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Desentrañando los mecanismos de producción de algodón de alta calidad

Un nuevo estudio utiliza modelos computacionales para determinar cómo y por qué se desarrolla la calidad del algodón.
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La fibra de algodón es el cultivo no alimentario más producido en el mundo según la FAO. Su la producción contribuye significativamente a las economías de muchos países en desarrollo y a los medios de subsistencia de millones de pequeños productores rurales en todo el mundo.

Dos semillas de algodón con fibra asociada. La semilla silvestre de la izquierda tiene una fibra marrón escasa y más corta. La semilla doméstica de la derecha tiene una fibra blanca más larga y densa.
Semilla y fibra asociada de una planta de algodón silvestre (izquierda) y doméstica (derecha). Imagen de Gross y Estrasburgo (2010).

Las variedades modernas de algodón se derivaron de procesos de domesticación y mejora que se remontan a miles de años. El principal cambio durante este tiempo fue que las fibras de algodón se han vuelto más largo, más fino y más fuerte.

Los esfuerzos modernos para diseñar algodón para mejorar aún más la calidad de la fibra se ven obstaculizados por un conocimiento insuficiente sobre los mecanismos subyacentes que controlan las características de la fibra.

Dr. Daniel Szymanski, Profesor de Botánica y Patología Vegetal en la Universidad de Purdue y Dr. Joe Turner en la Universidad de Nebraska desarrollaron simulaciones realistas que les permitieron analizar los componentes celulares que controlan el diámetro y la longitud de la fibra de algodón.

Cada fibra de algodón es una célula alargada individual que crece en la superficie de la cubierta de la semilla en desarrollo. Esto los hace fáciles de purificar y obtener imágenes utilizando técnicas de microscopía avanzadas, lo que los convierte en un poderoso modelo de una sola célula para conocer el crecimiento y desarrollo de las plantas, el ensamblaje de la pared celular y la morfogénesis celular.

Diagrama de celda de fibra de algodón.

La anatomía de las fibras determina la calidad del producto final. El Dr. Szymanski explica, “el diámetro de la fibra contribuye a su finura en términos de una mayor cantidad de hilos y una sensación suave y sedosa. Al comienzo del desarrollo celular, la fibra se estrecha rápidamente y el diámetro resultante parece mantenerse a medida que la fibra se alarga. Por lo tanto, centramos nuestros esfuerzos en los mecanismos de disminución de la pared celular porque la extensión y la duración de la disminución determina su diámetro”.

Se utilizó microscopía de células vivas para determinar la línea de tiempo de desarrollo precisa y el grado de disminución de la fibra medida en días después de la antesis. Esto incluyó mediciones de las tasas de expansión de las células locales y el radio de curvatura de la punta de la fibra (un indicador del diámetro de la fibra) durante el desarrollo temprano de la fibra.

Su investigación se centró en las estructuras del citoesqueleto porque permiten que las células generen y mantengan formas celulares altamente polarizadas (asimétricas). Los citoesqueletos pueden estar hechos de actina o filamentos de microtúbulos; ambos cooperan para mediar en la disminución de la fibra de algodón. Para analizar las redes de actina en células ahusadas, utilizaron una combinación de imágenes de células vivas y seguimiento de partículas. A través de la localización de las vías de actina en la célula, los autores determinaron cómo la célula distribuye la entrega de materias primas a lo largo de la superficie celular en expansión.

Una fibra en desarrollo se marca con partículas fluorescentes. Las partículas permiten medir el movimiento. Durante medio día, las partículas en la punta no se han separado, pero el eje se ha alejado de la base, lo que indica elongación.
Imagen de campo claro de gran aumento de una fibra en desarrollo a los 1,5 y 2 días después de la antesis (DPA) marcada con partículas fluorescentes. Las partículas rastreables numeradas y sus posiciones en los intervalos de adquisición de imágenes se indican con puntos centrados en círculos abiertos.

Curiosamente, encontraron que el citoesqueleto de microtúbulos, que modela las orientaciones de las microfibrillas de celulosa en la pared celular en crecimiento, incluye una zona de agotamiento de microtúbulos apicales y microtúbulos transversales altamente organizados.

El citoplasma empobrecido en microtúbulos cerca del vértice muestra una orientación de 90 grados desde la punta
La zona de agotamiento de los microtúbulos apicales (MDZ) de las fibras de algodón.

Los autores crearon un modelo de elementos finitos del crecimiento de la fibra de algodón para determinar qué propiedades del material en la pared se requieren para permitir que la fibra se estreche y se elongue sin que se hinchen las células. Estas simulaciones revelaron un requisito estricto de fibras transversales para restringir el hinchamiento radial y una zona isotrópica de fibras orientadas aleatoriamente en el ápice para hacer que el diámetro de la celda en el ápice se restringiera progresivamente durante el crecimiento. El modelo también proporcionó una forma fiable de predecir las magnitudes y direcciones de las fuerzas de tracción en el muro. Estas simulaciones indican que la magnitud de la fuerza y la orientación retroalimentan el sistema de microtúbulos para permitir que la célula integre la forma celular con el patrón de la pared celular dependiente de los microtúbulos. Los datos experimentales multiescala descritos anteriormente fueron fundamentales para la creación del modelo.

Según Szymanski, “la combinación de la simulación del modelo de elementos finitos y la biología celular moderna proporciona una base de conocimientos para permitir la ingeniería de fibras. El desafío clave ahora es identificar los genes y módulos que subyacen en rasgos importantes de la fibra como el diámetro, la torsión y la longitud”.

LEER EL ARTÍCULO:

M Yanagisawa, S Keynia, S Belteton, JA Turner, DB Szymanski, Un mecanismo celular conservado para el control del diámetro y la longitud de la fibra de algodón, in silico Plants, 2022;, diac004, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac004

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