La nueva red de expresión genética puede ayudar a comprender el mecanismo detrás de la actividad continua de las células madre en la planta



Un grupo de investigación interuniversitario ha logrado construir la red de expresión génica detrás del proceso de desarrollo vascular en las plantas.

Lo lograron mediante la realización de análisis bioinformáticos utilizando la plataforma de cultivo de tejidos ‘VISUAL’, que genera células madre vasculares a partir de células foliares. En esta red, también descubrieron un nuevo factor de transcripción BES / BZR, BEH3, que regula las células madre vasculares. Además, iluminaron un novedoso sistema de mantenimiento de células vasculares mediante el cual BEH3 compite con otros factores de transcripción de la misma familia BES / BZR para estabilizar la multiplicación y diferenciación de células madre vasculares.

El grupo de investigación conjunto estuvo formado por el investigador científico FURUYA Tomoyuki y el profesor asociado KONDO Yuki et al. (de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Kobe), el Profesor SATAKE Akiko de la Universidad de Kyushu, el Profesor Especialmente Designado TANOKURA Masaru y el Profesor Asociado Especialmente Designado MIYAKAWA Takuya (de la Escuela de Graduados de Ciencias Agrícolas y de la Vida de la Universidad de Tokio), y el Profesor Asociado YAMORI Wataru (de el Instituto de Servicios Agroecosistémicos Sostenibles de la Universidad de Tokio).

Los investigadores esperan identificar más factores reguladores para las células madre, lo que contribuirá a nuestra comprensión de la base molecular detrás de la actividad continua de las células madre en las plantas.

Estos resultados de la investigación se publicaron en la revista estadounidense de ciencias de las plantas. La célula vegetal el 1 de junio de 2021.

Puntos principales

  • Los investigadores extrajeron un total de 394 genes específicos de las células madre vasculares de extensos conjuntos de datos de expresión génica. Entre ellos, descubrieron BEH3, un nuevo factor regulador de células madre que pertenece a la familia de factores de transcripción BES / BZR.
  • Descubrieron que, a diferencia de los otros factores de transcripción BES / BZR, BEH3 casi no tiene dominios funcionales e inhibe competitivamente la actividad de estos otros factores.
  • El grupo de investigación demostró que esta relación competitiva entre los factores de transcripción BES / BZR estabiliza la multiplicación y diferenciación de las células madre vasculares, iluminando el sistema regulador que mantiene la actividad continua de las células madre vasculares.

Antecedentes de la investigación

Las plantas toman forma auto-replicando sus células madre y diferenciando estas células madre para que tengan funciones especializadas para construir partes de la planta, como sus órganos y tejidos. A diferencia de los animales, las plantas continúan regenerándose y creciendo produciendo células madre a lo largo de su vida. Por ejemplo, los árboles como la criptomeria pueden tener una vida útil prolongada (el árbol de cedro de Jomon en la isla Yakushima de Japón tiene al menos 2000 años de antigüedad) y cada año promueven un crecimiento secundario que da como resultado otro anillo de árboles alrededor de sus troncos.

Este crecimiento secundario se produce dentro de una región de tejido meristemático llamada capa de cambium, donde las células madre vasculares se multiplican y se diferencian en células de xilema y células de floema, lo que permite que el tronco se ensanche. En otras palabras, las plantas deben producir continuamente células madre vasculares a lo largo de su vida para seguir creciendo, y es vital para ellas mantener el equilibrio entre la multiplicación y diferenciación de células madre.

En los últimos años, los estudios que utilizan la planta modelo Arabidopsis thaliana Se han realizado estudios sobre cómo se regula la multiplicación y diferenciación de las células madre desde las perspectivas de la investigación en genética, ciencias de la vida e informática. Sin embargo, aún no se ha entendido el mecanismo por el cual las plantas regulan y mantienen el equilibrio adecuado de las células madre.

Metodología y resultados de la investigación

Para analizar el proceso por el cual las células madre vasculares se diferencian en células de xilema y células de floema (Figura 1), el grupo de investigación del Profesor Asociado Kondo et al. Desarrolló el sistema de cultivo de tejidos ‘VISUAL’ para generar artificialmente células madre a partir de células foliares.

VISUAL tiene muchos beneficios que lo hacen adecuado para la investigación de células madre vasculares, por ejemplo, es fácil analizar genéticamente plantas a las que se les ha eliminado una función genética particular (es decir, mutantes) y también es posible observar la progresión temporal de las células madre vasculares. diferenciación. En este estudio, los investigadores recopilaron datos sobre múltiples mutantes y llevaron a cabo análisis a gran escala de la expresión génica en varios momentos.

Llevaron a cabo un análisis de redes de coexpresión de genes sobre similitudes en los patrones de expresión para evaluar la relación entre diferentes genes. A partir de este análisis, lograron identificar los grupos distintivos de genes en las células del xilema, las células del floema y las células madre vasculares (Figura 1). Utilizando VISUAL, este grupo de investigación reveló previamente que los factores de transcripción BES / BZR BES1 y BZR1 juegan un papel importante en la diferenciación de células madre vasculares. Esta vez, identificaron otro factor de transcripción BES / BZR, BEH3, en el grupo de genes de células madre vasculares mediante análisis de redes, y también examinaron su función supresora de células madre vasculares.

A continuación, los investigadores investigaron la formación vascular utilizando mutantes a los que se eliminó la función de BEH3. Encontraron que los mutantes tenían grandes variaciones en el tamaño vascular en comparación con el tipo salvaje (planta no mutante) y concluyeron que BEH3 estabiliza las células madre vasculares.

El grupo de investigación había descubierto anteriormente que el fortalecimiento de la función de BES1 (que promueve la diferenciación de las células vasculares) hacía que la cantidad de células vasculares disminuyera, sin embargo, encontraron que cuando fortalecían la función de BEH3 ocurría lo contrario y aumentaba la cantidad de células madre vasculares.

Al investigar esto más a fondo, el grupo de investigación descubrió que, aunque BEH3 podría unirse al mismo motivo de ADN (motivo BRRE) que los otros factores de transcripción BES / BZR, la capacidad de BEH3 para regular la expresión de genes posteriores era significativamente más débil. Estos resultados mostraron que BEH3 dificulta la actividad de otros factores de transcripción BES / BZR (Figura 2), y los investigadores infirieron de esta relación que la función de BEH3 en las células madre vasculares es opuesta a la de los factores de la misma familia, incluido BES1.

Se utilizó un modelo matemático para verificar y simular esta relación competitiva entre BEH3 y los otros factores de transcripción BES / BZR, y los resultados indicaron que la presencia de BEH3 en las células madre vasculares contribuye a estabilizar el tamaño vascular (Figura 3).

Nuevos desarrollos

Se cree que hay muchos candidatos genéticos importantes en la red de expresión génica de células madre vasculares de este grupo de investigación que contribuirán a comprender el desarrollo y las funciones vasculares. Se espera que la valiosa información obtenida a través de este estudio acelere la investigación vascular. Además, esclarecer aún más las relaciones entre BEH3 y otros factores de transcripción BES / BZR y sus respectivas diferencias profundizará nuestra comprensión del mecanismo por el cual las plantas mantienen el equilibrio entre la multiplicación y diferenciación de células madre.

En el futuro, este conocimiento podría contribuir a las técnicas de producción de biomasa y otras áreas que requieren un crecimiento vegetal estable a gran escala.

Fuente:

Referencia de la revista:

Furuya, T., et al. (2021) El análisis de la red de coexpresión genética identifica a BEH3 como un estabilizador del desarrollo vascular secundario en Arabidopsis. La célula vegetal. doi.org/10.1093/plcell/koab151.

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