Una serie de artículos recientes de Trevor Nolan , biólogo del desarrollo vegetal y profesor adjunto de biología e ingeniería biológica en Caltech, ilustra cómo las nuevas técnicas y enfoques en genómica y biología del desarrollo vegetal pueden hacer posible este objetivo. Un nuevo artículo de revisión publicado en la revista Science describe una ruta para mejorar los cultivos mediante el uso de herramientas de investigación biológica básica para comprender el funcionamiento interno de las células vegetales. Nolan es coautor del artículo en colaboración con investigadores del Centro VIB de Biología de Sistemas Vegetales de la Universidad de Gante, en Bélgica.
Aunque ya existen herramientas generales para modificar los cultivos , Nolan y sus colegas proponen un enfoque más preciso. Sugieren que realizar ajustes sutiles en la expresión genética de la planta podría, por ejemplo, promover un mayor crecimiento de las raíces durante la sequía, mejorar la eficiencia en la absorción de agua y nutrientes, o modificar la arquitectura de las hojas para captar mejor la luz en condiciones de alta densidad de cultivo.
«Queremos poder modular el crecimiento de las plantas con precisión quirúrgica, sin efectos secundarios para el resto de la planta», dice Nolan. «Para lograrlo, necesitamos comprender el contexto exacto de lo que la planta está haciendo a nivel celular».
A principios de este año, Nolan y sus colaboradores publicaron en Cell que una clase particular de hormonas vegetales, los brasinoesteroides, orquestan el crecimiento de las raíces mediante una red dinámica de retroalimentación específica de cada célula. Los brasinoesteroides son esenciales para el desarrollo de las plantas, ya que regulan la división y la elongación celular. Sin embargo, cuando se aplican en exceso a una planta, pueden tener el efecto contrario, inhibiendo su crecimiento al alterar el delicado equilibrio de la señalización hormonal entre las células. Nolan explica que los brasinoesteroides ejercen un efecto similar al de Ricitos de Oro en las plantas: el crecimiento óptimo solo se produce con la cantidad justa, ni demasiado ni demasiado poco, en el lugar y momento adecuados.
El equipo descubrió esto utilizando técnicas de vanguardia para observar cómo las células individuales expresan sus genes en la planta modelo Arabidopsis thaliana . Si bien cada célula tiene la misma información genética almacenada en su genoma, ciertos genes pueden activarse o desactivarse, como un conjunto de interruptores de luz, para conferirle a la célula diferentes funciones. Diversos patrones de expresión génica pueden indicarle a la célula que se divida, que produzca más hormonas o incluso que se autodestruya. Técnicas como la transcriptómica unicelular permiten medir la expresión génica en muchas células simultáneamente.
El laboratorio de Nolan es pionero en la integración de tecnologías de imagen unicelular, espacial y en tiempo real para visualizar el desarrollo vegetal con una resolución sin precedentes. Mediante un microscopio confocal vertical diseñado a medida y sistemas de imagen de raíces completas, el equipo puede seguir la progresión del desarrollo de células individuales, desde su origen como células madre en el meristemo radicular hasta su diferenciación en tejidos especializados. Al combinar estos conjuntos de datos de imagen en tiempo real con mapas transcriptómicos unicelulares y espaciales, el laboratorio puede rastrear cómo la expresión génica y la señalización hormonal varían en el tiempo y el espacio, revelando cómo señales como las hormonas brasinoesteroides orquestan el crecimiento, el desarrollo y las respuestas al estrés.
Nolan ahora enfatiza que estas técnicas deberían aplicarse al estudio de mecanismos similares de resistencia hormonal y al estrés en los cultivos.
«Nuestro trabajo demuestra que las plantas coordinan su crecimiento mediante una notable precisión espacial», afirma Nolan. «Una vez que comprendamos estos principios, podremos empezar a aplicarlos a cultivos como el arroz, el maíz y el sorgo para hacer que la agricultura sea más resistente al calor y la sequía».
El artículo, titulado «Desbloqueando el potencial de los brasinoesteroides: Un camino hacia la ingeniería de plantas de precisión» , se publicó en Science el 6 de noviembre. Además de Nolan, los coautores son Nemanja Vukašinović y Eugenia Russinova, de la Universidad de Gante (Bélgica). La financiación provino de la Fundación para la Investigación de Flandes, la Fundación Shurl y Kay Curci, el Centro de Bioingeniería Donna y Benjamin M. Rosen de Caltech y Caltech
Equipo Prensa
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