Por primera vez, los científicos han presentado un atlas completo de la expresión genética en la peridermis, la armadura natural de las plantas, a nivel unicelular.
Se sabe que las plantas permanecen donde están, a merced de amenazas externas como la temperatura, la sequía y las infecciones microbianas. Para compensar su incapacidad para levantarse y moverse cuando surge el peligro, muchas plantas han desarrollado defensas alterando su fisiología, como la creación de una armadura alrededor de partes de sus cuerpos y raíces, llamada peridermo. Sin embargo, debido a que los biólogos vegetales que estudian el desarrollo de tejidos observan principalmente plantas jóvenes, el desarrollo del peridermo en etapas posteriores de la vida permanece relativamente inexplorado.
Investigadores del Instituto Salk han presentado el primer atlas completo de la expresión de genes peridérmicos de plantas a nivel unicelular. El atlas proporciona nueva información sobre los diferentes tipos de células que componen el peridermo y qué genes y procesos biológicos específicos controlan su desarrollo.
Esto incluye información importante sobre las células phelem, que son ricas en suberina, una molécula que ayuda a capturar y almacenar el exceso de carbono de la atmósfera durante largos períodos de tiempo.
Los científicos ahora pueden utilizar esta información para estimular el crecimiento del peridermo protector en plantas que enfrentan estrés ambiental debido al cambio climático. También podrían mejorar los genes de crecimiento de las células phelem, lo que produciría plantas con capacidades mejoradas de captura y almacenamiento de carbono, un objetivo clave de la Iniciativa de Recursos Vegetales del Instituto Salk. Los resultados fueron publicados en la revista Developmental Cell el 9 de enero de 2025.
«Las plantas desempeñan un papel fundamental a la hora de secuestrar carbono de la atmósfera y almacenarlo en el suelo», afirmó el profesor Wolfgang Busch, autor principal del estudio, director de la Iniciativa de Utilización de Plantas y catedrático Hess de Botánica en la Universidad de Salk. – La capa exterior protectora de las raíces de las plantas, llamada peridermo, está formada por muchas células que pueden almacenar carbono en una forma muy duradera. Al crear un mapa detallado de cómo se forman y maduran estas células de la raíz, podemos comprender mejor y potencialmente estimular este proceso para ayudar a las plantas a almacenar más carbono en formas altamente duraderas. De esta manera, podremos crear plantas más resilientes y con raíces más fuertes, lo que también nos ayudará a luchar contra el cambio climático”.
Cuando una planta echa raíces por primera vez, se dedica al crecimiento primario, centrándose en la longitud de las nuevas raíces. Con la madurez, se produce un crecimiento secundario, lo que hace que la atención se centre en engrosar las raíces existentes y crear una armadura peridérmica. Este peridermo protector contiene células de felem, felógeno y felodermo, cada una con sus propias responsabilidades específicas y perfiles genéticos que aún no se han descrito en estudios previos.
De todas estas células peridérmicas, el equipo estaba más interesado en las células phelem debido a su alto contenido de suberina. Suberin es fundamental para la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk, en la que los científicos están optimizando plantas para que actúen como un método natural y sostenible de secuestro de carbono. Desafortunadamente, el carbono almacenado en hojas y tallos puede degradarse rápidamente y liberarse fácilmente a la atmósfera.
Por el contrario, la suberina en las raíces de las plantas puede retener carbono profundamente en el suelo durante largos períodos de tiempo. También se ha demostrado que la suberina hace que las plantas sean más resistentes a la pudrición de las raíces, lo que indica que tiene una función protectora además del almacenamiento de carbono.
Estudios anteriores de la peridermia han consistido en análisis volumétricos que, aunque proporcionan información valiosa, no pueden capturar la especificidad del tipo celular.
Para corregir esto, el equipo de Salk utilizó técnicas avanzadas de secuenciación unicelular que podrían capturar los distintos perfiles genéticos de cada tipo de célula peridérmica. También rastrearon cómo cambiaba la expresión genética a medida que cada tipo de célula se desarrollaba en las raíces de una planta modelo, Arabidopsis thaliana.
«Nunca antes se había logrado este nivel de detalle en los datos sobre plantas maduras a lo largo del tiempo», dijo la primera autora Charlotte Miller, becaria postdoctoral en el laboratorio de Bush. «Otros estudios trituraron raíces enteras y las estudiaron en grandes cantidades, pero el análisis de células individuales nos permitió comprender el desarrollo genético de cada tipo de célula individual en el peridermo». Esto significa que podemos ser mucho más precisos y eficientes a la hora de diseñar plantas fuertes y resilientes que combatan el cambio climático”.
La secuenciación temporal de células individuales realizada por los investigadores mostró que el desarrollo de las células phelem se puede dividir en varias fases genéticamente distintas pero interconectadas. Este desarrollo gradual estuvo marcado por genes clave como MYB67, que el equipo descubrió que desempeña un papel importante en la regulación del proceso de desarrollo.
Al unir perfiles genéticos de células en diferentes etapas de su desarrollo, el equipo espera identificar eventualmente un gen o conjunto de genes que podrían usarse para inducir a las plantas a producir más células phelem, contener más suberina y secuestrar carbono con mayor fuerza.
El atlas del peridermo también proporcionó información importante sobre otras células nefelémicas. Estos datos ayudarán a aclarar las etapas de transición del desarrollo del peridermo, como por ejemplo cómo las células felógenas dan lugar a las células felema. Miller está especialmente emocionado de continuar estudiando estas células felógenas, y señala que es sorprendente su capacidad similar a la de las células madre para diferenciarse en otros tipos de células en una etapa tan avanzada del desarrollo de la planta.
En cuanto a Bush, espera ver cómo las células que contienen suberina cierran los agujeros creados por nuevas raíces laterales, un proceso bastante destructivo en el que nuevas raíces atraviesan la membrana de la planta.
Es posible que estas células susceptibles y ricas en suberina no formen parte del peridermo, pero un mayor conocimiento de los tipos de células del peridermo y del contenido de suberina puede ayudar a comprender en el futuro este proceso de formación de raíces, donde los sistemas de raíces se ramifican ampliamente evitando la infección.
«Nuestro trabajo no sólo hace avanzar la ciencia de las plantas, sino que también abre el camino hacia cultivos más resilientes y un mejor secuestro de carbono en las raíces de las plantas, brindando soluciones a los desafíos agrícolas y climáticos, un objetivo clave de la Iniciativa de Uso de Plantas de Salk», concluyó Bush.
Fuente: Instituto Salk
En la foto se puede ver parte de la raíz de una planta, mostrando el peridermo y sus células felem capturando carbono. Fuente: Instituto Salk.
