Un equip liderat per investigadores del CSIC al Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) i de la Universitat de Barcelona (UB) descobreix que les proteïnes BRAVO i WOX5, implicades en el control de la divisió de cèl·lules mare en l’arrel de les plantes, es necessiten entre elles per al correcte funcionament d’aquestes cèl·lules. L’estudi combina el treball experimental amb plantes i la modelització matemàtica. El mecanisme descobert a la planta model arabidopsis proporciona coneixements que podrien ser útils, no només en agricultura, sinó també per dissenyar estratègies eficaces en medicina i cosmètica, que frenin l’envelliment cel·lular i afavoreixin la regeneració tissular.

Un equip de recerca multidisciplinari, liderat per la biòloga del CSIC al CRAG Ana I. Caño Delgado i la física de la Universitat de Barcelona Marta Ibañes, ha descobert que dues proteïnes de les cèl·lules mare de les plantes, conegudes pel seu paper en el desenvolupament correcte de l’arrel, interaccionen físicament i es regulen l’una a l’altra per evitar la divisió cel·lular. El treball, resultat de quinze anys de recerca de les dues investigadores, revela que aquestes dues proteïnes, anomenades BRAVO i WOX5, actuen de manera específica en un petit grup de cèl·lules mare, i que la seva interacció és clau per a la supervivència de la planta davant factors d’estrès genòmic i ambiental, com la calor o el fred extrems, o les inundacions. Un article publicat recentment a la revista Molecular Systems Biology recull aquests resultats, obtinguts amb la planta model Arabidopsis thaliana.

De la mateixa manera que les proteïnes BRAVO i WOX5 es necessiten mútuament per fer la seva funció correctament, aquest descobriment no hauria estat possible sense la unió dels coneixements i les disciplines acadèmiques dels equips de les dues científiques: d’una banda, la bioquímica, la genètica i la biologia cel·lular, i de l’altra, la modelització matemàtica.

«Treballs previs nostres i d’altres equips havien demostrat que la pèrdua d’una de les dues proteïnes (BRAVO o WOX5) produeix la divisió de les cèl·lules mare de l’arrel. No obstant això, no s’entenia quina connexió molecular hi havia», explica Ana I. Caño Delgado.

«En general, les regulacions gèniques involucren una complexitat que moltes vegades resulta poc intuïtiva, i que només és abastable a través de models matemàtics i simulacions per ordinador. Els models matemàtics que hem creat han pogut donar sentit a la gran quantitat de dades recopilades per l’equip del CRAG», afegeix Marta Ibañes, investigadora de l’Institut de Sistemes Complexos de la UB.

Aquests models matemàtics permetran ara experimentar de manera virtual, creant situacions hipotètiques que es puguin donar en les cèl·lules mare de l’arrel, com l’efecte d’aplicar-hi hormones o les respostes en situacions d’estrès.

El centre quiescent: una assegurança de cèl·lules mare

Les plantes tenen un conjunt de cèl·lules mare a l’extrem de l’arrel primària que els donen la capacitat de créixer indefinidament. La majoria d’aquestes cèl·lules es divideixen ràpidament, fet que dona lloc a altres cèl·lules mare i a les diferents cèl·lules que conformen els teixits de l’arrel, com l’epidermis o el teixit vascular. No obstant això, en una de les puntes d’aquest nínxol es troben unes poques cèl·lules mare que es divideixen molt més lentament, raó per la qual la zona que ocupen s’ha anomenat centre quiescent, és a dir, en repòs.

Cada vegada que una cèl·lula duplica el seu material genètic per dividir-se, corre el risc d’incorporar errors, mutacions que poden tenir conseqüències negatives per a l’organisme. Davant d’això, les cèl·lules mare del centre quiescent constitueixen una assegurança, un reservori de cèl·lules genèticament segures. En cas necessari, aquestes cèl·lules es poden «despertar» i dividir-se per omplir el nínxol de cèl·lules mare.

És justament en aquestes poques cèl·lules del centre quiescent on les proteïnes BRAVO i WOX5 exerceixen la seva important funció de reprimir la divisió cel·lular. Isabel Betegón-Putze, primera signant de l’article, explica els experiments que va fer durant la seva tesi doctoral per arribar a aquesta conclusió: «Vam generar plantes d’arabidopsis amb els gens BRAVO i WOX5 mutats simultàniament i vam observar que tenien menys capacitat de regenerar les arrels, que eren més curtes i menys abundants».

En situacions d’estrès sever o prolongat, es produeixen dos tipus de resposta en el nínxol de cèl·lules mare: la mort de les cèl·lules que es divideixen ràpidament i l’activació de les cèl·lules del centre quiescent. Així, per exemple, les cèl·lules del centre quiescent s’activen després que es produeixi un tall en el casquet de l’arrel, o després de la congelació o la intoxicació d’aquesta per plom. D’aquesta manera, és possible reemplaçar les cèl·lules mare mortes i continuar garantint el creixement i el correcte desenvolupament de l’arrel, que, al seu torn, garanteix la nutrició i l’ancoratge de la planta.

Entendre els mecanismes moleculars que regulen aquests processos és clau per poder obtenir cultius més resilients, especialment en la situació actual, amb climes cada vegada més extrems.

Una extraordinària font de joventut

Les plantes, a diferència dels animals, poden formar nous òrgans (fulles, flors, etc.) en l’edat adulta i, a més, creixen al llarg de tota la vida, que pot arribar a superar els dos mil anys. Les cèl·lules mare d’animals i plantes sembla que fan servir estratègies similars per resoldre problemes biològics semblants. No obstant això, els processos moleculars que regulen aquestes estratègies sembla que són diferents. Entendre aquestes diferències pot ser molt profitós per dissenyar estratègies útils en medicina i cosmètica, que frenin l’envelliment cel·lular i promoguin la regeneració de teixits danyats. Aquesta recerca i d’altres que lidera Ana I. Caño-Delgado permetran avançar en aquesta direcció.

Article de referència: Isabel Betegón-Putze, Josep Mercadal, Nadja Bosch, Ainoa Planas-Riverola, Mar Marquès-Bueno, Josep Vilarrasa-Blasi, David Frigola, Rebecca C Burkart, Cristina Martínez, Ana Conesa, Rosangela Sozzani, Yvonne Stahl, Salomé Prat, Marta Ibañes, Ana I Caño-Delgado. Precise transcriptional control of cellular quiescence by BRAVO/WOX5 complex in Arabidopsis roots Mol Syst Biol (2021)17:e9864 https://doi.org/10.15252/msb.20209864

Comunicació CRAG

Ana I. Caño-Delgado, investigadora del CSIC en el CRAG (izquierda), y Marta Ibañes, investigadora de la UB (derecha), líderes del trabajo

Ana I. Caño-Delgado, investigadora del CSIC al CRAG (esquerra) i Marta Ibañes, investigadora de la UB (dreta) han liderat el treball.