Una reciente publicación en la prestigiosa revista Nature Plants devela un nuevo aporte del grupo de investigación dirigido por el investigador del CONICET Rosario Javier Palatnik en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR, CONICET – UNR) a la comprensión del proceso de regeneración en plantas. La importancia de estos descubrimientos fue destacada por la revista en la sección News & Views, puesto que la capacidad de regeneración es una de las limitaciones más grandes para el mejoramiento vegetal mediante técnicas de edición génica.
Ramiro Rodríguez, Franco Lazzara, Carla Schommer, Javier Palatnik y Julia Baulies. Foto: Elizabeth Karayekov.
Mediante un preciso diseño experimental y la combinación de sofisticadas técnicas bioquímicas y de microscopía de fluorescencia lograron establecer el mecanismo molecular que regula y define la regeneración de las raíces cuando resultan dañadas. El trabajo, realizado íntegramente en Arabidopsis thaliana (especie modelo para la investigación en biología vegetal) permitiría desarrollar herramientas agrobiotecnológicas para obtener plantas completas a partir de unas pocas células.
“Actualmente, la modificación específica y dirigida de genes en plantas resulta accesible y relativamente fácil de hacer. El problema se presenta luego, cuando a partir de esas primeras células que llevan las características introducidas y deseadas, se quiere obtener una planta entera que sea fértil para poder propagarla, porque muchas de las especies o variedades de cultivos con valor agronómico son muy difíciles de regenerar. Entonces, hay un interés muy grande de las empresas líderes en agrobiotecnología por desarrollar nuevas herramientas que faciliten la regeneración para acompañar los procesos de edición génica en plantas de interés agronómico”, afirma Palatnik, director del laboratorio de Biología de ARN y programación celular en IBR.
En base a los estudios realizados, Palatnik y su equipo descifraron que los aspectos fundamentales de la regeneración en las raíces son definidos por un sistema de dos componentes moleculares que controlan con precisión dónde y en qué cantidad se expresan muchos de los genes implicados en el crecimiento, división y diferenciación de las células. Por un lado, una familia de proteínas llamadas factores reguladores del crecimiento (GRFs, por sus siglas en inglés) que regulan la expresión de genes vinculados al desarrollo en hojas, tallos y raíces. El otro componente es un microARN (denominado miR396): una pequeña molécula de ácido nucleico simple cadena que opera sobre los GRFs, determinando su presencia y abundancia.
Julia Baulies trabajando en la sala de microscopía de IBR. Fotos: Elizabeth Karayekov.
“Fuimos los primeros en el mundo en estudiar este sistema; comenzamos en el 2005 con financiamientos a proyectos de ciencia básica. Sin embargo, los conocimientos que fuimos generando nos llevaron a la creación de tres patentes reconocidas y otorgadas en países con fuerte desarrollo tecnológico como Estados Unidos y China, que fueron transferidas al sector privado y hoy se encuentran en distintas etapas de aplicación”, indica Palatnik. En una primera patente demostraron que el sistema de los GRFs podía utilizarse para aumentar la biomasa de las plantas y aumentar la tolerancia a la sequía. Le siguió, una patente de biología sintética donde diseñaron una proteína quimérica que fusiona un GRF a una proteína que potencia su efecto promotor del crecimiento (quimera GRF-GIF). Y la patente más reciente, en colaboración con la Universidad de California en Davis, donde establecen el efecto de esta quimera como estimulador de la regeneración en plantas, en base a exitosas pruebas con plantas de trigo.
Sin embargo, la quimera no es un estimulador universal. Según Palatnik: “Hay que mejorarlo y comprender en detalle cómo funciona para poder desarrollar versiones más eficaces en distintas especies. Esto abriría paso a una versión agrobiotecnológica de estas quimeras para hacerlas más potentes y universales”.
Viaje al interior de una raíz
Superar esta limitante fue una gran motivación para el grupo de investigación, que luego de casi 1000 horas de trabajo en el microscopio de fluorescencia y meses de experimentos con equipamiento de punta en la Universidad de Heidelberg en Alemania, logró determinar que la interacción del micro ARN con los GRFs regula dónde y cómo se dividen las células después de la amputación de la punta de la raíz, determinando la velocidad y eficacia de la regeneración de la raíz. “Este sistema está activo en condiciones normales y contribuye a definir la estructura de la raíz”, indica Julia Baulies, becaria posdoctoral del CONICET y primera autora del trabajo. La capacidad que tiene una raíz de crecer continuamente en longitud está dada porque en el extremo se encuentra una estructura llamada centro quiescente que está formado por células madre que se dividen muy lentamente. “El micro ARN 396 se expresa en esta zona y mantiene excluidos a los GRFs. Esto establece un balance entre una zona generativa formada por células que proliferan poco, y la zona de proliferación, donde las células se dividen mucho. Cuando la raíz se daña, ese balance tiene que reestablecerse durante la regeneración”, explica.
Para estudiar en detalle este proceso, realizaron cortes precisos en el extremo de la raíz y analizaron cómo se activan los genes en células individuales una vez ocurrida la lesión. Las raíces de Arabidopsis son transparentes y pequeñas, miden apenas una décima parte de un milímetro. Por un lado, esto significa una ventaja que permitió trabajar en el marcaje y seguimiento por microscopía de distintos genes con colores fluorescentes y, por otro lado, requirió habilidades metodológicas muy específicas para manejar la muestra, realizar los cortes con precisión e interpretar los resultados. “Fue un trabajo apasionante que requirió una gran preparación, ir al nivel de célula nos permitió entender qué es lo que está pasando y que rol juega cada célula en la diversidad celular de la raíz”, expresa, y agrega: “Cuando comenzás a armar el rompecabezas con la información y te das cuenta que estás observando algo que nadie nunca vio antes, es muy emocionante”.
Julia Baulies realizando cortes de raíces de Arabidopsis thaliana bajo la precisión del microscopio. Fotos: Elizabeth Karayekov.
Los autores determinaron que después de cortar la punta de una raíz, pueden observarse dos tipos de estructuras en el proceso de regeneración: una llamada “estado cerrado”, donde las células madre se agrupan en un nicho definido que es lo que se observa en una raíz normal, y otra denominada “estado abierto”, donde las células madre quedan dispersas.
Si la actividad de los genes GRF aumenta, las raíces llegan más rápidamente al “estado cerrado” normal. En cambio, si estos genes tienen menos actividad, las raíces quedan en “estado abierto”, pero esto no les impide continuar creciendo. “Eso es algo que no había sido descripto hasta ahora, el hecho que la raíz no reconstruya la estructura original durante la regeneración y que continúe creciendo gracias a la actividad de células madre dispersas”, concluye Palatnik.