Una buena charla molecular es necesaria para la reproducción sexual de las plantas

Dr. Paul Rosas Santiago y Dr. Omar Pantoja Ayala

Los doctores Paul Rosas Santiago y Omar Pantoja Ayala son investigadores del IBt en el Departamento de Biología Molecular de Plantas, son además, ganadores del Reconocimiento al Mérito Estatal de Investigación 2018 (REMEI), en la categoría de investigación Científica, otorgado por la Secretaría de Innovación, Ciencia y Tecnología del estado de Morelos.

La reproducción sexual es un acto que transcendió en varios organismos y su función fue, y sigue siendo, proveerlos de variabilidad y diversidad de genes. Esto llevó a generar dentro de una misma especie, como la de los seres humanos, dos géneros, el femenino y el masculino. Las diferencias de estos géneros yacen, entre otras características, en sus órganos reproductores. Este evento tiene la misma importancia en las plantas, ya que a través de la fecundación se generan los frutos y las semillas, sin los cuales, el establecimiento de las civilizaciones humanas hubiera sido imposible. Si bien la reproducción en plantas es diferente en varios aspectos, comparada a la que ocurre en los seres humanos, el objetivo es el mismo: dar continuidad a la especie.

Al observar una planta, vemos que esta puede poseer muchas flores y en esas flores, millones de granos de polen y miles de óvulos, los cuales tienen la capacidad de generar un nuevo ser vivo único, a través de un evento denominado fertilización. Un aspecto curioso de las plantas es que el polen puede viajar adherido a algún insecto, un animal, o bien ser transportado por el aire y por ello existe la posibilidad de que algunas plantas reciban granos de polen que no corresponden a su especie. Si el polen depositado en la flor corresponde a la misma especie, se dará inicio a la fertilización. Antes de describir a la fertilización habrá que hacer mención a la constitución de los órganos reproductores de las plantas. Dentro de la flor existen unos filamentos que sostienen en su parte más alta a las anteras, las cuales producen el polen. Esta estructura se conoce como estambre. Otra de las partes de una flor es el estigma, que es pegajoso y se posiciona sobre el estilo, el cual es un tubo que conduce a donde se encuentran los ovarios. A estas estructuras se les conoce como pistilo. Otras partes importantes de las flores son los pétalos, que atraen a los insectos, aves, o en algunos casos, mamíferos como los murciélagos, y finalmente, los sépalos, que protegen al brote inicial de la flor.

La charla de cortejo en las plantas se inicia con el depósito del grano de polen en el estigma, donde ocurre una primera selección que permite el desarrollo del tubo polínico. Aquí las condiciones del estigma permiten que factores como moléculas de ceras y agua provean la selección adecuada del polen, es decir que sea de la misma especie. Este primer encuentro entre el estigma y el grano de polen permitirá el desarrollo del tubo polínico. En especies como el maíz, el tubo polínico puede crecer hasta 30 cm. La longitud del estilo en esta especie se puede apreciar en las estructuras que conocemos como pelos de elote. La relación entre el tubo polínico y el estigma se termina cuando el tubo se encuentra con el estilo, comenzando un nuevo vínculo muy estrecho dentro de la cavidad de éste. Aquí es donde el tubo polínico inicia su elongación gracias a conversaciones estrechas con el estilo a través de un intercambio de señales donde el ión calcio juega un papel muy importante, ya que estimula el crecimiento del tubo polínico y controla su dirección hacia el ovario. Este ión se concentra en la punta del tubo polínico, mediante la actividad de varias proteínas que actúan como compuertas, permitiendo su movimiento entre el estilo y el contenido intracelular del tubo, a través de su membrana plasmática que es una estructura que delimita al tubo. Entre las posibles proteínas ancladas a la membrana que realizan este movimiento/transporte de calcio se encuentran aquellas que, de forma interesante, también se presentan en algunas células nerviosas de mamíferos, los denominados receptores de glutamato o GLR’s (Glutamate Like Receptors). Una de las posibles fuentes del calcio necesario para el desarrollo del tubo polínico es el medio que lo rodea, es decir, el interior del estilo.

Aunque la importancia del calcio en el desarrollo del tubo polínico está bien establecida, él, o los mecanismos responsables (las proteínas que participan en este evento) de generar su acumulación en la punta del tubo se desconocía hasta recientemente. Gracias a la integración de un grupo de trabajo multinacional conformado por el Dr. Paul Rosas Santiago y el Dr. Omar Pantoja Ayala, del Instituto de Biotecnología de la UNAM, en colaboración con el grupo del Dr. José Feijó de la Universidad de Maryland, EUA y del Instituto Gulbenkian de Ciencias de Portugal, se logró demostrar que algunos de los GLR’s podrían llevar a cabo esta actividad, al funcionar como estas compuertas que permiten el movimiento del calcio (canales iónicos). Empleando a la planta modelo Arabidopsis thaliana, el grupo demostró la localización de algunos GLR’s en la membrana plasmática del tubo polínico, así como en la membrana de otros organelos de la célula, y de manera sorpresiva, en la membrana plasmática de las células espermáticas del tubo polínico. Con el empleo de técnicas muy novedosas como la edición génica por el sistema CRISPR/Cas (ver Biotecnología en Movimiento, número 5, pág. 23), se observó que la mutación de algunos GLRs conducía a un menor y más lento desarrollo del tubo polínico. Además de estos hallazgos, los investigadores también encontraron que la localización de los GLR’s depende de su unión con otras proteínas denominadas cornichon (pepinillo), que se requieren para que los GLR’s sean transportados desde su sitio de síntesis (el retículo endoplásmico) hasta su sitio de residencia (las membranas), donde realizan el transporte de calcio a través de las diferentes membranas, y conducir así al desarrollo del tubo polínico.

Las proteínas cornichon fueron identificadas por primera vez en plantas por el Dr. Rosas Santiago durante sus estudios de Doctorado, abriendo una nueva línea de investigación que condujo al establecimiento de la colaboración con el grupo del Dr. Feijó. Trabajos adicionales realizados en el laboratorio del Dr. Pantoja han demostrado que las proteínas cornichon de plantas presentan una diferencia característica con aquellas presentes en animales, la presencia de una región acídica en la terminal carboxilo, donde predominan los aminoácidos glutamato y aspartato. Se ha demostrado que la presencia de esta región es importante para que las proteínas cornichon reconozcan a otras proteínas como los GLR’s. En el estudio reciente del grupo y publicado en la prestigiada revista Science, se demostró que sólo aquellas proteínas que presentaban esta región ácidica se asocian con algunos GLR’s para dirigirlos a la membrana plasmática, donde posiblemente funcionen en el transporte de calcio. Simultáneamente se demostró la asociación de dos proteínas cornichon entre sí, estableciendo la formación de un dímero, que fue necesaria no sólo para el transporte del GLR a la membrana, sino también para su activación como canal iónico.

En resumen, el trabajo realizado por los Drs. Rosas Santiago y Pantoja Ayala en colaboración con el grupo del Dr. Feijo, ha demostrado que la asociación de dos proteínas cornichon con una GLR, permite que esta última llegue a su membrana de residencia, y a su activación como canal iónico, para generar los gradientes de calcio necesarios para el crecimiento y dirección del tubo polínico hacia el óvulo para llevar a cabo la fertilización. Este trabajo ayuda a comprender mejor el proceso de fertilización de las plantas superiores, o sea aquellas que producen flores, conocidas como angiospermas, dentro de las cuales se encuentra una gran mayoría que sirven como alimento tanto del ser humano como de los animales domesticados, ya que de ellas emergen los frutos y semillas. Se espera que en un futuro esta información permita entender mejor la reproducción en plantas, su evolución y la investigación en las mejoras de especies de plantas de interés agrícola, a través de su fertilización artificial o asistida por algunos insectos como las abejas.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento

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