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El efecto en capas: un mapa unicelular de la raíz del maíz revela un regulador de la diversidad celular

El efecto en capas: un mapa unicelular de la raíz del maíz revela un regulador de la diversidad celular

Un nuevo estudio utiliza técnicas novedosas de creación de perfiles unicelulares para revelar cómo las plantas agregan nuevas capas de células que las ayudan a resistir los factores de estrés climático como la sequía o las inundaciones.



La investigación se centra en el maíz, un cultivo de importancia crítica en todo el mundo, en un esfuerzo por crear un mapa célula por célula del sistema de raíces de la planta, que media el estrés por sequía y absorbe nutrientes y fertilizantes del suelo.

“Descubrimos cómo el maíz expande el tejido de la corteza, que constituye gran parte del sistema de raíces del cultivo. Agregar capas al tejido de la corteza es una característica evolutiva clave que genera formas en las que las plantas toleran la sequía y las inundaciones y mejoran la absorción de nutrientes”, dijo Kenneth Birnbaum, profesor del Departamento de Biología y Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York y el senior autor del artículo, que aparece en la revista Science.

“Estos rasgos serán objetivos críticos para permitir que las plantas resistan el calentamiento global y reduzcan la huella de carbono de los cultivos”, agregó Birnbaum, cuyo laboratorio en NYU dirigió el proyecto en colaboración con investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor y la Universidad de Pensilvania.

Para crear un mapa unicelular de la raíz del maíz, los investigadores primero rompieron la raíz utilizando enzimas de digestión de la pared celular para generar células únicas que flotan libremente. Luego, los nuevos enfoques les permitieron analizar el contenido de ARNm de células individuales, distinguiendo características moleculares que conducen a tipos específicos de células especializadas, utilizando técnicas de secuenciación de células individuales basadas en gotas miniaturizadas.

A continuación, mapearon las celdas hasta su ubicación en la raíz del maíz, similar a armar un rompecabezas de 10,000 piezas sin una guía. Para resolver el rompecabezas, los investigadores utilizaron tintes fluorescentes que penetraron en los tejidos de la raíz a profundidades variables para etiquetar y aislar diferentes capas, como separar las capas de una cebolla, dándoles puntos de referencia genéticos para mapear las células individuales.

"Esta segunda capa de información esencialmente nos dio la caja del rompecabezas que nos permitió mapear con precisión las células en su ubicación apropiada para recrear un modelo 3D de expresión génica en toda la raíz del maíz", dijo Carlos Ortiz Ramírez del Centro de Genómica de la NYU y Biología de Sistemas y Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad de la UGA en México, quien fue el primer autor del estudio.

El nuevo mapa de la raíz del maíz reveló una especialización celular no descrita anteriormente en la corteza de la raíz. La corteza es particularmente importante porque comprende la mayor parte de la raíz del maíz temprano y tiene más de 10 capas. Además, los subtipos celulares de la corteza son de importancia crítica para los rasgos que ayudan a las plantas de cultivo a hacer frente a los factores ambientales estresantes. Por ejemplo, la capa de la corteza interna es donde los hongos simbióticos intercambian nutrientes con la planta, y una mayor cooperación podría ayudar a reducir la huella de carbono de la agricultura. Las capas medias de la corteza crean túneles de aire que permiten el intercambio de gases durante las inundaciones, mientras que la expansión de la corteza a demanda puede reducir la pérdida de agua durante el estrés por sequía.

“Utilizando nuestro modelo 3D de la raíz del maíz, mapeamos cuatro firmas distintas de capas de corteza que podrían proporcionar importantes objetivos genéticos para mejorar aún más la simbiosis, las inundaciones y la sequía”, dijo Ortiz Ramírez.

Además, el grupo encontró pistas dentro del nuevo mapa de la raíz sobre cómo el maíz podría generar las capas adicionales de corteza. En particular, el regulador genético clave conocido como  SHORT ROOT (SHR), cuya función es similar en diferentes plantas, se encontraba en una posición intrigante que era diferente de otras plantas con solo una capa de corteza.

En Arabidopsis , una pequeña planta con flores comúnmente utilizada como organismo modelo en biología vegetal,  SHR  fue uno de los primeros factores de transcripción que se mostró que se movía de una célula a otra, permitiendo que los tipos de células internas dieran instrucciones a las capas intermedias para crear un nuevo tejido. Eso hace que SHR sea   un tipo de organizador local, que dirige los tejidos de la raíz para que se ensamblen alrededor de un patrón central. Sin embargo, en el maíz, el mapa unicelular reveló que  SHR  estaba en una nueva posición justo al lado de las múltiples capas de la corteza, un punto de partida conveniente para expandir las múltiples capas de la corteza. De hecho, los investigadores rastrearon el movimiento de la proteína SHR y encontraron que era hipermóvil, moviendo no solo una capa sino múltiples capas a través de la corteza.

Además, las mutaciones que perturbaban la   función SHR tanto en el maíz como en el mijo cola de zorro relativo al maíz tenían un número muy reducido de capas de corteza. Esto demuestra cómo  SHR  mantuvo su papel principal en la expansión de las capas de tejido y la generación de nuevas identidades celulares, pero cambió su ubicación para agregar nuevos tipos de células que, en última instancia, permiten que el maíz haga frente a las tensiones ambientales.

"La identificación de  SHR  tiene un regulador clave de la expansión de la corteza es un primer paso importante", dijo Birnbaum. “En el futuro, ajustar estos reguladores podría proporcionar herramientas para alterar la cantidad de capas o subtipos de corteza que podrían mejorar su capacidad para resistir factores de estrés climático como la sequía, o mejorar la absorción de nitrógeno, permitiendo que las plantas usen menos fertilizantes o crezcan en suelos pobres en nutrientes".

Publicado: 11 de enero de 2022

Fuente: Global Plant Council

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