se producía entre un tubo polínico y un SEÑUELO de una especie diferente», dice. Takeuchi y Higashiyama.

La generación de semillas a través de la fertilización del pistilo por el estambre se conoce desde hace más de 2000 años y es un mecanismo extremadamente importante en la agricultura. Además, el hecho de que los tubos polínicos sean atraídos por el órgano pistilo se descubrió hace más de 100 años. Desde el descubrimiento de la molécula atrayente LURE, se ha buscado la divulgación del mecanismo de respuesta a la proteína. Este estudio revela que el receptor PRK6 en los tubos polínicos es el principal factor de detección y crecimiento hacia LURE.

«Mediante una mayor investigación sobre la familia de receptores PRK, esperamos revelar el mecanismo completo de fertilización que se produce a través del crecimiento de los tubos polínicos y la detección de LURE», dicen Takeuchi e Higashiyama.

«También encontramos en nuestros estudios que la inserción de un gen del receptor PRK6 permite la atracción del tubo polínico de una especie diferente», dice Higashiyama. «Esto puede tener potencial para desarrollar nuevos métodos para permitir la fertilización entre diferentes especies. Al explorar moléculas que se dirigen a los receptores PRK, esto puede conducir a la producción de agroquímicos que pueden mejorar la producción de semillas al aumentar la tasa de fertilización. También prevemos que este estudio desencadenar nuevas investigaciones que permitan la fertilización entre diferentes especies para crear especies vegetales nuevas y útiles que puedan contribuir a un suministro de alimentos sostenible ”, continúa.


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