Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Llegando a la raíz de la supervivencia de las plantas


Cuando se enfrenta a un clima volátil, la naturaleza busca una forma de sobrevivir. Para las plantas, eso a menudo significa extender nuevas raíces más profundas y más anchas en busca de agua, particularmente en tiempos de sequía. 


por la Universidad de Delaware


Si bien los científicos han reconocido el proceso de aparición de raíces durante décadas, anteriormente se desconocía cómo la comunicación intercelular puede impulsar este fenómeno.

Ahora, Jung-Youn Lee, profesor de biología molecular y celular de plantas de la Universidad de Delaware , y Ross Sager, un ex alumno graduado y ex alumno de la UD, han identificado hormonas y proteínas que interactúan para regular el proceso de emergencia de la raíz.

El primer estudio de su equipo fue publicado recientemente en la revista Nature Communications .

Comunicación de la planta

Los plasmodesmos funcionan como las principales vías de comunicación dentro de una planta, enviando mensajes a través de prácticamente todas las células desde la raíz hasta el brote. A menudo, cada célula recibe la nueva información y esta comunicación intercelular es crítica para la supervivencia de la planta.

«Imagine una pared de ladrillos y así es como se ve la superficie de una raíz. Cada ladrillo es una célula individual. El cemento que los une es la pared celular . Sin embargo, a diferencia de una pared de ladrillo, las células vegetales también están unidas por nanohilos finos como hilos -túneles llamados plasmodesmos, a través de los cuales las células transmiten varias señales y mensajes para compartir. Obviamente, cuando los canales están cerrados, no se transmiten señales, aislando a las células de recibir mensajes de sus vecinos «, dijo Lee.

Cuando las raíces laterales, o raíces secundarias, necesitan emerger de la raíz primaria, las células directamente sobre la raíz emergente deben separarse unas de otras para dar paso. Para lograr esto, los plasmodesmos que conectan esas células que pronto se dividirán deben cerrarse para que la nueva raíz emerja a una velocidad normal. Si los plasmodesmos permanecen abiertos, la nueva raíz emerge a una velocidad más rápida que puede comprometer la vitalidad o inmunidad de la raíz y hacer que la planta sea vulnerable a las amenazas de diversos patógenos del suelo.

Regulación de emergencia de raíz

Mientras estudiaba el patrón de expresión de PDLP5, una proteína asociada con plasmodesmos en plántulas de Arabidopsis, Sager notó un patrón inesperado en las raíces. Un examen más detallado reveló que el patrón involucraba células que estaban superpuestas a las raíces laterales emergentes.

«Había diseñado este experimento particular para estudiar la expresión de PDLP5 en las hojas jóvenes», dijo Sager, «pero cuando noté ese patrón en las raíces y se lo mostré al Dr. Lee, acordamos que era único para una proteína plasmodesmal y garantizado más investigación.»

Llegando a la raíz de la supervivencia de las plantas
Una sección transversal microscópica de las células de la raíz primaria ilustra la separación celular durante la emergencia de la raíz lateral. Los puntos resaltados muestran acumulaciones de PDLP5 que cierran las conexiones de plasmodesmos de las células primarias primarias superpuestas. Crédito: Monica Moriak / Universidad de Delaware

La búsqueda de este patrón intrigante llevó a Sager y Lee a descubrir un ciclo de retroalimentación crítica que parece permitir que pequeños subconjuntos de células regulen sus conexiones de plasmodesmos a través de PDLP5, permitiéndoles operar independientemente del resto de la planta a medida que la raíz lateral se desarrolla y emerge.

Cuando la auxina, la hormona que impulsa la formación del tejido radicular lateral, le indica a las células de la planta que una nueva raíz está lista para formarse y emerger, también les dice a esas células que se encuentran directamente sobre la raíz recién formada que comiencen a producir PDLP5. A medida que esta proteína se acumula, Sager y Lee afirman que cierra las conexiones de plasmodesmos, asegurando que estas capas celulares superpuestas puedan operar de forma autónoma a medida que se separan y permiten que la raíz lateral pase. Cuando se completa el proceso, esta investigación sugiere que PDLP5 envía una señal de retorno que reprime la auxina. Después de que la nueva raíz lateral ha emergido completamente, las células suprayacentes vuelven a abrir las conexiones de plasmodesmos, reconectándose efectivamente a las vías de comunicación de la planta.

«Si bien nuestra investigación sugiere que el cierre plasmodesmal en estas células es importante para la emergencia de la raíz lateral, todavía no sabemos por qué», dijo Sager. «¿Altera el movimiento de los componentes clave de señalización? ¿Previene la entrada de factores dañinos en el suelo en la célula? Espero que otros científicos utilicen nuestro papel como un trampolín para responder estas preguntas».

Oportunidad por cambio climático

Según Lee, este mecanismo de señalización y circuito de retroalimentación podrían allanar el camino para avances innovadores en ingeniería de plantas y cultivos.

«Comprender los componentes individuales que regulan la emergencia de la raíz lateral, tanto la secuencia como el tiempo, abre muchas oportunidades», dijo Lee. «Cuando hay una sequía, las plantas y los cultivos mueren porque no pueden encontrar agua de manera rápida y eficiente. Uno de los mecanismos que utilizan para sobrevivir a la sequía es echar más raíces. Con este descubrimiento del circuito de comunicación que regula las raíces laterales, podemos eventualmente podrá controlar cuándo y cuántas raíces adicionales puede formar una planta «.

Los cultivos a menudo se adaptan a los entornos en los que crecen. Pero a medida que el cambio climático continúe haciendo que los patrones sean más erráticos, como extender las estaciones secas, la adaptabilidad de las plantas será vital para la producción agrícola y la supervivencia del ecosistema. Las raíces pueden necesitar crecer a diferentes velocidades o en diferentes momentos. Lee señala que la información sobre cultivos de ingeniería para germinar raíces aún no existe, pero identificar específicamente cómo emergen las raíces es un primer paso importante.

Explorar la comunicación de las plantas a nivel molecular y celular continúa siendo el enfoque principal en el laboratorio de Lee en el Instituto de Biotecnología de Delaware. Tras este estudio y la investigación previa sobre comunicación celular, Lee y su equipo ahora están explorando más a fondo PDLP5 y proteínas similares.

«PDLP5 ha sido nuestro golpe de suerte», señaló Lee. «Esa proteína abrió muchos caminos nuevos para nosotros y también para los recién llegados a explorar. También se convirtió en un puente fantástico que nos conecta con grandes colaboradores de investigación, incluido el Dr. Malcolm Bennett de la Universidad de Nottingham, el experto líder mundial en ramificación de raíces. «

«¿Que sigue?» Lee continuó. «Actualmente estamos llevando a cabo una investigación interdisciplinaria con el Dr. Li Liao en ciencias computacionales e ingeniería en UD para descubrir cómo PDLP5 y sus familiares encuentran y se anclan a los plasmodesmos, que están generosamente financiados por la National Science Foundation. Ya estamos tan sorprendidos por el camino que PDLP5 nos está llevando «.


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