Nitrate-mediated shoot growth is modulated by cell expansion and endoreplication in Arabidopsis thaliana.
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Date
2020
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Abstract
Cómo los organismos saben cuándo sus tejidos han alcanzado su tamaño final es una
pregunta fundamental y aún sin resolver en biología del desarrollo. En organismos multicelulares,
señales ambientales e internas son integradas para modular el crecimiento de órganos y tejidos.
Está muy bien reportado que el ambiente nutricional en el que crecen los organismos modula el
crecimiento y tamaño de los órganos. En plantas, sin embargo, los mecanismos moleculares que
explican la interconectividad y coordinación entre señales ambientales y crecimiento siguen sin
ser comprendidas. Nitrato es una fuente nutricional clave limitante del crecimiento y
productividad de las plantas tanto en ambientes naturales como en sistemas agrícolas. Además de
su rol como nutriente, nitrato puede actuar como una señal molecular que desencadena cambios a
nivel de expresión génica, metabolismo, fisiológicos y de desarrollo. Aunque muchos procesos
son modulados por nitrato, una conectividad entre la dinámica celular, el tamaño de los órganos y
el nitrato nunca ha sido reportada.
En el presente trabajo nos centramos en el tejido vegetativo como modelo de estudio de los
procesos de desarrollo modulados por la disponibilidad del nitrato. Para entender cómo nitrato
regula el tejido vegetativo, se realizó un experimento en el cual se crecieron plantas en distintas
concentraciones de nitrato y se cuantificó el área del tejido aéreo desde 3 a 7 días post-imbibición.
Curiosamente, observamos que el área del tejido vegetativo empieza a divergir entre las 3
condiciones nutricionales al día 5 aproximadamente. Al final del curso temporal observamos que
las plantas son totalmente distintas con una respuesta dependiente de la concentración de nitrato.
Para entender cómo nitrato aumenta el tamaño del tejido vegetativo durante el curso temporal
previamente mencionado, se realizó un análisis de “cotyledon live-imaging” a través de
microscopía confocal en las células epidermales del tejido vegetativo. Por medio de líneas reporteras transgénicas logramos seguir la dinámica celular y nuclear del mismo grupo de células
a través del curso temporal de cinco días en condiciones contrastantes de nitrato (0 y 5 mM). El
análisis de “live-imaging” nos permitió determinar que el crecimiento del tejido vegetativo
observado se debe exclusivamente a una expansión celular, descartando la división celular como
un proceso relevante durante el crecimiento mediado por nitrato durante esta etapa del desarrollo.
En plantas, se ha correlacionado la expansión celular con el proceso de endoreplicación, el que
consiste en un ciclo celular modificado en el cual las células pasan por continuas rondas de
replicación de su material genético, sin pasar por la etapa mitótica. A través de análisis de
citometría de flujo, determinamos que efectivamente un aumento del nitrato incrementa los niveles
de ploidía, explicando el aumento en el tamaño celular observado previamente.
Posteriormente, para identificar el mecanismo por el cual nitrato aumenta los niveles de ploidía
y área celular, se realizó un análisis transcripcional por RNA-seq en plantas con y sin nitrato al
inicio del curso temporal. Al analizar si la expresión de genes del ciclo celular estaba siendo
modificada por la presencia de nitrato, encontramos que el gen LGO (Loss of Giant cells from
Organs) estaba diferencialmente expresado en respuesta a nitrato. Se ha reportado previamente
que LGO es gen esencial para el proceso de expansión celular y endoreplicación en sépalos. LGO,
sin embargo, no ha sido asociado a nitrato ni a la etapa de desarrollo en la que se ha realizado el
presente trabajo. Análisis de citometría de flujo en las mutantes lgo-2 confirmaron que LGO es
un gen esencial para los procesos de expansión celular y endoreplicación en respuesta a nitrato.
Curiosamente, a pesar de que la mutante lgo-2 tiene menores niveles de ploidía y células
considerablemente más pequeñas que en plantas silvestre, el tamaño del tejido vegetativo es igual
entre ambos genotipos acorde a las concentraciones de nitrato. Con el fin de entender mejor la
dinámica celular que ocurre en la mutante lgo-2 se realizó la misma aproximación de “live-imaging” pero ahora utilizando la mutante lgo-2 transformada con los reporteros para el
seguimiento de la dinámica celular y nuclear. Observamos que en la mutante lgo-2 ocurre una
compensación a través de proliferación celular para alcanzar el tamaño del tejido vegetativo acorde
a la concentración de nitrato. En consecuencia, el tejido vegetativo alcanza un tamaño
dependiendo del nitrato disponible, ya sea por expansión celular o por división celular como se
observó en plantas silvestres y mutante respectivamente.
El presente trabajo proporciona un punto de entrada hacia el mejor entendimiento del rol
de nitrato en el control del tamaño del tejido aéreo, relación que no ha sido explorada hasta el
momento. Entender como el tejido vegetativo responde a la disponibilidad nutricional de nitrato
es de vital importancia para la producción agrícola y futuras aplicaciones biotecnológicas.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias con mención en Genética Molecular y Microbiología)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2020?