La armadura de raíces dos en uno protege las plantas de los factores estresantes ambientales y combate el cambio climático

La armadura de raíces dos en uno protege las plantas de los factores estresantes ambientales y combate el cambio climático

El nuevo análisis unicelular de Salk proporciona una primera mirada detallada a la capa externa protectora de las raíces de las plantas y a las células que capturan carbono.

LA JOLLA—Las plantas pueden excavar en el suelo y estirarse hacia el sol, pero en última instancia quedan atrapadas donde brotan, a merced de amenazas ambientales como la temperatura, la sequía y las infecciones microbianas. Para compensar su incapacidad de levantarse y moverse cuando el peligro ataca, muchas plantas han desarrollado formas de protegerse alterando su fisiología, como construir una armadura alrededor de partes de su cuerpo y raíces llamadas peridermisSin embargo, dado que muchos biólogos vegetales que estudian el desarrollo de los tejidos observan plantas jóvenes, el desarrollo posterior de la peridermis ha permanecido relativamente inexplorado.

Los investigadores del Instituto Salk han presentado el primer atlas completo de expresión genética del peridermo de las plantas a nivel de células individuales. El atlas proporciona nueva información sobre los diferentes tipos de células que componen el peridermo y qué genes específicos y procesos biológicos controlan su desarrollo. Esto incluye importantes conocimientos sobre las células del felema, que son ricas en suberina, una molécula que ayuda a capturar y almacenar el exceso de carbono de la atmósfera durante mucho tiempo. Los científicos ahora pueden utilizar esta información para estimular el crecimiento del peridermo protector en plantas que enfrentan estrés ambiental debido al cambio climático. También pueden potenciar los genes de crecimiento de las células del felema para producir plantas con capacidades mejoradas de captura y almacenamiento de carbono, un objetivo central del proyecto de Salk. Iniciativa de aprovechamiento de plantas.

Los hallazgos fueron publicados en Célula de desarrollo en enero 9, 2025.

“Las plantas desempeñan un papel crucial en la captura de carbono de la atmósfera y su almacenamiento en el suelo”, afirma el profesor Wolfgang Busch, autor principal del estudio, director de la Iniciativa de Aprovechamiento de las Plantas y titular de la Cátedra Hess de Ciencias Vegetales en Salk. “La capa protectora exterior de las raíces de las plantas, llamada peridermo, está formada por muchas células que pueden almacenar carbono en una forma que será muy duradera. Al crear un mapa detallado de cómo se forman y maduran estas células de la raíz, podemos comprender mejor y potencialmente fomentar este proceso para ayudar a las plantas a retener más carbono en formas altamente duraderas. Al hacerlo, podemos crear plantas más resilientes con raíces más resistentes que también nos ayuden a combatir el cambio climático”.

Cuando una planta echa raíces por primera vez, se dedica al crecimiento primario, concentrándose en la longitud de las nuevas raíces. Con la madurez llega el crecimiento secundario, que cambia el enfoque hacia el engrosamiento de las raíces existentes y la creación de una armadura de peridermis. Esta peridermis protectora contiene células de felema, felógeno y felodermo, cada una con responsabilidades y perfiles genéticos distintos que aún no se habían descrito por completo en estudios anteriores.

De estas diversas células del peridermo, el equipo estaba más interesado en las células del felema debido a su alto contenido de suberina. La suberina es fundamental para la Iniciativa de Aprovechamiento de las Plantas de Salk, en la que los científicos optimizan las plantas para que sirvan como un método natural y sostenible de secuestro de carbono. Desafortunadamente, el carbono almacenado en las hojas y los tallos puede degradarse rápidamente y liberarse fácilmente a la atmósfera. En cambio, la suberina de las raíces de una planta puede retener carbono en las profundidades del suelo durante largos períodos de tiempo. También se ha demostrado que la suberina hace que las plantas sean más resistentes a la pudrición de las raíces, lo que indica que cumple una función protectora además de almacenar carbono.

Los estudios previos sobre la peridermis consistían en análisis en masa que, a pesar de proporcionar información valiosa, no lograban captar la especificidad del tipo celular. Para corregir esto, el equipo de Salk aplicó técnicas modernas de secuenciación de células individuales que podían captar los perfiles genéticos distintivos de cada tipo celular de la peridermis.. También rastrearon cómo cambiaba la expresión genética a medida que cada tipo de célula se desarrollaba en las raíces de Arabidopsis thaliana—una maleza con flores de la familia de la mostaza que se utiliza comúnmente en la investigación de plantas.

“Nunca antes se había logrado recopilar este nivel de detalle en plantas maduras a lo largo del tiempo”, afirma la primera autora Charlotte Miller, científica investigadora del laboratorio de Busch. “Otros estudios trituran raíces enteras y las estudian en bloque, pero el análisis de células individuales nos permitió comprender el desarrollo genético de cada tipo de célula individual en la peridermis. Esto significa que podemos ser mucho más precisos y eficientes en la ingeniería de plantas robustas, resistentes y que luchen contra el cambio climático”.

La secuenciación temporal de células individuales realizada por los investigadores reveló que el desarrollo de las células del felema se puede diseccionar en múltiples fases genéticamente distintas pero interconectadas. Este desarrollo gradual estuvo marcado por genes clave como MYB67, que el equipo descubrió que desempeñaba un papel importante en la regulación del proceso de desarrollo.

Al reunir los perfiles genéticos de las células en diferentes períodos de su desarrollo, el equipo espera eventualmente determinar un gen o un conjunto de genes que podrían usarse para alentar a las plantas a producir más células felémicas, contener más suberina y capturar más carbono duradero.

El atlas del peridermo también ha aportado información importante sobre otras células no felémicas. Estos datos ayudarán a aclarar las etapas de transición en el desarrollo del peridermo, como la forma en que las células felógenas dan lugar a las células felémicas. Miller está especialmente entusiasmado por seguir estudiando estas células felógenas, y señala que su capacidad, similar a la de las células madre, para diferenciarse en otros tipos de células en una etapa tan avanzada del desarrollo de la planta es sorprendente.

En cuanto a Busch, está ansioso por ver cómo las células que contienen suberina tapan los agujeros hechos por el crecimiento de nuevas raíces laterales, un proceso destructivo en el que las nuevas raíces atraviesan la piel de las plantas. Estas células reactivas y ricas en suberina pueden no ser parte de la peridermis, pero saber más sobre los tipos de células de la peridermis y el contenido de suberina puede ayudar a comprender en el futuro este proceso de creación de raíces en el que los sistemas radiculares se ramifican ampliamente evitando las infecciones.

“Nuestro trabajo no solo hace avanzar la ciencia vegetal, sino que también abre la puerta a la creación de cultivos más robustos y a la mejora del secuestro de carbono a través de las raíces de las plantas, aportando soluciones a los desafíos agrícolas y climáticos, lo que constituye un objetivo clave de la Iniciativa de Aprovechamiento de las Plantas de Salk”, afirma Busch.

Otros autores incluyen a Sean Jarrell-Hurtado, Manisha Haag, Y. Sara Ye, Mathew Simenc, Paloma Alvarez-Maldonado, Sara Behnami, Ling Zhang, Joseph Swift, Ashot Papikian, Jingting Yu, Kelly Colt, Joseph Ecker, Todd Michael y Julie Law de Salk.

El trabajo fue apoyado por Bezos Earth Fund, Hess Corporation y TED Audacious Project.

DOI: 10.1016/j.devcel.2024.12.025