Uso de un modelo matemático para probar un circuito de retroalimentación propuesto para la división celular cambial.

El crecimiento primario ocurre a través de la división celular en las puntas de los tallos y las raíces, lo que hace que se alarguen. La región de división celular primaria se llama meristemo apical. Tres tipos de meristemos primarios surgen del meristemo apical: el protodermo, el meristemo basal y el procambium. Del procambium surgen los tejidos vasculares (xilema primario y floema) y el cambium.

El crecimiento secundario se caracteriza por un aumento en el grosor de la planta. Es causada por la división celular en el cambium. Cuando las células del cambium se dividen, se diferencian en floema externo secundario o xilema interno secundario en el tallo o la raíz.

Los estudios apuntan a un importante factor de transcripción, MONOPTEROS (MP), en el papel del desarrollo del cambium. Curiosamente, hay dos roles en conflicto para MP:

• Promotor: Durante la transición del crecimiento primario al secundario, MP activa la expresión de PXY. Luego, PXY interactúa con TDIF para formar un complejo (TDIF-PXY) que promueve las divisiones celulares iniciales del cambium.
• Represor: cuando se establece el crecimiento secundario, MP suprime la división celular del cambium.

dr. La profesora de la Universidad de Liverpool, Natasha Savage, y sus colegas de la Universidad de Durham plantearon la hipótesis de que los roles aparentemente contradictorios de MP pueden integrarse en la misma red como un ciclo de retroalimentación negativa. Presentan su trabajo en la revista en silico Planta.

“Aunque la evidencia de la función MP se reunió en diferentes etapas de la vida de la planta, nos parecía poco probable que la red subyacente fuera tan diferente dado que la organización del tejido en estas etapas es muy similar. En consecuencia, probamos lo que sucedería si ambas funciones asignadas a MP estuvieran presentes en un ciclo de retroalimentación negativa”, explica Savage.

Los autores desarrollaron un modelo matemático para probar su hipótesis de retroalimentación negativa de MP. El modelo incluía componentes que afectan el patrón del tejido vascular: hormonas reguladoras clave para el crecimiento y desarrollo de las plantas (citoquinina y auxina), las proteínas responsables del transporte de auxina, MP, PXY y TDIF.

El modelo se ejecutó con y sin el ciclo de retroalimentación negativa propuesto. Las concentraciones simuladas de auxina y citoquinina se compararon con las concentraciones observadas en el xilema, el cambium y el floema. Esperaban encontrar la citoquinina más alta en el floema y la más baja en el xilema, y ​​la auxina más alta en el cambium.

Descubrieron que incluir el bucle de retroalimentación negativa en el modelo aumentaba la capacidad del modelo para reproducir la mayor cantidad relativa de auxina en el cambium. Las concentraciones relativas de citoquinina en los tres tejidos no se vieron afectadas por la inclusión o exclusión del ciclo de retroalimentación negativa.

Luego, los autores examinaron el papel del ciclo de retroalimentación negativa de MP en relación con la estabilidad innata de MP. Para hacer esto, alteraron la tasa de descomposición de MP, un proceso en el que la proteína MP se descompone, lo que da como resultado una concentración reducida de MP. Descubrieron que a medida que disminuía la degradación de MP y aumentaba la estabilidad de MP, el ciclo de retroalimentación negativa se volvió cada vez más importante para que el tejido modelado lograra la mayor cantidad relativa de auxina en el cambium.

Estos resultados respaldan la idea de que el ciclo de retroalimentación negativa de MP aumenta la capacidad del sistema para generar un patrón correcto.

Los autores concluyen: “La división de células cambiales impulsa la formación de madera. La madera es un biomaterial versátil y sumidero de carbono. Al comprender estas interacciones, podemos desarrollar nuevas estrategias para manipular la formación de madera para aumentar la productividad forestal y el secuestro de carbono”.

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Kristine S. Bagdassarian, J. Peter Etchells, Natasha S. Savage, Un modelo matemático integra interacciones divergentes de PXY y MP en el desarrollo de cambium, en silico plantas, 2023; diad003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad003

Disponibilidad de datos

Todas las soluciones numéricas presentadas en la sección de resultados y todo el código utilizado para resolver y analizar las soluciones numéricas están disponibles gratuitamente en GitHub en https://github.com/KristineBagdassarian/.