Respuesta específica de la planta: rápido arraigo descendente

Las plantas terrestres han sufrido muchos cambios importantes.Las raíces deben desarrollar la capacidad de absorber agua y minerales, y tener la capacidad de «arraigar», es el llamado «geotropismo». Con la geotaxis, las plantas terrestres pueden fijarse firmemente en el suelo y luego pueden absorber agua y minerales del suelo y enviarlos a otras partes.
Ye Lushu| Profesor de la Universidad Shu Tzu Chi

Desde vivir en el vasto mar hasta la tierra, las plantas terrestres han sufrido muchos cambios importantes. También incluye que las raíces deben desarrollar la capacidad de absorber agua y minerales, y tener la capacidad de «arraigar», es decir, desarrollar la capacidad de responder a la gravedad, que es el llamado «geotropismo». Con la geotaxis, las plantas terrestres pueden fijarse firmemente en el suelo y luego pueden absorber agua y minerales del suelo y enviarlos a otras partes.

A partir de años de investigación utilizando plantas con flores como modelo, se sabe que es más probable que la geotaxis de las raíces de las plantas pase a través de un grupo de células ubicadas en el casquete de la raíz, llamadas células de la columna, que contienen gránulos de almidón. statolito) para detectar la gravedad, y luego la distribución de las proteínas PIN (principalmente PIN2, PIN3 y PIN7) responsables del transporte unidireccional de auxina en la célula cambia, y esto hace que la auxina comience a transportarse hacia las raíces hasta el suelo; Dado que las raíces son más sensibles a la concentración de auxina que los tallos, este transporte asimétrico inhibe el crecimiento de las raíces hacia el suelo y las raíces comienzan a doblarse hacia el suelo.

Pero las plantas terrestres no son solo plantas con flores. Musgos, pino piñonero, helechos y gimnospermas son plantas terrestres ¿Tienen geotaxis similar a las plantas con flores? El musgo no tiene raíces verdaderas, solo rizoides; el pino piñonero, los helechos y las gimnospermas tienen raíces verdaderas como las plantas con flores. Ya sea que tengan raíces verdaderas o no, todas tienen la misma respuesta a la gravedad. , ¿O solo las plantas con raíces reales pueden reaccionar rápidamente a la gravedad? ¿O es que incluso si tiene raíces reales, es posible que no pueda responder rápidamente a la gravedad?

Para responder a estas preguntas, el equipo de investigación europeo seleccionó Physcomitrella patens, Selaginella moellendorffii, Ceratopteris richardii, Pinus taeda, Arabidopsis thaliana ), algodón de árbol (Gossypium arboretum) y arroz (Oryza sativa), observan la geotaxis de sus raíces.

¿Cómo observarlo? El equipo de investigación los cultivó en un medio de cultivo y luego los giró noventa grados para observar cuánto tiempo tardaban las raíces en comenzar a inclinarse hacia el suelo. Como resultado, se descubrió que no solo Physcomitrella patens sin raíces verdaderas reaccionaban lentamente a la gravedad, sino que incluso Selaginella vulgaris y el helecho acuático Richard con raíces verdaderas reaccionaban muy lentamente a la gravedad. Solo el pino taco, Arabidopsis thaliana, el árbol del algodón y el arroz, dentro de una hora después de girar 90 grados, las raíces de las raíces crecieron hasta el suelo. En otras palabras, la geotaxis rápida puede existir solo en plantas con semillas.

Para comprender si la geotaxis rápida está relacionada con los gránulos de almidón, el equipo de investigación utilizó la tinción de Lugol para observar las puntas de las raíces de las plantas. Los resultados de la tinción mostraron que la punta de la raíz de Physcomitrella patens no tenía gránulos de almidón, la punta de la raíz de Selaginella glutinosa tampoco tenía gránulos de almidón, pero las células de la raíz alejadas de la punta de la raíz sí; Los gránulos de almidón se pueden ver en las células de las raíces. Solo las raíces de las plantas con semillas (pino loblolly, Arabidopsis, algodón y gránulos de almidón de arroz) solo aparecen en las puntas de las raíces. Cuando el equipo de investigación giró estas plantas ciento ochenta grados para observar si los gránulos de almidón cambiarían de posición como resultado, los gránulos de almidón de Selaginella vulgaris y el helecho acuático Richard no cambiaron de posición, solo los gránulos de almidón de las plantas de semillas cayeron a La posición más cercana en la celda al suelo.

Estudios anteriores en Arabidopsis encontraron que PIN2 es la más importante de las tres proteínas PIN relacionadas con la geotaxis de las raíces. La Arabidopsis thaliana que ha perdido la proteína PIN2, debido a la obstrucción del transporte unidireccional de auxina, existe una barrera a la geotaxis. Para aclarar el papel de PIN2 en diferentes plantas, el equipo de investigación buscó el gen PIN2 de Arabidopsis thaliana y descubrió que aunque PIN2 solo está presente en plantas con flores, las plantas evolutivamente primitivas aún pueden encontrar genes relacionados de la familia PIN.

Para confirmar si estos genes juegan un papel en la respuesta geotaxis, el equipo de investigación seleccionó y clonó los genes PIN de Chlorella, Radix Physalis, Physcomitrella patens, Selaginella vulgaris y Richard Water Fern, y los transfirió a Arabidopsis thaliana. En los mutantes pin2, observe si pueden reemplazar al PIN2; resulta que ninguno de los genes PIN de las plantas antes mencionadas puede hacer que los mutantes pin2 vuelvan a la normalidad, pero el PINH y el PING del pino loblolly pueden lograr su misión. Un análisis más detallado del rendimiento de estos dos genes en el pino piñonero también encontró que, como Arabidopsis PIN2, son particularmente altos en la punta de la raíz. No es sorprendente que el algodón y el arroz (plantas con flores) también tengan genes que pueden restaurar los mutantes pin2 a la normalidad. Estos resultados muestran que no solo el movimiento de los gránulos de almidón, sino también el PIN2 es importante para que las plantas respondan rápidamente a la geotaxis.

En la membrana celular, PIN2 de Arabidopsis thaliana se concentra solo en el lado que mira al tallo; el equipo de investigación fusionó los genes PIN de varias plantas que fueron seleccionadas con proteína verde fluorescente (GFP) para observar su posición en la membrana celular. Se encontró que solo el PINH / G y PIN2 de las plantas con semillas (pino Loblolly, algodón de árbol, Arabidopsis, arroz) solo aparecían en el lado que miraba hacia el tallo, y las proteínas PIN de otras plantas se distribuían uniformemente.

La respuesta rápida requiere que los gránulos de almidón puedan hacer rápidamente el cambio de posición correspondiente después de que la planta cambie de posición, seguido del cambio de distribución de la proteína PIN, y luego el transporte unilateral de auxina hará que las raíces se doblen. En la proteína PIN, el papel de PIN2 es el más importante, y solo el gen PIN2 distribuido asimétricamente existe en las plantas con semillas. Los resultados del equipo de investigación en este artículo muestran que no todas las plantas tienen geotaxis rápida, sino solo en las plantas con semillas; otras plantas (musgos, pino piñonero, helechos) solo tienen geotaxis lenta, No solo proporciona más información sobre la geotaxis de las plantas terrestres, sino que también permite que todos comprendan por qué las plantas con semillas pueden dominar el mundo.

referencias:

Yuzhou Zhang, Guanghui Xiao, Xiaojuan Wang, Xixi Zhang, Jiří Friml. Evolución del gravitropismo rápido de raíces en plantas con semillas. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038 / s41467-019-11471-8


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