Desentrañar los mecanismos de producción de algodón de alta calidad.

Según la FAO, la fibra de algodón es el cultivo no alimentario más producido en el mundo. Su producción contribuye significativamente a las economías de muchos países en desarrollo y al sustento de millones de pequeños productores rurales en todo el mundo.

Las variedades modernas de algodón han surgido de miles de años de procesos de domesticación y mejora. El cambio más grande durante este tiempo fue que las fibras de algodón se volvieron más largas, más finas y más fuertes.

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

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

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

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

Se utilizó microscopía de células vivas para determinar el programa de desarrollo exacto y el grado de rejuvenecimiento de la fibra medido en días después de la antesis. Estos incluyeron mediciones de las tasas de expansión de la celda local 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, ya que permiten que las células generen y mantengan formas celulares altamente polarizadas (asimétricas). Los citoesqueletos pueden estar compuestos de actina o filamentos de microtúbulos; ambos actúan juntos para impartir rejuvenecimiento a las fibras de algodón. Para analizar las redes de actina en células afiladas, utilizaron una combinación de imágenes de células vivas y seguimiento de partículas. Al ubicar las vías de actina en la célula, los autores determinaron cómo la célula distribuye el suministro de materias primas a través de la superficie celular en expansión.

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

Los autores crearon un modelo de elementos finitos del crecimiento de la fibra de algodón para determinar qué propiedades del material se requieren en la pared para permitir que la fibra se estreche y se elongue sin que las células se hinchen. Estas simulaciones mostraron un requisito estricto de fibras transversales para limitar el hinchamiento radial y una zona isotrópica de fibras orientadas al azar en la punta para hacer que el diámetro de la celda en la punta se restringiera progresivamente durante el crecimiento. El modelo también proporcionó una forma fiable de predecir la magnitud y dirección de las fuerzas de tracción en el muro. Estas simulaciones demuestran que la orientación y la magnitud de la fuerza actúan sobre 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 de importancia central 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 principal desafío ahora es identificar los genes y módulos que subyacen a importantes propiedades de la fibra, como el diámetro, la torsión y la longitud”.

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

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