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Los investigadores notan un patrón en la superficie de las hojas y descubren una nueva pista sobre la evolución de las plantas

Los investigadores notan un patrón en la superficie de las hojas y descubren una nueva pista sobre la evolución de las plantas
Las plantas del género Callitriche son cortas y tienen hojas de forma ovalada de aproximadamente 1 cm de tamaño. El anfibio Callitriche palustris (izquierda, fotografiado en Matsuyama, prefectura de Ehime) a menudo crece en pequeños canales de agua en los arrozales. La Callitriche japonica terrestre (derecha, fotografiada en Nagoya) se puede encontrar en parques o cerca de santuarios en áreas urbanas. Al estudiar estas especies, los investigadores de la Universidad de Tokio descubrieron un patrón en cómo las plantas desarrollaron su equivalente de pulmones: pequeños poros en la superficie de las hojas llamados estomas. Crédito: Hiroyuki Koga, CC BY 4.0

Un estudiante de doctorado ha identificado un patrón que se ha pasado por alto durante mucho tiempo en la forma en que las plantas desarrollaron su equivalente de pulmones: pequeños poros en la superficie de las hojas llamados estomas. 


por la Universidad de Tokio


Usando técnicas de imágenes especializadas y una especie de planta que no se encuentra a menudo en los laboratorios, los investigadores dicen que este descubrimiento revela una diferencia clave en la evolución de las plantas que viven en la tierra frente a las que pueden crecer en el agua.

«Sentí que esto es realmente interesante, fue una gran sorpresa para mí. Recuerdo bien que después de la observación en la sala del microscopio en el piso del sótano, subí corriendo las escaleras para contarle al Dr. Koga sobre mi descubrimiento», recordó el estudiante de primer año. Yuki Doll, estudiante de doctorado, estudia en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Tokio bajo la supervisión del profesor asistente Hiroyuki Koga.

«Por supuesto, cualquier científico y yo podemos ver que los estomas son diferentes, pero es fácil para nosotros ignorarlo, no sentir ningún patrón. Cuando escuché sobre el descubrimiento de Doll-kun, también estaba muy emocionado y discutí con él. que debemos ahondar en este tema ”, dijo Koga. (Kun es el sufijo honorífico japonés adjunto a los nombres de los hombres jóvenes).

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Cuando los estomas están abiertos, el dióxido de carbono, el oxígeno y el vapor de agua pueden entrar y salir de la hoja para la fotosíntesis y la respiración. La manipulación artificial del número de estomas es una forma potencial de mantener los cultivos sanos en un clima cambiante.

El equipo de UTokyo estaba estudiando múltiples tipos de plantas del género Callitriche, que incluye especies tanto terrestres como acuáticas .

«Callitriche es un grupo de plantas interesante pero menor y somos los únicos en el mundo que las usamos para la investigación biológica del desarrollo», dijo Koga.

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Al recordar sus primeras experiencias al examinar las plantas, Doll dijo: «Cuando comencé a analizar los patrones de distribución de los estomas en los acuáticos Callitriche, sentí que la disposición de los estomas es diferente a la que me habían enseñado como estudiante en la especie común de laboratorio Arabidopsis. Tenía la impresión de que este patrón extraño debía ser el caso de todos los Callitriche, pero pensé, está bien, Arabidopsis y Callitriche son de linajes evolutivos muy diferentes, por lo que es natural que sean diferentes. Luego analicé una especie terrestre de Callitriche y vi que se parecía mucho más a Arabidopsis «.

Específicamente, Doll notó que los estomas y las células que los rodean en la superficie de las hojas de las plantas acuáticas eran mucho más uniformes que los tamaños celulares variables en las hojas de las plantas terrestres.

Este patrón de dos especies de plantas evolutivamente estrechamente relacionadas tenían patrones tan diferentes de desarrollo de los estomas insinuaba la posibilidad de que sus condiciones de vida, en tierra o en el agua, pudieran regular el desarrollo de los estomas.

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Koga y otros miembros del laboratorio habían perfeccionado previamente un método para visualizar la actividad genética en cada célula individual de hojas de plantas enteras intactas. La técnica de hibridación in situ con fluorescencia de montaje completo no es nueva, pero es difícil e inusual utilizar esas herramientas de biología molecular sin cortar una planta en rodajas ultrafinas.

Las imágenes de las hojas de Callitriche terrestres y acuáticas confirmaron que las plantas usaban los mismos dos genes para desarrollar sus estomas, pero los genes estaban activos en diferentes momentos.

En casi todas las plantas, el gen SPEECHLESS promueve el crecimiento y la división de un grupo de células en la superficie de las hojas recién formadas. Con el tiempo, el gen MUTE se activa en estas células y bloquea SIN PALABRAS, lo que hace que estas células dejen de dividirse y luego se diferencien en estomas. Al unir etiquetas fluorescentes artificiales a los dos genes, los investigadores pudieron ver en la resolución de una sola célula cuando SPEECHLESS se suprime y MUTE se activa.

En Callitriche terrestre, los investigadores vieron MUTE expresado en células de todas las edades diferentes. MUTE se expresó mucho más uniformemente solo en células más viejas de especies acuáticas, que parecían saltarse la etapa de división y tener un retraso coordinado para esperar hasta el final del desarrollo de la hoja para activar MUTE.

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Los investigadores sospechan que las especies acuáticas evolucionaron para retrasar la formación de estomas para esperar y detectar si esta nueva hoja estará completamente sumergida o si estará por encima de la línea de flotación. El intercambio de gases es menos eficiente bajo el agua, por lo que las hojas sumergidas generalmente tienen menos estomas que las hojas en el aire.

El descubrimiento es emocionante para los biólogos evolutivos interesados ​​en la relación entre las presiones ambientales y la genética evolutiva, pero también es relevante para el futuro del cultivo de cultivos en entornos cambiantes o impredecibles.

«La suposición habitual es que las especies estrechamente relacionadas tienen patrones de desarrollo de estomas similares, pero nuestro hallazgo clave es que este no es el caso», dijo Koga.

En cambio, los investigadores dicen que sus nuevos resultados muestran que el entorno de vida de una especie es la fuerza evolutiva importante que selecciona su patrón de desarrollo de estomas, no solo la ascendencia genética de la especie.

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Al comprender la vía genética completa que conduce al control flexible de la expresión SIN HABLA y MUDO entre especies, los científicos pueden predecir qué linajes evolutivos de cultivos tienen más probabilidades de optimizar sus estomas para crecer en un clima cambiante.




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