El “misterio abominable” del carpelo en arroz

Por J. M. Mulet, el 19 noviembre, 2020. Categoría(s): Flores • Genes NGA • Katheryn Pisfil • Master IBMCP ✎ 4

Post realizado por Katheryn Pisfil, alumna del máster de biotecnología molecular y celular de plantas.

Imagina un campo lleno de flores, si te fijas detenidamente podrás ver que cada flor tiene estructuras y detalles diferentes, te has preguntado alguna vez ¿Por qué existen tantas flores con formas únicas?

Hace 142 millones de años, durante el Periodo Cretácico cuando el planeta estaba unido en un solo continente, hubo un grupo de vegetales denominadas gimnospermas. Eran plantas grandes, de ovario no cerrado y de larga vida que vivían en armonía. Un día, todo cambió, se desató una intensa actividad tectónica y volcánica que terminó con la paz, pero misteriosamente abominable, aparecieron un grupo de plantas hermanas llamadas angiospermas.

Las angiospermas eran plantas de tamaño pequeño, madurez sexual precoz y vida corta a la que les gustaba innovar, especialmente en su reproducción, quienes garantizaron su éxito con novedosas formas de fecundación (polinizadores) y desarrollo de órganos especializados (flor y fruto).

Las cualidades de estas angiospermas no pasaban inadvertidas para el resto de las plantas. Este evento propició, que en escaso tiempo geológico las Angiospermas desplazaran a sus hermanas gimnospermas y se extendieran rápidamente.

El caso es que las angiospermas pusieron sus esfuerzos en la flor y elaboraron con el tiempo un diseño único

– ¿Pero que era la flor? – La flor era la estructura reproductiva de la planta que tenía un órgano masculino (androceo) con estambres (órganos que producen los granos de polen) y un órgano femenino (gineceo o pistilo), pero el pistilo tenía a su carpelo(s), que era su mayor tesoro. Este era una hoja(s) modificada que protegía al óvulo joven y que formaba en el ápice del pistilo una estructura denominada estigma que era capaz de capturar y germinar los granos de polen; inmediatamente debajo del estigma el carpelo conducía el polen al ovario a través del estilo. (Figura 1).

Las cualidades del gineceo les confirieron importantes ventajas a las plantas con flores, especialmente el carpelo. Este permitía la captura de polen y la guía del tubo polínico; para garantizar la fertilización de los óvulos y el desarrollo del fruto. Incluso era capaz de proteger las semillas en desarrollo y facilitar su dispersión.

Figura 1. Dibujo comparativo de una Gimnosperma y flores de Angiospermas.  a: Cono ovulífero de gimnosperma. b. Partes básicas de una flor. C. Flor típica de una gramínea. Fuente: imágen diseñada por Pisfil K. 16/07/2020 en base a: http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2011/bot/23.pdf

 

Un día los continentes se fragmentaron y se separaron de modo que las angiospermas quedaron separadas por grupos. Al principio cada grupo se vio afectada por los distintos climas. Pero cada planta supo adaptarse exitosamente, así que se desarrollaron subgrupos o familias que las llevó a la especiación.

Con el tiempo se originó la agricultura, y con el interés de seleccionar los alimentos comestibles, en el mundo se establecieron los tres cultivos alimenticios más importantes: el trigo, el arroz y el maíz(gramíneas).

El hombre vio que se podía mejorar los cultivos a través de la manipulación de la flor. Pero sus herramientas tecnológicas, todavía no eran eficientemente potentes. No fue hasta mediados del siglo XX e inicios del siglo XXI, cuando las herramientas genéticas y moleculares hicieron posible la identificación de diversos de genes y rutas genéticas que mostraron la correcta diferenciación de los tejidos y estructuras que conforman el gineceo.

Los científicos observaron a Arabidopsis thaliana como una planta con características únicas (entre ellas ciclo corto y tamaño pequeño) de tal modo que decidieron utilizarla como organismo modelo para entender los fenómenos biológicos particulares en las plantas.

Los investigadores sentían tanta pasión por saber más sobre las rutas biológicas del desarrollo de la flor y otros órganos de las plantas, que empezaron a diseñar y construir sus propios mutantes (planta que tiene alteraciones en uno o varios de sus genes) para ver específicamente que gen o genes determinaban cada detalle morfológico del carpelo (fenotipo). Incluso llagaron a crear herramientas biotecnológicas cada vez más precisas y eficaces para realizar mutaciones (cambios en el ADN) que fueron mejorando con el tiempo.

Grupos de investigación en el mundo trabajaron duro durante años para poder entender y analizar el “misterio abominable” del carpelo en angiospermas, y se pasaban los años descubriendo diversas rutas de factores de transcripción (FT) (genes que funcionan como activadores de otros genes) que participan en diversas rutas para formar el carpelo.

Corre el tiempo y en Valencia se formó un grupo de investigadores, que observaron (al igual que otro grupo investigadores en otra parte del mundo) un grupo de FT que trabajan de manera redundante (grupo de genes que en conjunto realizan la misma función) implicados en el desarrollo del carpelo al que llamaron NGATHA(NGA).

¡Aquellos genes no eran uno, sino una pequeña familia de 4 genes desconocidos! Los investigadores miraron que al mutar al mismo tiempo los 4 genes NGA (cuádruples mutantes nga) de Arabidopsis (AtNGA) los carpelos carecían por completo de estilo y estigma (Figura 2).

Figura 2. T: Flor de Arabidopsis thaliana silvestre (WT) y cuádruple mutante nga. A: Partes de la flor de A. thaliana (izquierda). F: Estilo y estigma de A. thaliana silvestre(WT). R: Estilo y estigma de A. thaliana cuadruple mutante nga. A y B: Flor de arroz (Oriza sativa). C. planta de arroz. Fuente: Imagen diseñada por Pisfil K. 16/10/2020 en base a: Trigueros et al.2009. Plant Cell 21(5):1394-1409 y http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2011/bot/23.pdf.

30Pero, ¿qué pasaba con las demás angiospermas? Este laboratorio observo en otras plantas (diferente a Arabidopsis) que los genes NGA también participaban en el desarrollo del carpelo y llegaron a la conclusión que posiblemente esta familia de genes ha permanecido durante millones de años en las angiospermas.

Había mucho interés por conocer la función de los genes NGA en cultivos económicamente importantes. Fue así que un investigador de este laboratorio enrumbó el estudio de los genes NGA en arroz (OsNGA). Incluso llegó a identificar los 4 genes NGA en arroz.   

Arroz (Orysa sativa) es el segundo cereal más cultivado en el mundo, quien presenta una estructura de inflorescencia (disposición de flores sobre las ramas) peculiar (típico de las gramíneas) y cuyo rasgo agronómico, junto con el rendimiento de los frutos son de gran importancia económica.

Una mañana llegué a conocer este laboratorio. Al llegar allí me interesé mucho en la historia de NGA en arroz al que denominé: el “misterio abominable” del carpelo en arroz. Fue así como decidí quedarme y realizar mi trabajo de fin de Máster, cuyo propósito es caracterizar la función de los genes OsNGA en arroz durante el desarrollo del estilo y estigma; así como concretar estudios comparativos (desarrollo-evolución) de los genes NGA en arroz, Arabidopsis y Amborella trichopoda (especie viva más antigua de angiospermas que existe).

Estos estudios probarían el papel esencial y ampliamente conservado de los genes NGA específicos de Angiospermas y que son en parte junto con otros genes, responsables de la magnífica diversidad de flores y frutos que encontramos en la Naturaleza.

Aunque aún se está lejos de completar los mecanismos moleculares que dirigen el desarrollo del carpelo en arroz. Estos nuevos conocimientos ayudarían a comprender mejor los principios que sustentan el desarrollo del carpelo en el arroz y en otras angiospermas.

 



4 Comentarios

  1. Me gusta que se haya planteado una pregunta y luego se haya ido reconstruyendo a detalle desde el principio de lo que hoy en día quizá nos parece insignificante, como un grano de arroz tiene tanta historia atrás, increíble en serio, un verdadero misterio.

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