En un paseo soleado de primavera por un parque, es fácil ignorar las partes de las plantas que están ocultas a la vista. Los biólogos de plantas ven las cosas de manera diferente.
por Mario Aguilera, Universidad de California – San Diego
Miran debajo de la superficie donde las raíces de las plantas están organizadas en sistemas elaborados que son críticos para el desarrollo del organismo. Los sistemas de raíces de árboles intrincadamente organizados, por ejemplo, pueden extenderse tan bajo tierra como el árbol crece muy por encima del suelo.
Al aplicar una tecnología de imagen avanzada a las raíces de las plantas, los investigadores de la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Stanford han desarrollado una nueva comprensión de los químicos esenciales de las raíces que son responsables del crecimiento de las plantas. Utilizando un tipo de espectrómetro de masas, un estudio dirigido por el becario posdoctoral de ciencias biológicas de la UC San Diego, Tao Zhang, y la profesora asistente Alexandra Dickinson produjeron un «hoja de ruta» que describe dónde se distribuyen las moléculas pequeñas clave a lo largo de las células madre de las raíces de las plantas de maíz (maíz) y cómo sus factores de ubicación en la maduración de la planta. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Communications .
«Esta hoja de ruta química proporciona un recurso que los científicos pueden usar para encontrar nuevas formas de regular el crecimiento de las plantas», dijo Dickinson, miembro de la facultad del Departamento de Biología Celular y del Desarrollo. «Tener más información sobre cómo crecen las raíces podría ser útil en la conservación, ya que pensamos en proteger nuestras plantas en entornos naturales y hacerlas más sostenibles, especialmente en la agricultura».
Mientras trabajaba como científica visitante en la Universidad de Stanford, Dickinson comenzó a colaborar con la coautora del estudio Sarah Noll y el profesor Richard Zare, quienes desarrollaron un sistema de imágenes de espectrometría de masas que ayuda a los cirujanos a distinguir entre tejido canceroso y benigno durante las operaciones de extirpación de tumores.
Dickinson, Zare y Noll adaptaron la tecnología, llamada «imágenes de espectrometría de masas de ionización por electropulverización de desorción » o DESI-MSI, para sondear las raíces de las plantas en busca de los químicos involucrados en el crecimiento y la producción de energía. Inicialmente se centraron en las plantas de maíz en las puntas de las raíces, donde las células madre desempeñan un papel activo en el desarrollo de la planta. Su método consistía en cortar el centro de la raíz para obtener una imagen clara de los productos químicos que contiene.
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«Para ayudar a comprender las raíces de las plantas desde el punto de vista biológico, necesitábamos averiguar qué productos químicos hay», dijo Zare. «Nuestro sistema de imágenes rocía gotas que golpean diferentes partes de la raíz y disuelven los productos químicos en ese lugar. Un espectrómetro de masas recoge la salpicadura de gotas y nos dice cuáles son esos productos químicos disueltos. Al escanear sistemáticamente el punto objetivo de la gota, creamos un mapa espacial de los químicos de la raíz».
Las imágenes resultantes, que se cree que son algunas de las primeras en revelar la transición entre las células madre y el tejido maduro de la raíz, muestran el papel fundamental de los metabolitos, moléculas involucradas en la producción de energía de la planta. Los metabolitos del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) se convirtieron en el foco de la investigación, ya que se descubrió que eran un factor clave en el control del desarrollo de las raíces.
Al comenzar el estudio, los investigadores esperaban una distribución relativamente uniforme de los productos químicos. En cambio, con su hoja de ruta química en la mano, descubrieron que los metabolitos de TCA se agrupan en parches a lo largo de la raíz .
«Me sorprendió la cantidad de productos químicos que aparecen en patrones realmente distintos», dijo Dickinson. «Podemos ver que la planta está haciendo esto a propósito: necesita estas moléculas en regiones específicas para crecer adecuadamente». El laboratorio de Dickinson demostró que estos metabolitos de TCA tienen efectos predecibles en el desarrollo, no solo en el maíz, sino también en otras especies de plantas (Arabidopsis). Esto probablemente se deba a que los metabolitos de TCA están muy conservados: se producen en todas las plantas y en los animales.
También surgieron de las nuevas imágenes compuestos químicos previamente no identificados. Dickinson dice que los compuestos misteriosos podrían ser críticos para el crecimiento de las plantas, ya que también se agrupan en patrones en lugares específicos, lo que sugiere un papel destacado en el desarrollo. Dickinson y sus colegas ahora están investigando estos compuestos y comparando variedades de maíz que tienen diferentes niveles de resistencia al estrés para amenazas adversas como condiciones climáticas severas y sequía. La nueva información les ayudará a desarrollar nuevas estrategias químicas y genéticas para mejorar el crecimiento de las plantas y la resiliencia al estrés.
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«Estamos analizando diferentes plantas de maíz que tienen resistencia a la sequía para ver si ya hemos encontrado productos químicos específicos para esa variedad que no hemos visto en otras variedades», dijo Dickinson. «Creemos que podría ser una forma de encontrar nuevos compuestos que puedan promover el crecimiento, especialmente en condiciones adversas».
La lista completa de autores del estudio incluye: Tao Zhang, Sarah Noll, Jesus Peng, Amman Klair, Abigail Tripka, Nathan Stutzman, Casey Cheng, Richard Zare y Alexandra Dickinson.
Más información: Tao Zhang et al, Las imágenes químicas revelan diversas funciones de los metabolitos del ácido tricarboxílico en el crecimiento y desarrollo de las raíces, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38150-z
