Investigadores identifican los genes que controlan la estructura mecánica de explosión de las vainas de semillas

07 de junio de 2022

Las plantas han desarrollado numerosas estrategias para esparcir sus semillas. Algunas esparcen sus semillas al viento, mientras que otras tientan a los animales y aves a comer sus frutos llenos de semillas. Y algunas plantas raras, como el berro Cardamine hirsuta, han desarrollado vainas de semillas "explosivas" que impulsan sus semillas en todas las direcciones. En un nuevo estudio publicado en PNAS, Angela Hay y sus colegas, del Instituto Max Planck para la Investigación de la Evolución Vegetal en Coloniainvestigan qué genes controlan la estructura mecánica de estas vainas de semillas. Sus hallazgos muestran que un micronutriente clave, el cobre, es esencial para establecer un patrón preciso de lignina en las vainas de las semillas. La lignina es un polímero vegetal abundante que se encuentra en la lignocelulosa, el principal material estructural en las plantas. Está presente en las paredes de las células vegetales y es responsable de hacer que la madera sea rígida.

Las vainas de semillas de C. hirsuta consisten en dos valvas largas. Cuando las semillas están listas para la dispersión, estas valvas se separan rápidamente y se enrollan hacia atrás, disparando las semillas en un área grande. El secreto de la naturaleza explosiva de estas vainas es su diseño mecánico único, que cuenta con tres varillas rígidas de lignina conectadas por bisagras. Estas bisagras son cruciales para la liberación explosiva de energía potencial almacenada en la cápsula. Para crear estas estructuras con bisagras, la lignina se deposita en un patrón preciso en una sola capa de células de vaina de semilla, llamada endocarpio b.


Un polímero rígido llamado lignina (teñido de rojo) se deposita en un patrón preciso en las paredes celulares de las vainas de semillas que explotan. Los investigadores identificaron tres enzimas lacasas necesarias para formar esta lignina. No se forma lignina en la pared celular (teñida de azul) cuando los tres genes son eliminados por la edición de genes CRISPR / Cas9.

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Un polímero rígido llamado lignina (teñido de rojo) se deposita en un patrón preciso en las paredes celulares de las vainas de semillas que explotan. Los investigadores identificaron tres enzimas lacasas necesarias para formar esta lignina. No se forma lignina en la pared celular (teñida de azul) cuando los tres genes son eliminados por la edición de genes CRISPR / Cas9.

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Como explica Hay, "el diseño mecánico que permite que estas vainas exploten depende de que la lignina se coloque en un patrón preciso en esta sola capa de células. Sabemos poco sobre lo que controla este patrón de deposición de lignina, por lo que nos propusimos identificar los genes que controlan este proceso. Encontramos tres genes que son necesarios para lignificar la pared celular en vainas de semillas en explosión. Estos genes codifican enzimas, llamadas lacasas, que polimerizan la lignina. Cuando las plantas de C. hirsuta carecen de los tres genes de lacasa, también carecen de lignina en este tipo de célula específica".

El equipo de investigación también descubrió otro gen, llamado SPL7, requerido para la lignificación de vainas de semillas de C. hirsuta. Este gen codifica una proteína que regula los niveles de cobre en las plantas. Los investigadores descubrieron SPL7 en una pantalla mutante. Las plantas mutantes que carecen de este gen, también carecen de lignina en las paredes de las célulasb del endocarpioSin lignina, ya no podrían dispersar sus semillas ampliamente. Estos efectos se revirtieron cuando las plantas mutantes SPL7 se cultivaron en suelos con altos niveles de cobre, pero no cuando se cultivaron en suelos con bajos niveles de cobre. Por lo tanto, SPL7 ayuda a las plantas de C. hirsuta a adquirir suficiente cobre para desarrollar vainas de semillas completamente explosivas, especialmente cuando los niveles de cobre son bajos.

Pero, ¿cómo afecta el cobre a la estructura mecánica de estas vainas de semillas en explosión?

Curiosamente, las lacasas son proteínas de unión al cobre que dependen del cobre para su función. " El vínculo entre estos dos hallazgos es el cobre", dice Hay. "Las plantas necesitan SPL7 para hacer frente cuando hay muy poco cobre en el suelo, y las lacasas necesitan unirse al cobre para su actividad enzimática. Dado que la lignina es crítica para la mecánica de la explosión de las vainas de semillas, y las lacasas que requieren cobre regulan esta lignificación, esto hace que la dispersión de semillas dependa del control de los niveles de cobre por SPL7".

Estos hallazgos proporcionan nuevos e importantes conocimientos sobre los genes y los procesos celulares que generan estas extraordinarias estructuras explosivas. También arrojan nueva luz sobre el papel del cobre en este proceso y sobre el proceso de lignificación en sí, que sigue siendo poco comprendido. Una razón para esto es que grandes familias de genes están involucradas en la polimerización de lignina en las paredes celulares de las plantas. Por lo tanto, determinar cómo está involucrado cada gen es un desafío, pero podría abordarse utilizando los enfoques informados en este estudio, como la edición de genes CRISPR / Cas9 y la expresión génica condicional.

La deficiencia de cobre en el suelo afecta a las plantas y los árboles de muchas maneras diferentes y se aborda mediante el uso de fertilizantes de cobre. Es un problema particular para la silvicultura, ya que los bajos niveles de cobre pueden causar el debilitamiento de los árboles como resultado de una lignificación deficiente. "Nuestro trabajo establece un vínculo molecular entre el cobre y la lignina a través de SPL7 y lacasas. Estos conocimientos podrían inspirar nuevos enfoques para la gestión forestal sostenible", explica Hay.

Estos hallazgos también podrían ser importantes para la producción más sostenible de biocombustibles en el futuro. Las paredes celulares lignificadas representan un desafío para la producción de biocombustibles, ya que son resistentes a la degradación y, por lo tanto, deben descomponerse utilizando pretratamientos costosos e intensivos en energía. Hay señala: "Nuestro trabajo identifica tres lacasas que controlan la lignificación en un tipo de célula específico. Comprender el control genético de la polimerización de lignina a través de diferentes tipos de células y especies de plantas puede abrir nuevas fronteras en bioenergía basada en la ingeniería de la pared celular".

 
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