Febrero 28, 2010
LA JOLLA, CA—La primera orden del día para cualquier embrión de planta incipiente es determinar en qué extremo crece el brote y en qué extremo echa raíces. Ahora, los investigadores del Instituto Salk exponen las guerras territoriales entre dos grupos de interruptores maestros genéticos antagónicos que configuran el eje polar de una planta con una raíz en un extremo y un brote en el otro.
"En lo que podría decirse que es la decisión más importante para una planta, establecer el eje raíz/brote ocurre durante las primeras etapas embrionarias", dice el autor principal del estudio. jeffrey a largo, Ph.D., profesor asistente en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas. "Un acto de equilibrio estrictamente controlado entre dos grupos de factores de transcripción garantiza que permanezcan donde pertenecen y no se interpongan entre sí".
Durante la embriogénesis de las plantas, los microARN, etiquetados en verde, juegan un papel importante en la coreografía estrechamente orquestada que determina qué sube y qué baja. Aseguran que los genes HD-ZIP III solo se expresen en el meristemo del brote, que da lugar a todas las partes aéreas de una planta.
Imagen: Cortesía de Zachary R. Smith, Instituto Salk de Estudios Biológicos
La embriogénesis vegetal establece una estructura muy simple que contiene dos poblaciones de células madre: el meristema del brote, que dará lugar a todos los órganos “superficiales” como el tallo, las hojas y las flores, y es el sitio de la fotosíntesis; y el meristema de la raíz, que da lugar al sistema de raíces, que se encuentra debajo de la tierra y proporciona agua y nutrientes a la planta.
“Dado que las células madre vegetales en última instancia dan lugar a todas las partes comestibles de las plantas, la comprensión de cómo se regulan su destino y función se puede aplicar directamente para modificar la arquitectura de las plantas y aumentar los rendimientos de cultivos importantes para la agricultura”, dice Long.
Los hallazgos de los investigadores de Salk se publican en la edición avanzada en línea del 28 de febrero de 2010 de la revista. Nature.
“Este trabajo muestra cómo los genes interactúan en formas complejas para establecer órganos a lo largo del eje raíz-brote”, dijo Susan Haynes, Ph.D., quien supervisa las becas de biología del desarrollo en el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los NIH. “El estudio revela paralelismos importantes con las redes de genes que coordinan la formación de órganos en embriones animales y nos ayuda a comprender los mecanismos críticos que guían el desarrollo normal”.
Mientras investigaba por qué un gen TOPLESS defectuoso interfiere con la arquitectura básica de una planta (los embriones mutantes se desarrollan en una plántula coronada con una segunda raíz en lugar de un tallo con hojas), Long y su equipo descubrieron códigos TOPLESS funcionales para una proteína represora que inactiva genes que de otro modo causar el desarrollo de raíces en el área del brote de la planta.
En el estudio actual, Zachery R. Smith, un estudiante graduado en el laboratorio de Long, descubrió que estos genes que transforman el destino son en realidad dos caracteres familiares: se sabía que los genes PLETHORA 1 y 2 actuaban como reguladores maestros que determinan la identidad de la raíz. meristema
"Sin TOPLESS para mantenerlos apagados, sin embargo, estos dos factores de transcripción son libres de imponer su voluntad en la mitad superior del embrión de la planta, lo que provoca el desarrollo de una segunda raíz en lugar de un brote", explica Smith.
Con la jerarquía "bajo tierra" resuelta, la pregunta de cómo se determina la identidad del meristema del brote aún no tenía respuesta. Tratando de descubrir los reguladores maestros faltantes del desarrollo de los brotes, Smith buscó a través de decenas de miles de plantas mutantes, hasta que dio con un miembro de los factores de transcripción CLASE III HD-ZIP, conocido como PHABULOSA, que cumplía con los requisitos.
Cuando los investigadores de Salk expresaron con fuerza a los miembros de la familia CLASS III HD-ZIP en el territorio tradicional del dúo PLETHORA, transformaron la raíz en un brote, lo que resultó en una plántula con hojas en ambos extremos. “Aunque se sabía que los HD-ZIP están involucrados en muchos aspectos de la polaridad de las plantas, nadie había demostrado nunca que pueden transformar un poste de raíz en un poste de brote”, dice Long. "Este y otros experimentos demostraron que los genes HD-ZIP III son reguladores maestros del destino apical en la embriogénesis temprana".
Otros estudios revelaron una relación antagónica entre los genes PLETHORA y HD-ZIP III, los cuales se encuentran bajo múltiples modos de regulación que aseguran una distribución espacial adecuada y un patrón apical-basal.
El trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Ray Thomas Edwards y los Institutos Nacionales de Salud, NIGMS.
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