Células gigantes en los sépalos de las flores de Arabidopsis thaliana

Estas navidades, mientras hacía algunos calculitos matemáticos de dinámica no lineal en redes metabólicas sencillitas he estado escuchando de fondo las conferencias en vídeo del «KITP Miniprogram: Morphodynamics of Plants, Animals and Beyond,» August 24 – September 25, 2009, coordinado por Elliot M. Meyerowitz, Eric Mjolsness y Clare Yu. La conferencia que más me ha gustado es la de Adrienne Roeder, del Caltech, titulada «Imaging and Modeling the Patterning of Arabidopsis Sepal Cells,» Sep. 10, 2009, a la que dedicaré esta entrada. Su trabajo trata de entender las imágenes de las células de los sépalos de las flores de plantas que se han obtenido utilizando las técnicas de segmentación y procesado de imágenes que explica muy bien Alexandre Cunha en «Filtering and Segmentation Models for Computational Image Analysis,» Sep. 09, 2009.

Antes de nada, me gustaría indicaros que también me ha gustado mucho la conferencia de Petros Koumoutsakos, «Adaptive Methods for Deterministic and Stochastic Simulations of Growth,» Sep. 04, 2009. Petros empieza con la simulación de fluidos mediante sistemas de partículas, con énfasis en la técnica SPH (hidrodinámica de partículas suavizadas), muy utilizada en gráficos por ordenador (por ejemplo, en la película Titanic), y acaba con el estudio de los métodos numéricos y computacionales para la simulación estocástica del crecimiento y morfogénesis de tejidos de plantas. Me ha gustado en especial su presentación de su algoritmo acelerado para la simulación de ecuaciones diferenciales estocásticas que mejora el de Gillespie con τ-leaping. Parece que algunos de los asistentes no entendieron bien esta parte, por lo que se le solicitó un «Tutorial on Solving Stochastic Simulation Algorithms,» Sep. 14, 2009, que desde aquí recomiendo a los que puedan estar interesados en la simulación discreta de sistemas de reacciones químicas (y bioquímicas). Esto es muy importante en el estudio de proteínas y metabolitos cuya concentración dentro de la célula (o del núcleo celular) es baja y no permite un uso adecuado de la aproximación continua. Los biólogos y bioinformáticos disfrutarán con ambas conferencias, especialmente la segunda.

No puedo dejar de lado las dos conferencias del genial Alan C. Newell, irlandés, gran bebedor de cerveza y afincado actualmente en la Universidad de Arizona, en concreto «Patterns, Even Those On Plants, Are Universal Objects,» y «Patterns, Even Those On Plants, Are Universal Objects, Cont’d,» ambas en Sep. 15, 2009, que explican matemáticamente por qué la sucesión de Fibonacci aparece en los patrones que observamos en muchas plantas y objetos que nos rodean. Estudia una ecuación universal para la generación de patrones y como las inestabilidades (bifurcaciones) que presenta conducen a sucesiones de Fibonacci, no sólo las que empiezan con 1,1,2,3,…, sino también otras como las que empiezan por 2,2,4,6,10,… Desafortunadamente, la conferencia puede parecer un poco matemática a un público general. Aún así, los matemáticos y físicos que lean esto disfrutarán con dicha conferencia sin lugar a dudas.

Me voy por las ramas. Volvamos a la figura que abría esta entrada y a la conferencia de Adrienne Roeder, miembro del grupo de investigación de Elliot M. Meyerowitz especializado en el desarrollo de las flores de las plantas, con énfasis en Arabidopsis thaliana.

Los sépalos de las flores de A. thaliana presentan células de diferentes tamaños, con células gigantes (rojo en la figura de la izquierda), grandes (verde en la figura), medianas y de tamaño normal (gris en la figura), formando un patrón característico. Estas células gigantes crecen a partir de un sépalo inmaduro en el que todas las células tienen el mismo tamaño. Adrienne nos acalara que todas las células, tanto las normales como las gigantes, crecen al mismo ritmo (medido experimentalmente). Las células gigantes se desarrollan gracias a la endorreduplicación, un proceso por el que las células replican su ADN (fase S en la figura de la derecha), duplicando el número de sus cromosomas, y crecen en tamaño (fases G1 y G2), pero sin dividirse por mitosis (fase M). En un sépalo maduro el tejido típico tiene un 56,5 % de células con 2 cromosomas (2 C), un 35,5% con 4 cromosomas (4 C), un 6,9% con 8 C y un 1% con 16 C. El área en la imagen (tamaño) de las células crece (casi) linealmente con el número de cromosomas. Adrienne y su grupo han logrado reproducir los patrones de distribución de células de diferentes tamaños en los tejidos de los sépalos utilizando simulaciones por ordenador del crecimiento celular (como la mostrada en la figura donde pone «modeling»). Algunos de los vídeos que acompañan la conferencia muestran claramente cómo se duplican y crecen «in vivo» las células del sépalo, convirtiéndose en célulaas gigantes las que no se duplican y en medianas las que se duplican de forma tardía. Los estudios genéticos indican que uno de los responsables de que ciertas células no se dividan o se dividan de forma tardía es un gen inhibidor de la duplicación, llamado LGO. Han utilizado mutantes para comprobar esta hipótesis.

La cuestión clave del estudio, que todavía no está completamente resuelta, es para qué sirve la presencia de estas células gigantes en los sépalos de la flor. Los estudios con mutantes muestran que no influyen en el tamaño final del sépalo por lo que su utilidad debe ser otra. Adrienne nos indica que la clave puede estar en la generación de la curvatura del sépalo, la biomecánca del sépalo, pero que todavía no se conoce la respuesta definitiva. De hecho, el sépalo de otras plantas de la familia de las brasicáceas (o crucíferas) no presentan células gigantes.

Permitidme acabar citando algunos artículos interesantes sobre la genética y la biomecánica de la floración y los frutos que hacen hincapié en los efectos físicos (mecánicos) durante la morfogénesis y sus efectos sobre la curvatura de la flor o el fruto resultante, aunque no he encontrado ninguno específicamente sobre la curvatura en los sépalos.

Wouter G. van Doorn, Uulke van Meeteren, «Flower opening and closure: a review,» Journal of Experimental Botany 54: 1801-1812, August 1, 2003.

Enrico Coen, Anne-Gaëlle Rolland-Lagan, Mark Matthews, J. Andrew Bangham, Przemyslaw Prusinkiewicz, «The genetics of geometry,» PNAS 101: 4728-4735, April 6, 2004.

Dorota Kwiatkowska, «Flower primordium formation at the Arabidopsis shoot apex: quantitative analysis of surface geometry and growth,» Journal of Experimental Botany 57: 571-580, 2006.

Jie Yin, Zexian Cao, Chaorong Li, Izhak Sheinman, Xi Chen, «Stress-driven buckling patterns in spheroidal core/shell structures,» PNAS 105: 19132-19135, December 9, 2008.

Jie Yin, Xi Chen, Izhak Sheinman, «Anisotropic buckling patterns in spheroidal film/substrate systems and their implications in some natural and biological systems,» Journal of the Mechanics and Physics of Solids 57: 1470-1484, September 2009.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 2 enero, 2010
Categoría(s): ✓ Biología • Bioquímica • Ciencia • Mecánica • Science
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