El papel de las glicosilasas de ADN en el desarrollo del polen

En las plantas con flores, o angiospermas, el Polen juega un papel vital en la reproducción. Un grano de polen consiste en una célula vegetativa que contiene dos células espermáticas. Cuando el polen se libera de la antera de la flor y entra en contacto con el estigma (la parte femenina de la flor), la célula vegetativa crece formando un tubo de polen. Este tubo lleva un esperma hacia la célula del óvulo para crear un cigoto, mientras que el otro esperma se combina con otra célula para formar el endospermo, que nutre a la planta en desarrollo.

El crecimiento del tubo de polen es similar a cómo crecen los pelos radiculares y ciertos hongos. Crece al extenderse en su punta. A medida que el tubo crece, empuja a través de las paredes celulares y los espacios alrededor, liberando proteínas que ayudan a descomponer o cambiar estas paredes celulares. Este proceso es crucial para que el tubo de polen llegue al ovario de la flor donde ocurre la fertilización.

La formación del polen en sí es una tarea complicada. Involucra construir una pared celular fuerte y multicapa en coordinación con las células circundantes. En el maíz, por ejemplo, el tubo de polen puede crecer increíblemente rápido, alcanzando hasta 1 centímetro por hora mientras viaja a través de un estilo que puede tener 30 centímetros de largo. En comparación, los hongos de rápido crecimiento crecen a una tasa de aproximadamente 1.3 milímetros por hora.

#Transcriptomas de Polen

Dado el rápido crecimiento de los tubos de polen, se espera que la composición genética (o transcriptoma) del polen sea bastante distinta de la de otros tejidos vegetales. De hecho, estudios han demostrado que los transcriptomas de polen difieren significativamente de los de otras partes de las plantas. Algunos elementos genéticos conocidos como Elementos Transponibles (TEs) se expresan más en el polen, pero la actividad general de estos elementos suele estar suprimida, incluso mientras el material genético que los rodea se vuelve más accesible.

Algunos estudios sugieren que los TEs podrían producir pequeños ARN en el núcleo vegetativo del polen para ayudar a suprimir estos elementos en la siguiente generación. En plantas como Arabidopsis, los niveles de modificaciones del ADN llamadas Metilación en núcleos espermáticos y vegetativos son a menudo similares o más altos que en otros tipos celulares. Sin embargo, mientras que el núcleo vegetativo muestra una disminución en los niveles de metilación del ADN en comparación con el esperma, esta disminución puede ocurrir pasivamente durante la división celular o de manera activa a través de procesos específicos.

En las plantas, ciertas proteínas, llamadas DNA glicosilasas, son responsables de eliminar activamente la metilación del ADN. Estas proteínas son cruciales para desarrollar el endospermo en varias angiospermas, donde desmetilan ciertos genes heredados de la planta madre. También actúan en numerosos otros lugares del genoma que a menudo no se superponen con genes.

#El Rol de las DNA Glicosilasas

Las mismas DNA glicosilasas que eliminan la metilación en el endospermo también impactan el núcleo vegetativo en el polen. Por ejemplo, en Arabidopsis, un mutante que carece de glicosilasas específicas muestra cambios en el crecimiento del tubo de polen. Del mismo modo, en arroz, glicosilasas específicas son críticas para la fertilidad del polen, y sus versiones mutantes muestran defectos tempranos en la forma del polen.

En Arabidopsis, varios genes se activan después de perder la metilación del ADN en el polen, y estos genes a menudo están relacionados con vías de señalización. En maíz, hay varios tipos de estas glicosilasas, y sus mutaciones pueden llevar a problemas en el desarrollo de las semillas mientras que mutaciones individuales pueden producir semillas saludables.

Entender cómo la metilación del ADN afecta la regulación genética en las plantas es complejo. La metilación puede silenciar ciertas regiones del ADN, afectando cómo se expresan los genes. Por ejemplo, ciertos genes en Arabidopsis y maíz muestran fuertes respuestas a cambios en la metilación del ADN, lo que puede influir en su estado de expresión.

#Patrones de Metilación en Maíz

Estudios recientes han mostrado que un número significativo de genes en maíz tiene patrones de metilación vinculados a TEs, con muchos de estos genes siendo poco expresados. Curiosamente, algunos genes que se vuelven altamente activos en el polen y contienen metilación similar a TEs también están involucrados en procesos de desarrollo críticos. Dado el papel esencial de los genes del maíz para la salud y función del polen, los investigadores exploraron las relaciones entre TEs, glicosilasas y el desarrollo del polen.

Para estudiar esto, los investigadores se centraron en identificar genes con alta confianza observando sus posiciones en el genoma del maíz y asegurándose de que no se superpusieran con TEs. Después de analizar diferentes tejidos, encontraron que la antera y la espiga (donde se produce el polen) tenían un número notablemente alto de genes expresados con metilación similar a TEs.

#Observaciones Morfológicas del Polen

Al observar el polen de plantas con mutaciones en glicosilasas específicas, los investigadores utilizaron microscopía para investigar cualquier defecto notable. Encontraron una distribución bimodal en el tamaño del polen, indicando que ciertos granos de polen eran más pequeños de lo esperado. Esta disminución en el tamaño podría tener implicaciones para la fertilidad del polen.

Los investigadores luego examinaron cómo la expresión genética en el polen se veía afectada por la falta de glicosilasas específicas. Dado que las plantas con mutaciones dobles no podían producir descendencia homocigota, analizaron ARN de granos individuales de polen. Cada grano tenía un transcriptoma específico, proporcionando información sobre su composición genética.

Al examinar estos transcriptomas, los investigadores notaron un fuerte agrupamiento de datos basado en el genotipo de los granos de polen. Este agrupamiento destacó diferencias claras en la expresión genética entre el polen con mutaciones y el que no las tenía.

#Expresión Génica Diferencial

A través del análisis de expresión génica, se hizo evidente que un grupo de genes estaba significativamente mal expresado en el polen de mutantes dobles en comparación con el tipo salvaje y los mutantes simples. Estos genes altamente expresados eran cruciales para la función y salud general del polen.

Notablemente, muchos de estos genes estaban conectados con funciones de la pared celular. Producen proteínas llamadas expansinas y pectinasa, que son esenciales para el crecimiento del tubo de polen. Cuando estas proteínas se secretan en áreas circundantes, ayudan a aflojar las paredes celulares, permitiendo que el tubo de polen crezca y navegue a través de los tejidos de la planta.

El momento de la expresión génica también reveló que estos genes generalmente estaban inactivos durante las etapas anteriores del desarrollo del polen, pero se activaban durante una fase crucial conocida como mitosis del polen I. Este período corresponde a una actividad de crecimiento significativa en el polen.

#Superposición Genética y Funcionalidad

Un hallazgo notable fue que había una superposición significativa entre los genes que mostraban metilación similar a TEs y aquellos identificados como importantes para el desarrollo del polen. Muchos de estos genes se encontró que tenían altos niveles de expresión en tejidos que contenían polen, sugiriendo que estos genes podrían desempeñar roles en el desarrollo y función del polen.

Los genes relacionados con la modificación de la pared celular eran particularmente importantes debido a sus roles predichos en apoyar el rápido crecimiento de los tubos de polen. La intersección de estos hallazgos indica una relación compleja entre la expresión genética, la metilación y la salud general del polen.

#El Rol de la Metilación del ADN

La metilación del ADN juega un papel único en la regulación genética dentro de diferentes tejidos vegetales. Si bien es bien sabido que ciertos genes en el polen son regulados por metilación, el uso general de esta regulación en varios tipos de plantas es limitado. En muchos casos, los elementos reguladores que controlan la expresión genética permanecen libres de metilación, permitiendo un control dinámico de la función genética.

Dentro del núcleo vegetativo del polen, la metilación del ADN puede actuar como un nivel de represión genética, permitiendo una expresión controlada durante etapas de crecimiento esenciales. Esta regulación específica podría permitir el explosivo crecimiento que es característico de los tubos de polen mientras mantiene un control más estricto sobre la expresión genética fuera del polen.

#Conclusión

El desarrollo del polen en las plantas con flores es un equilibrio intrincado entre un crecimiento rápido y una cuidadosa regulación de la expresión genética. Los investigadores han demostrado que las glicosilasas específicas del ADN desempeñan roles cruciales en esta regulación al eliminar la metilación, permitiendo así que genes esenciales se expresen en los momentos adecuados. La interacción entre los patrones de metilación, la expresión génica y el crecimiento del tubo de polen subraya la complejidad general de la reproducción vegetal.

Al entender estos procesos, los científicos pueden obtener información sobre cómo las plantas con flores se reproducen y también podrían informar prácticas agrícolas destinadas a mejorar los rendimientos de cultivos y la salud de las plantas. Las relaciones entre los elementos transponibles, la metilación del ADN y la función génica presentan un área rica para futuras investigaciones que podrían tener implicaciones más amplias para la comprensión de la biología vegetal y sus aplicaciones.