Los investigadores Albert Cairó y Karel Riha del Instituto Tecnológico de Europa Central (CEITEC) y sus colegas han descubierto un mecanismo previamente desconocido que es responsable de reprogramar la expresión génica en las plantas durante el período de transición cuando una célula se diferencia en otra.
por la Universidad de Masaryk
El mecanismo ocurre al final de la meiosis, una división celular especializada esencial para la reproducción sexual, y permite la diferenciación de las células germinales y el polen. Este mecanismo implica la localización dinámica de componentes reguladores clave en condensados intracelulares que se asemejan a gotas de líquido. Este proceso está íntimamente ligado a la producción de semillas y podría abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de cultivos más sostenibles y adaptados a condiciones ambientales más duras.
Las celdas no son entidades estáticas, sino que se transforman de un tipo a otro. La activación de un conjunto particular de genes dicta cómo las células se especializan en realizar tareas específicas y determina cuándo se dividen o cuándo se diferencian. Los biólogos celulares combinan varios métodos científicos avanzados para estudiar esos procesos tan complejos en el micromundo de las plantas. La biología celular vive actualmente una verdadera revolución, y la visión clásica de la organización celular se está expandiendo a nuevos horizontes.
“Ahora sabemos que la célula no solo contiene orgánulos tradicionales delineados por una membrana, sino que muchos procesos moleculares están confinados dentro de orgánulos sin membrana menos definidos, también llamados condensados biomoleculares (biocondensados). Durante los últimos diez años, la importancia de estos los biocondensados ha comenzado a ser reconocido. Ahora contribuimos a este campo mostrando cómo un tipo específico de biocondensado se forma al final de la meiosis e inhibe la síntesis de proteínas”, explica Albert Cairó, primer autor de esta investigación.
“Esto, por un lado, pone fin a los procesos meióticos, pero por otro, marca el inicio de una generación de células genéticamente diferente”, añade Cairó. Pero esto no es todo. El equipo de investigación cree que mecanismos análogos también actúan en otros organismos y entornos celulares, incluida la diferenciación celular o las respuestas al estrés.
El descubrimiento realizado por los miembros del laboratorio del autor correspondiente y líder del grupo de investigación Karel Riha podría tener un enorme impacto social. “Vivimos en un estado de emergencia climática. Aunque las plantas pueden luchar contra una gran variedad de factores estresantes, incluidas las altas temperaturas y la sequía, su desarrollo y reproducción pueden verse gravemente afectados. Esto significa que corremos el riesgo de una reducción drástica de la cosecha. rendimiento, justo cuando se debe aumentar el rendimiento para satisfacer las necesidades humanas. Y es por eso que la investigación de plantas ahora debe ser una de las prioridades”, explica Riha.
La misión principal del laboratorio es arrojar luz sobre los procesos biológicos fundamentales estrechamente relacionados con la reproducción de las plantas y la formación de semillas, lo que en muchos cultivos se traduce en rendimiento.
“Los resultados de la investigación muestran que los condensados biomoleculares juegan un papel importante en la fertilidad de las plantas , y su comportamiento probablemente esté relacionado con el estrés ambiental. Por lo tanto, es obvio que nuestro descubrimiento es el primer paso para desarrollar nuevas soluciones que den como resultado una producción agrícola sostenida en condiciones más duras. ” explica Albert Cairó. “Los enfoques técnicos que el equipo tuvo que realizar son realmente admirables, y la publicación de esta investigación en Science confirma que el laboratorio de Riha va en la dirección correcta”.
El camino al descubrimiento
Estudiar la meiosis en la planta modelo Arabidopsis thaliana es particularmente desafiante. El equipo de investigación se centró en células extraordinarias y raras ocultas en pequeños botones florales de 0,1-0,4 mm. Además, las etapas de división meiótica que son el foco del estudio ocurren rápidamente: todo el proceso lleva de cinco a seis horas. Por lo tanto, no son fáciles de capturar. El equipo de investigación debe utilizar tecnologías de punta y una porción significativa de creatividad e imaginación para investigar este proceso.
El equipo de Riha tuvo que establecer las condiciones para obtener imágenes en vivo de la división meiótica dentro de la antera (la parte del estambre que contiene el polen). El equipo utilizó microscopía avanzada y se convirtió en uno de los dos laboratorios del mundo que pudo observar la meiosis de las plantas en vivo. Otra experiencia esencial que adquirió el equipo fue el dominio de la tecnología de protoplastos. Los protoplastos son células vegetales aisladas a las que se les ha privado de la pared celular que las rodea, lo que las hace fáciles de manipular genéticamente y visualizar bajo el microscopio. Esta tecnología permitió al equipo dilucidar algunos problemas de manera más rápida y eficiente que con el uso de células meióticas.
Anna Vargova contribuyó significativamente a comprender el mecanismo complejo recién descrito. Pavlina Mikulkova aportó su experiencia y prestó su mano mágica durante la obtención de imágenes de células vivas de la meiosis utilizando el microscopio Lightsheet. El equipo de investigación contó con el apoyo del núcleo CELLIM del CEITEC y del núcleo de Ciencias Vegetales. La investigación llevó más de ocho años y fue financiada por el proyecto de subvención REMAP del Ministerio de Educación de la República Checa, Juventud y Deportes.
“Sería extremadamente difícil desarrollar un proyecto tan complejo sin la financiación a largo plazo que teníamos. De hecho, en un momento, sentimos que nuestro límite era solo nuestra imaginación, y creo que esto fue crucial para nuestro objetivo de largo alcance”. descubrimiento”, dice Albert Cairó.
Curiosamente, este proyecto no contó con ninguna colaboración externa, lo cual es inusual para institutos de investigación internacionales como CEITEC. En este caso, el equipo de investigación estaba entrando en una dirección completamente nueva y la investigación fue concluida exclusivamente por los miembros del grupo de investigación de Karel Riha.
Más información: Albert Cairo et al, La salida meiótica en Arabidopsis está impulsada por la inhibición de la traducción mediada por cuerpos P, Science (2022). DOI: 10.1126/ciencia.abo0904 .
www.science.org/doi/10.1126/science.abo0904
