Descubrimiento: un patrón en las hojas define los pulmones de las plantas

Una estudiante de doctorado identificó un patrón largamente ignorado sobre cómo las plantas desarrollaron su equivalente a los pulmones: diminutos poros en las hojas llamados estomas.

Utilizando técnicas de imagen especializadas y una especie de planta que no suele encontrarse en los laboratorios, los investigadores dicen que este descubrimiento revela una diferencia clave en la evolución de las plantas que viven en la tierra frente a las que pueden crecer en el agua. “Me pareció muy interesante, fue una gran sorpresa para mí. Recuerdo bien que, tras la observación en la sala del microscopio en la planta del sótano, me apresuré a subir las escaleras para contarle al doctor Koga mi descubrimiento”, afirmó en un comunicado la estudiante de doctorado de primer año Yuki Doll, que estudia en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Tokio bajo la supervisión del profesor adjunto Hiroyuki Koga.

“Por supuesto, yo y cualquier científico podemos ver que los estomas son diferentes, pero es fácil que lo ignoremos, que no percibamos ningún patrón. Cuando me enteré del descubrimiento también me emocioné mucho y comenté con él que debíamos profundizar en este tema”, comentó Koga. Cuando los estomas están abiertos, el dióxido de carbono, el oxígeno y el vapor de agua pueden entrar y salir de la hoja para realizar la fotosíntesis y la respiración. Manipular artificialmente el número de estomas es una forma potencial de mantener los cultivos sanos en un clima cambiante.

El equipo de la UTokyo estudió varios tipos de plantas del género Callitriche, que incluye especies terrestres y acuáticas. “Las callitriche es un grupo de plantas interesante, pero menor, y somos los únicos en el mundo que las utilizamos para la investigación biológica del desarrollo”, explicó Koga.

Recordando sus primeras experiencias examinando las plantas, Doll aseguró: “Cuando empecé a analizar los patrones de distribución de los estomas en las Callitriche acuáticas, sentí que la disposición de los estomas era diferente a la que me habían enseñado como estudiante en la especie común de laboratorio Arabidopsis. Tuve la impresión de que este extraño patrón debía ser el caso de todas las Callitriche, pero pensé que estaba bien, Arabidopsis y Callitriche son de linajes evolutivos muy diferentes, así que es natural que sean diferentes. Entonces analicé una especie terrestre de Callitriche y vi que se parecía mucho más a Arabidopsis”.

En concreto, Doll observó que los estomas y las células que los rodean en la superficie de las hojas de las plantas acuáticas eran mucho más uniformes que los tamaños variables de las células en las hojas de las plantas terrestres. El hecho de que dos especies de plantas estrechamente relacionadas desde el punto de vista evolutivo tuvieran patrones de desarrollo de estomas tan diferentes apuntaba a la posibilidad de que sus condiciones de vida, en tierra o en agua, pudieran regular el desarrollo de los estomas.

Koga y otros miembros del laboratorio habían perfeccionado previamente un método para visualizar la actividad de los genes en cada célula individual de las hojas enteras de las plantas intactas. La técnica de la hibridación fluorescente in situ de montaje completo no es nueva, pero es difícil e inusual utilizar esas herramientas de biología molecular sin cortar una planta en rodajas ultrafinas.

Las imágenes de las hojas de las Callitriche terrestres y acuáticas confirmaron que las plantas utilizaban los mismos dos genes para desarrollar sus estomas, pero los genes estaban activos en momentos diferentes. En casi todas las plantas, el gen SPEECHLESS promueve el crecimiento y la división de un grupo de células en la superficie de las hojas recién formadas.

Con el tiempo, el gen MUTE se activa en estas células y bloquea SPEECHLESS, haciendo que estas células dejen de dividirse y se diferencien en estomas. Mediante la unión de etiquetas fluorescentes artificiales a los dos genes, los investigadores pudieron ver con resolución unicelular cuándo se suprime SPEECHLESS y se activa MUTE. En la Callitriche terrestre, los investigadores vieron que MUTE se expresaba en células de todas las edades.

MUTE se expresaba de forma mucho más uniforme solo en las células más viejas de las especies acuáticas, que parecían saltarse la etapa de división y tener un retraso coordinado para esperar hasta el final del desarrollo de la hoja para activar MUTE. Los investigadores sospechan que las especies acuáticas evolucionaron para retrasar la formación de estomas para esperar y percibir si esta nueva hoja estará totalmente sumergida o si estará por encima de la línea de agua.

El intercambio de gases es menos eficiente bajo el agua, por lo que las hojas sumergidas suelen tener menos estomas que las hojas en el aire. El descubrimiento es apasionante para los biólogos evolutivos interesados en la relación entre las presiones ambientales y la genética evolutiva, pero también es relevante para el futuro de los cultivos en entornos cambiantes o imprevisibles. “La suposición habitual es que las especies estrechamente relacionadas tienen patrones de desarrollo de estomas similares, pero nuestro hallazgo clave es que éste no es el caso”, señaló Koga.

Los investigadores afirman que sus nuevos resultados demuestran que el entorno vital de una especie es la fuerza evolutiva importante que selecciona su patrón de desarrollo de estomas, y no solo la ascendencia genética de la especie.

Al comprender la vía genética completa que conduce al control flexible de la expresión de SPEECHLESS y MUTE entre las especies, los científicos pueden ser capaces de predecir qué linajes evolutivos de cultivos tienen más probabilidades de optimizar sus estomas para crecer en un clima cambiante.

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