Investigadores del CRAG i de la UB descobreixen mecanismes bàsics de creixement i reparació cel·lular de les arrels

La col·laboració interdisciplinària entre la física i la biologia molecular ha permès resoldre preguntes fonamentals sobre el creixement de l’arrel de les plantes 

Aquests descobriments obren la porta a generar plantes més resistents a la sequera, un dels problemes més importants en el context actual de canvi climàtic

Entendre bé el funcionament de la biologia de les arrels és clau per saber de quina manera les plantes pateixen o s’adapten a condicions ambientals adverses com la sequera. Dos estudis apareguts recentment descriuen aquest tipus de mecanismes: un d’ells, publicat a la revista Molecular Systems Biology, explica el procés pel qual les cèl·lules deixen de créixer per passar a diferenciar-se; el segon, publicat al Journal of Cell Science, descriu la capacitat de reparació cel·lular de les plantes després de ser danyades.

El primer treball és el resultat de la recerca desenvolupada conjuntament entre l’equip de la biòloga molecular Ana Caño Delgado, investigadora del CSIC al Centre de Recerca Agrigenòmica (CRAG), i la física Marta Ibañes, del Departament de Física de la Matèria Condensada i de l’Institut de Recerca en Sistemes Complexos de la Universitat de Barcelona (UBICS). El segon és un estudi del mateix equip del CRAG.

Com saben les cèl·lules quan han de deixar de créixer?

L’arrel de la planta model Arabidopsis thaliana, utilitzada en aquests treballs, és un òrgan relativament senzill, en què les cèl·lules que tenen funcions diferents estan separades en l’espai. Així, a la punta hi ha les cèl·lules mare, envoltades de cèl·lules filla que es divideixen per produir tots els teixits de l’arrel. Les cèl·lules filla creixen en longitud i es diferencien per poder adquirir les funcions típiques que permeten a l’arrel transportar aigua i nutrients. Perquè l’arrel creixi i s’adapti a un entorn canviant, aquest procés de divisió, elongació i diferenciació cel·lular ha d’estar perfectament coordinat.

Els equips d’Ibañes i Caño Delgado van partir de tres hipòtesis per explicar com saben les cèl·lules quan han de deixar de créixer: perquè ha passat un temps determinat des que es van dividir, perquè detecten en quina posició es troben a l’arrel, o perquè són capaces de detectar quina mida tenen. Per elucidar quina d’aquestes tres hipòtesis era certa, la investigadora Irina Pavelescu, primera autora del treball, va crear tres models analítics i computacionals del creixement de l’arrel. Aquests models van ser comprovats amb mesures reals de la longitud de les cèl·lules en arrels d’Arabidopsis, realitzades amb microscòpia confocal al CRAG. «La conclusió principal d’aquest estudi és que les cèl·lules de l’arrel saben d’alguna manera que han arribat a la mida correcta i així deixen de créixer i finalitzen la seva diferenciació. Per tant, és en funció de la seva mida que deixen de créixer», explica Marta Ibañes (UB, UBICS).

Gràcies als models matemàtics creats, les investigadores també van poder explicar l’efecte que tenen les hormones vegetals esteroides —brassinoesteroides— en el creixement de l’arrel. En aquest cas, es van mesurar les cèl·lules de plantes d’Arabidopsis que, per falta del receptor per a les hormones esteroides, tenen l’arrel i la tija nanes. El treball va demostrar que les arrels creixien normalment quan, mitjançant tècniques de biologia molecular amb resolució cel·lular, es restaurava el receptor de brassinoesteroides només en les cèl·lules que es divideixen, fet que indica que l’efecte de l’hormona perdura en la cèl·lula en fase de creixement. 

Els esteroides vegetals són essencials per a la regeneració cel·lular

De manera simultània, el grup de recerca del CRAG liderat per Ana Caño Delgado ha descobert més detalls sobre el creixement de l’arrel i sobre la seva capacitat de reparació cel·lular després d’un dany, troballes que s’han publicat a la revista Journal of Cell Science. En concret, el treball publicat constata que, quan les cèl·lules mare de l’arrel moren a causa d’un estrès genòmic, s’envia un senyal d’hormones esteroides a les cèl·lules mare reservori perquè aquestes es comencin a dividir i puguin reemplaçar les cèl·lules mare danyades. D’aquesta manera es manté el creixement de l’arrel, i amb ell la vida de la planta.

«Els esteroides vegetals, a diferència de la majoria d’hormones vegetals, no es transporten a llargues distàncies. No obstant això, el nostre estudi demostra que sí que hi ha un transport d’aquestes hormones de curta distància, i que aquest és important per a la comunicació cel·lular durant la renovació de les cèl·lules», explica Fidel Lozano Elena, estudiant predoctoral al CRAG i primer autor de l’article. «Aquest sistema de senyalització més complex entre grups cel·lulars fa que les plantes siguin més resilients», afegeix Ainoa Planas Riverola, també primera autora i estudiant de doctorat en el grup.

«Si podem modular aquests processos en l’arrel, podrem fer arrels més fortes, més ben ancorades i, en definitiva, més resistents als reptes del canvi climàtic», explica Ana Caño Delgado. No hem d’oblidar que la sequera és actualment el problema més greu de l’agricultura. A Espanya ja s’acumulen diversos anys amb menys pluja del normal, i segons un informe recent de la Unió de Petits Agricultors i Ramaders (UPA), l’any 2017 la sequera va causar pèrdues de més de 3.600 milions d’euros en el sector agrícola i ramader d’Espanya, en gran part a causa d’una enorme pèrdua de rendiment dels cultius. Aquesta situació de sequera es reprodueix en tots els continents i posa en risc la capacitat per alimentar la població creixent. «Per això, es fa necessari obtenir cultius que, amb menys aigua, produeixin aliments segurs i de qualitat en quantitats suficients», conclou Caño Delgado.

Els treballs han tingut el finançament del Ministeri d’Economia, Indústria i Competitivitat (MINECO), l’Organització Europea de Biologia Molecular (EMBO) i el Consell Europeu de Recerca (ERC), així com del Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) i la Generalitat de Catalunya.♦

Articles de referència: Irina Pavelescu, Josep Vilarrasa-Blasi, Ainoa Planas-Riverola, Mary-Paz González-García, Ana I. Caño-Delgado i Marta Ibañes. «A sizer model for cell differentiation inArabidopsis thaliana root growth». Molecular Systems Biology, gener de 2018. Doi: 10.15252/msb.20177687

Fidel Lozano-Elena, Ainoa Planas-Riverola, Josep Vilarrasa-Blasi, Rebecca Schwab, Ana I. Caño-Delgado. «Paracrine brassinosteroid signaling at the stem cell niche controls cellular regeneration», Journal of Cell Science, 2017: jcs.204065. Doi: 10.1242/jcs.204065