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Un circuito de proteínas específicas de las células madre de las plantas regula su división y su adaptación al estrés

Ana I. Caño-Delgado (CSIC-CRAG) i Marta Ibañes (UB).

Ana I. Caño-Delgado (CSIC-CRAG) i Marta Ibañes (UB).

Raíces de arabidopsis teñidas y visualizadas con el microscopio confocal. En color rosado se marca el contorno de las células de la raíz y en color amarillo las células madre del centro quiescente. En la foto de la izquierda se muestra una raíz silvestre, y en la foto derecha una planta con los genes BRAVO y WOX5 mutados. Esta mutación produce la división de las células del centro quiescente (Crédito: CRAG)

Raíces de arabidopsis teñidas y visualizadas con el microscopio confocal. En color rosado se marca el contorno de las células de la raíz y en color amarillo las células madre del centro quiescente. En la foto de la izquierda se muestra una raíz silvestre, y en la foto derecha una planta con los genes BRAVO y WOX5 mutados. Esta mutación produce la división de las células del centro quiescente (Crédito: CRAG)

05/07/2021

Recerca

Un equipo de investigación multidisciplinar, liderado por la bióloga del CSIC y del CRAG Ana I. Caño Delgado y la física de la Universidad de Barcelona Marta Ibañes, ha descubierto que dos proteínas de las células madre de las plantas, conocidas por su papel en el correcto desarrollo de la raíz, interaccionan físicamente y se regulan la una a la otra para evitar la división celular. El trabajo, resultado de quince años de investigación por parte de ambas investigadoras, desvela que esas dos proteínas, llamadas BRAVO y WOX5, actúan de forma específica en un pequeño grupo de células madre, y que su interacción es clave para la supervivencia de la planta ante factores de estrés genómico y ambiental, como el frío o el calor extremos, o las inundaciones. Un artículo publicado recientemente en la revista Molecular Systems Biology recoge estos resultados, obtenidos con la planta modelo Arabidopsis thaliana.

Este descubrimiento no hubiese sido posible sin la unión de los conocimientos y las disciplinas académicas aportadas por los equipos de las dos científicas: la bioquímica, la genética y la biología celular, por un lado, y la modelización matemática por el otro.

«Trabajos previos nuestros y de otros equipos habían demostrado que la pérdida de una u otra proteína, BRAVO o WOX5, produce la división de las células madre de la raíz. Sin embargo, no se entendía su conexión molecular», explica Ana I. Caño Delgado. 

«En general las regulaciones génicas involucran una complejidad que muchas veces resulta poco intuitiva, y que solo es abarcable a través de modelos matemáticos y simulaciones por ordenador. Los modelos matemáticos que hemos creado han podido dar sentido a la gran cantidad de datos recopilados por el equipo del CRAG», añade Marta Ibañes.

Esos modelos matemáticos permitirán ahora experimentar de forma virtual, creando situaciones hipotéticas que puedan darse en las células madre de la raíz, como el efecto de aplicar hormonas o las respuestas en situaciones de estrés.

 

El centro quiescente: un seguro de células madre

Las plantas tienen un conjunto de células madre en el extremo de la raíz primaria que confieren a esta la capacidad de crecer indefinidamente. La mayoría de estas células se dividen rápidamente, lo que da lugar a otras células madre y a las distintas células que conforman los tejidos de la raíz, como la epidermis o el tejido vascular. Sin embargo, en una de las puntas de ese nicho se encuentran unas pocas células madre que se dividen mucho más lentamente, razón por la cual la zona que ocupan se ha denominado centro quiescente, es decir, en reposo. 

Cada vez que una célula duplica su material genético para dividirse, corre el riesgo de incorporar errores, mutaciones que pueden tener consecuencias negativas para el organismo. Frente a ello, las células madre del centro quiescente constituyen un seguro, un reservorio de células genéticamente seguras. En caso necesario, estas células pueden «despertar» y dividirse para rellenar el nicho de células madre.

Es justamente en esas pocas células del centro quiescente donde las proteínas BRAVO y WOX5 ejercen su importante función reprimiendo la división celular. Isabel Betegón-Putze, primera firmante del artículo, explica los experimentos que hizo durante su tesis doctoral para llegar a esta conclusión: «Generamos plantas de Arabidopsis con los genes BRAVO y WOX5 mutados simultáneamente y observamos que tenían menos capacidad de regenerar las raíces, que eran más cortas y menos abundantes».

En situaciones de estrés severo o prolongado, se producen dos tipos de respuesta en el nicho de células madre: la muerte de las células que se dividen rápidamente y la activación de las células del centro quiescente. Así, por ejemplo, las células del centro quiescente se activan después de que se produzca un corte en el casquete de la raíz, o tras la congelación o intoxicación de esta por plomo. De ese modo es posible reemplazar las células madre muertas y seguir garantizando el crecimiento y correcto desarrollo de la raíz que, a su vez, garantiza la nutrición y el sustento de la planta.

Entender los mecanismos moleculares que regulan estos procesos es clave para poder obtener cultivos más resilientes, especialmente en la situación actual, con climas cada vez más extremos.

 

Una extraordinaria fuente de juventud

Las plantas, a diferencia de los animales, pueden formar nuevos órganos (hojas, flores, etc.) en la edad adulta y además crecen a lo largo de toda la vida, que puede llegar a superar los 2.000 años. Las células madre de animales y plantas parecen utilizar estrategias similares para resolver problemas biológicos semejantes. Sin embargo, los procesos moleculares que regulan dichas estrategias parecen ser distintos. Entender esas diferencias puede ser muy provechoso para diseñar estrategias útiles en medicina y cosmética, que frenen el envejecimiento celular y promuevan la regeneración de tejidos dañados. Esta investigación permitirá avanzar en esa dirección.

 

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