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Descubren mecanismos básicos de crecimiento y reparación celular de las raíces

De izquierdas a derecha, Fidel Lozano Elena, Marta Ibañes, Ana Caño Delgado y Ainoa Planas Riverola. Foto: CRAG

De izquierdas a derecha, Fidel Lozano Elena, Marta Ibañes, Ana Caño Delgado y Ainoa Planas Riverola. Foto: CRAG

Raíz de <i>Arabidopsis</i> vista con microscopia confocal. Las células madre están marcadas con colores diferentes. Las rojas son las células madre reservorio. Foto: Fidel Lozano Elena

Raíz de Arabidopsis vista con microscopia confocal. Las células madre están marcadas con colores diferentes. Las rojas son las células madre reservorio. Foto: Fidel Lozano Elena

29/01/2018

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Entender bien el funcionamiento de la biología de las raíces es clave para saber de qué forma las plantas sufren o se adaptan a condiciones ambientales adversas como la sequía. Dos estudios aparecidos recientemente describen este tipo de mecanismos: uno de ellos, publicado en la revista Molecular Systems Biology, explica el proceso por el que las células dejan de crecer para pasar a diferenciarse; el segundo, publicado en Journal of Cell Science, describe la capacidad de reparación celular de las plantas después de ser dañadas.

El primer trabajo es el resultado de las investigaciones realizadas conjuntamente entre el equipo de la bióloga molecular Ana Caño Delgado, investigadora del CSIC en el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG), y la física Marta Ibañes, del Departamento de Física de la Materia Condensada y del Instituto de Investigación en Sistemas Complejos de la Universidad de Barcelona (UBICS). El segundo es un estudio del mismo equipo del CRAG.


¿Cómo saben las células cuándo deben dejar de crecer?

La raíz de la planta modelo Arabidopsis thaliana, utilizada en estos trabajos, es un órgano relativamente sencillo, en el que las células que tiene funciones distintas están separadas espacialmente. Así, en la punta se encuentran las células madre, rodeadas de células hija que se dividen para producir todos los tejidos de la raíz. Las células hija crecen en longitud y se diferencian para poder adquirir las funciones típicas que permiten a la raíz transportar agua y nutrientes. Para que la raíz crezca y se adapte a un entorno cambiante, este proceso de división, elongación y diferenciación celular debe estar perfectamente coordinado.

Los equipos de Ibañes y Caño Delgado partieron de tres hipótesis para explicar cómo las células saben que deben dejar de crecer: porque ha pasado un tiempo determinado desde que se dividieron, porque detectan en qué posición se encuentran en la raíz, o bien porque las células son capaces de detectar qué tamaño tienen. Para elucidar cuál de estas tres hipótesis era cierta, la investigadora Irina Pavelescu, primera autora del trabajo, creó tres modelos analíticos y computacionales del crecimiento de la raíz. Estos modelos fueron comprobados con medidas reales de la longitud de las células en raíces de Arabidopsis, realizadas con microscopia confocal en el CRAG. «La conclusión principal de este estudio es que las células de la raíz saben de alguna manera que han llegado al tamaño correcto y así dejan de crecer y finalizan su diferenciación. Por tanto, es en función de su tamaño que dejan de crecer», explica Marta Ibañes (UB, UBICS).

Gracias a los modelos matemáticos creados, las investigadoras también pudieron explicar el efecto que tienen las hormonas vegetales esteroideas —brasinoesteroides— en el crecimiento de la raíz. En este caso, se midieron las células de plantas de Arabidopsis que, por falta del receptor para las hormonas esteroideas, tienen la raíz y el tallo enanos. El trabajo demostró que las raíces crecían normalmente cuando, mediante técnicas de biología molecular con resolución celular, se restauraba el receptor de brasinoesteroides solo en las células que se dividen, lo que indica que el efecto de la hormona perdura en la célula en fase de crecimiento.

Los esteroides vegetales son esenciales para la regeneración celular


De manera simultánea, el grupo de investigación del CRAG liderado por Ana Caño Delgado ha descubierto más detalles sobre el crecimiento de la raíz y sobre su capacidad de reparación celular después de un daño, hallazgos que se han publicado en la revista Journal of Cell Science. En concreto, el trabajo publicado constata que, cuando las células madre de la raíz mueren a causa de un estrés genómico, se envía una señal de hormonas esteroideas a las células madre reservorio para que estas se empiecen a dividir y puedan reemplazar a las células madre dañadas. De este modo se mantiene el crecimiento de la raíz, y con él la vida de la planta.

«Los esteroides vegetales, a diferencia de la mayoría de hormonas vegetales, no se transportan a largas distancias. Sin embargo, nuestro estudio demuestra que sí que existe un transporte de estas hormonas de corta distancia, y que este es importante para la comunicación celular durante la renovación de las células», explica Fidel Lozano Elena, estudiante predoctoral en el CRAG y primer autor del artículo. «Este sistema de señalización más complejo entre grupos celulares hace que las plantas sean más resilientes», añade Ainoa Planas Riverola, también primera autora y estudiante de doctorado en el grupo.

«Si podemos modular estos procesos en la raíz, podremos hacer raíces más fuertes, mejor ancladas y, en definitiva, más resistentes a los retos del cambio climático», explica Ana Caño Delgado. No debemos olvidar que la sequía es actualmente el problema más grave de la agricultura. En España ya se acumulan varios años con menos lluvia de lo normal, y según un informe reciente de la Unión de Pequeños Agricultores y Ganaderos (UPA), en el pasado año 2017, la sequía causó pérdidas de más de 3.600 millones de euros en el sector agrícola y ganadero de España, en gran parte debido a una enorme pérdida de rendimiento de los cultivos. Esta situación de sequía se reproduce en todos los continentes poniendo en riesgo la capacidad para alimentar a la creciente población. «Por ello, se hace necesario obtener cultivos que, con menos agua, produzcan alimentos seguros y de calidad en cantidades suficientes», concluye Caño Delgado.

Los trabajos han contado con la financiación del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MINECO), la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC), así como del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) y la Generalitat de Cataluña.

 

Artículos de referencia:


Irina Pavelescu, Josep Vilarrasa-Blasi, Ainoa Planas-Riverola, Mary-Paz González-García, Ana I. Caño-Delgado y Marta Ibañes. «A sizer model for cell differentiation in Arabidopsis thaliana root growth». Molecular Systems Biology, enero de 2018. Doi: 10.15252/msb.20177687

Fidel Lozano-Elena, Ainoa Planas-Riverola, Josep Vilarrasa-Blasi, Rebecca Schwab y Ana I. Caño-Delgado. «Paracrine brassinosteroid signaling at the stem cell niche controls cellular regeneration». Journal of Cell Science, enero de 2017: jcs.204065. Doi: 10.1242/jcs.204065
 

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