Barcelona, Spain
January 29, 2018
D’esquerra a dreta, Fidel Lozano Elena, Marta Ibañes, Ana Caño Delgado i Ainoa Planas Riverola. Foto: CRAG
Understanding the functioning of root biology is crucial to know how plants suffer or adapt to adverse environmental conditions like droughts. Two recent studies describe these kinds of mechanisms: one of them, published in the journal Molecular Systems Biology, describes the process through which cells stop growing due cell differentiation; the second one, published in Journal of Cell Science, describes plants' cell replenishment after being damaged.
The first study results from the researches carried out by the team of biologist Ana Caño Delgado, CSIC researcher in the Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG), and physicist Marta Ibañes, from the Department of Condensed Matter Physics and the Institute of Complex Systems of the University of Barcelona (UBICS). The second study was conducted by the same team in CRAG.
Imatge de l'extrem de l'arrel amb els diferents tipus de cèl·lules mare marcades en colors.
How do cells know when to stop growing?
The Arabidopsis thaliana plant root, used in these studies, is a quite simple organ, in which cells with different functions are separated. Therefore, stem cells are on the tip, surrounded by daughter cells which are divided to produce root's tissues. Daughter cells grow in length and differ from the others to acquire typical functions that allow the root to transport water and nutrients. In order for the root to grow and adapt to a new changing environment, this division, elongation and cell differentiation has to be perfectly coordinated.
Ibañes' and Caño Delgado's teams used three hypotheses to explain how cells know when to stop growing: a certain period of time passed since they got divided, they detect their root's position, or cells are able to detect their size. To clarify which one of these hypotheses was the right one, researcher Irina Pavelescu, first author of the study, created three analytical and computational root growth models. These models were tested with real measures of cell length in Arabidopsis roots, carried out with confocal microscopy in CRAG. "The main conclusion of the study is that root cells know they reached the proper size and then they stop growing and end the differentiation. Therefore, they stop growing due their size", says Marta Ibañes (UB, UBICS).
Thanks to the created mathematical models, researchers could also explain the effect of the steroid plant hormones -brassinosteroids- in the root growth. In this case, they measured cells from Arabidopsis plants that, due a lack of receptor for steroid hormones, have a tiny root and stem. The study proved roots grew when, through molecular biology techniques with cell resolution, the brassinosteroid receptor was restored only in cells that divide, which points out that the effect of the hormone stays in the cell during its growth phase.
Plant steroids are essential for cell regeneration
Simultaneously, the research team in CRAG led by Ana Caño Delgado discovered more details on the root growth and its post-damaged cell repair capacity, which have been published in the Journal of Cell Science. In particular, the published study states that, when root stem cells die due a genomic stress, a signal of steroid hormones is sent to reservoir stem cells so that these divide and replace the damaged ones. Thus, root growth is maintained, and so is the plant's life.
"Plant steroids, unlike most of plant hormones, are not transported through long distances. However, our study proves that there is a transportation of these hormones at a short distance, and this is important for cell communication during cell renovation", says Fidel Lozano Elena, pre-doctoral student in CRAG and first author of the study. "This more complex signalling system between cell groups make plants to be more resilient", adds Ainoa Planas Riverola, also first author and PhD student in the group.
"If we can modulate these processes in the root, we can make roots stronger and better fixed, and therefore more resistant to the challenges of climate change", says Ana Caño Delgado. We cannot forget that droughts are now the most severe problem in agriculture. In Spain, there have been several years with less rain than normal, and according to a recent report by Unión de Pequeños Agricultores y Ganaderos (union of small farmers and ranchers, UPA), in 2017, droughts caused losses of more than 3,600 million euros in the agricultural sector in Spain, mostly due a big loss of productivity in crops. This situation occurs in all continents, putting at risk the capacity to feed the growing population. "Therefore, it is necessary to get crops that, with less water, can produce safe and quality food in sufficient quantities", concludes Caño Delgado.
These studies were funded by the Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (MINECO), the European Molecular Biology Organization (EMBO), and the European Research Council, and the European Regional Development Fund (FEDER) and the Generalitat de Catalunya.
Articles references:
Irina Pavelescu, Josep Vilarrasa-Blasi, Ainoa Planas-Riverola, Mary-Paz González-García, Ana I. Caño-Delgado and Marta Ibañes. «A sizer model for cell differentiation in Arabidopsis thaliana root growth». Molecular Systems Biology, gener de 2018. Doi: 10.15252/msb.20177687
Fidel Lozano-Elena, Ainoa Planas-Riverola, Josep Vilarrasa-Blasi, Rebecca Schwab and Ana I. Caño-Delgado. «Paracrine brassinosteroid signaling at the stem cell niche controls cellular regeneration», Journal of Cell Science, 2017: jcs.204065. Doi: 10.1242/jcs.204065
About the Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG)
The Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG) is a center that is part of the CERCA system of the research centers from Generalitat de Catalunya, and which was established as a consortia for four institutions: the Spanish National Research Council (CSIC), the Institute for Agri-Food Research and Technology (IRTA), Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) and the University of Barcelona (UB). Research in CRAG spans from basic research in plant and farm animal molecular biology, to applications of molecular approaches for breeding species, important for agriculture and food production in close collaboration with industry. CRAG has been recognized as "Centro de Excelencia Severo Ochoa 2016-2019" by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness.
About the University of Barcelona
The University of Barcelona is the top public university in Catalonia in size of student population, around 64,000, and course offerings, with 73 bachelor degrees, more than 150 university master degrees and 48 doctoral programs. It holds the first position at a state level in scientific performance, which makes it the main research center in Spain and one of the most important ones in Europe.
The University of Barcelona is the leading higher education institution at a state level in the main international rankings, such as the Academic Ranking of World Universities (ARW) or the QS World University Rankings. Also, it outstands in employability, a field which lists it among the top 70 universities worldwide, according to the QS Graduate Employability Rankings.
Member of the League of European Research Universities (LERU), the UB has 17 researchers awarded with grants from the European Research Council (ERC). In 2016, The Times Higher Education included the University of Barcelona among the top 25 wordlwide with more than 400 years of history.
Descobreixen mecanismes bàsics de creixement i reparació cel·lular de les arrels
Entendre bé el funcionament de la biologia de les arrels és clau per saber de quina manera les plantes pateixen o s’adapten a condicions ambientals adverses com la sequera. Dos estudis apareguts recentment descriuen aquest tipus de mecanismes: un d’ells, publicat a la revista Molecular Systems Biology, explica el procés pel qual les cèl·lules deixen de créixer per passar a diferenciar-se; el segon, publicat al Journal of Cell Science, descriu la capacitat de reparació cel·lular de les plantes després de ser danyades.
El primer treball és el resultat de la recerca desenvolupada conjuntament entre l’equip de la biòloga molecular Ana Caño Delgado, investigadora del CSIC al Centre de Recerca Agrigenòmica (CRAG), i la física Marta Ibañes, del Departament de Física de la Matèria Condensada i de l’Institut de Recerca en Sistemes Complexos de la Universitat de Barcelona (UBICS). El segon és un estudi del mateix equip del CRAG.
Com saben les cèl·lules quan han de deixar de créixer?
L’arrel de la planta model Arabidopsis thaliana, utilitzada en aquests treballs, és un òrgan relativament senzill, en què les cèl·lules que tenen funcions diferents estan separades en l’espai. Així, a la punta hi ha les cèl·lules mare, envoltades de cèl·lules filla que es divideixen per produir tots els teixits de l’arrel. Les cèl·lules filla creixen en longitud i es diferencien per poder adquirir les funcions típiques que permeten a l’arrel transportar aigua i nutrients. Perquè l’arrel creixi i s’adapti a un entorn canviant, aquest procés de divisió, elongació i diferenciació cel·lular ha d’estar perfectament coordinat.
Els equips d’Ibañes i Caño Delgado van partir de tres hipòtesis per explicar com saben les cèl·lules quan han de deixar de créixer: perquè ha passat un temps determinat des que es van dividir, perquè detecten en quina posició es troben a l’arrel, o perquè són capaces de detectar quina mida tenen. Per elucidar quina d’aquestes tres hipòtesis era certa, la investigadora Irina Pavelescu, primera autora del treball, va crear tres models analítics i computacionals del creixement de l’arrel. Aquests models van ser comprovats amb mesures reals de la longitud de les cèl·lules en arrels d’Arabidopsis, realitzades amb microscòpia confocal al CRAG. «La conclusió principal d’aquest estudi és que les cèl·lules de l’arrel saben d’alguna manera que han arribat a la mida correcta i així deixen de créixer i finalitzen la seva diferenciació. Per tant, és en funció de la seva mida que deixen de créixer», explica Marta Ibañes.
Gràcies als models matemàtics creats, les investigadores també van poder explicar l’efecte que tenen les hormones vegetals esteroides —brassinoesteroides— en el creixement de l’arrel. En aquest cas, es van mesurar les cèl·lules de plantes d’Arabidopsis que, per falta del receptor per a les hormones esteroides, tenen l’arrel i la tija nanes. El treball va demostrar que les arrels creixien normalment quan, mitjançant tècniques de biologia molecular amb resolució cel·lular, es restaurava el receptor de brassinoesteroides només en les cèl·lules que es divideixen, fet que indica que l’efecte de l’hormona perdura en la cèl·lula en fase de creixement.
Els esteroides vegetals són essencials per a la regeneració cel·lular
De manera simultània, el grup de recerca del CRAG liderat per Ana Caño Delgado ha descobert més detalls sobre el creixement de l’arrel i sobre la seva capacitat de reparació cel·lular després d’un dany, troballes que s’han publicat a la revista Journal of Cell Science. En concret, el treball publicat constata que, quan les cèl·lules mare de l’arrel moren a causa d’un estrès genòmic, s’envia un senyal d’hormones esteroides a les cèl·lules mare reservori perquè aquestes es comencin a dividir i puguin reemplaçar les cèl·lules mare danyades. D’aquesta manera es manté el creixement de l’arrel, i amb ell la vida de la planta.
«Els esteroides vegetals, a diferència de la majoria d’hormones vegetals, no es transporten a llargues distàncies. No obstant això, el nostre estudi demostra que sí que hi ha un transport d’aquestes hormones de curta distància, i que aquest és important per a la comunicació cel·lular durant la renovació de les cèl·lules», explica Fidel Lozano Elena, estudiant predoctoral al CRAG i primer autor de l’article. «Aquest sistema de senyalització més complex entre grups cel·lulars fa que les plantes siguin més resilients», afegeix Ainoa Planas Riverola, també primera autora i estudiant de doctorat en el grup.
«Si podem modular aquests processos en l’arrel, podrem fer arrels més fortes, més ben ancorades i, en definitiva, més resistents als reptes del canvi climàtic», explica Ana Caño Delgado. No hem d’oblidar que la sequera és actualment el problema més greu de l’agricultura. A Espanya ja s’acumulen diversos anys amb menys pluja del normal, i segons un informe recent de la Unió de Petits Agricultors i Ramaders (UPA), l’any 2017 la sequera va causar pèrdues de més de 3.600 milions d’euros en el sector agrícola i ramader d’Espanya, en gran part a causa d’una enorme pèrdua de rendiment dels cultius. Aquesta situació de sequera es reprodueix en tots els continents i posa en risc la capacitat per alimentar la població creixent. «Per això, es fa necessari obtenir cultius que, amb menys aigua, produeixin aliments segurs i de qualitat en quantitats suficients», conclou Caño Delgado.
Els treballs han tingut el finançament del Ministeri d’Economia, Indústria i Competitivitat (MINECO), l’Organització Europea de Biologia Molecular (EMBO) i el Consell Europeu de Recerca (ERC), així com del Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) i la Generalitat de Catalunya.
Articles de referència:
Irina Pavelescu, Josep Vilarrasa-Blasi, Ainoa Planas-Riverola, Mary-Paz González-García, Ana I. Caño-Delgado i Marta Ibañes. «A sizer model for cell differentiation in Arabidopsis thaliana root growth». Molecular Systems Biology, gener de 2018. Doi: 10.15252/msb.20177687
Fidel Lozano-Elena, Ainoa Planas-Riverola, Josep Vilarrasa-Blasi, Rebecca Schwab, Ana I. Caño-Delgado. «Paracrine brassinosteroid signaling at the stem cell niche controls cellular regeneration», Journal of Cell Science, 2017: jcs.204065. Doi: 10.1242/jcs.204065
Descubren mecanismos básicos de crecimiento y reparación celular de las raíces
Entender bien el funcionamiento de la biología de las raíces es clave para saber de qué forma las plantas sufren o se adaptan a condiciones ambientales adversas como la sequía. Dos estudios aparecidos recientemente describen este tipo de mecanismos: uno de ellos, publicado en la revista Molecular Systems Biology, explica el proceso por el que las células dejan de crecer para pasar a diferenciarse; el segundo, publicado en Journal of Cell Science, describe la capacidad de reparación celular de las plantas después de ser dañadas.
El primer trabajo es el resultado de las investigaciones realizadas conjuntamente entre el equipo de la bióloga molecular Ana Caño Delgado, investigadora del CSIC en el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG), y la física Marta Ibañes, del Departamento de Física de la Materia Condensada y del Instituto de Investigación en Sistemas Complejos de la Universidad de Barcelona (UBICS). El segundo es un estudio del mismo equipo del CRAG.
¿Cómo saben las células cuándo deben dejar de crecer?
La raíz de la planta modelo Arabidopsis thaliana, utilizada en estos trabajos, es un órgano relativamente sencillo, en el que las células que tiene funciones distintas están separadas espacialmente. Así, en la punta se encuentran las células madre, rodeadas de células hija que se dividen para producir todos los tejidos de la raíz. Las células hija crecen en longitud y se diferencian para poder adquirir las funciones típicas que permiten a la raíz transportar agua y nutrientes. Para que la raíz crezca y se adapte a un entorno cambiante, este proceso de división, elongación y diferenciación celular debe estar perfectamente coordinado.
Los equipos de Ibañes y Caño Delgado partieron de tres hipótesis para explicar cómo las células saben que deben dejar de crecer: porque ha pasado un tiempo determinado desde que se dividieron, porque detectan en qué posición se encuentran en la raíz, o bien porque las células son capaces de detectar qué tamaño tienen. Para elucidar cuál de estas tres hipótesis era cierta, la investigadora Irina Pavelescu, primera autora del trabajo, creó tres modelos analíticos y computacionales del crecimiento de la raíz. Estos modelos fueron comprobados con medidas reales de la longitud de las células en raíces de Arabidopsis, realizadas con microscopia confocal en el CRAG. «La conclusión principal de este estudio es que las células de la raíz saben de alguna manera que han llegado al tamaño correcto y así dejan de crecer y finalizan su diferenciación. Por tanto, es en función de su tamaño que dejan de crecer», explica Marta Ibañes (UB, UBICS).
Gracias a los modelos matemáticos creados, las investigadoras también pudieron explicar el efecto que tienen las hormonas vegetales esteroideas —brasinoesteroides— en el crecimiento de la raíz. En este caso, se midieron las células de plantas de Arabidopsis que, por falta del receptor para las hormonas esteroideas, tienen la raíz y el tallo enanos. El trabajo demostró que las raíces crecían normalmente cuando, mediante técnicas de biología molecular con resolución celular, se restauraba el receptor de brasinoesteroides solo en las células que se dividen, lo que indica que el efecto de la hormona perdura en la célula en fase de crecimiento.
Los esteroides vegetales son esenciales para la regeneración celular
De manera simultánea, el grupo de investigación del CRAG liderado por Ana Caño Delgado ha descubierto más detalles sobre el crecimiento de la raíz y sobre su capacidad de reparación celular después de un daño, hallazgos que se han publicado en la revista Journal of Cell Science. En concreto, el trabajo publicado constata que, cuando las células madre de la raíz mueren a causa de un estrés genómico, se envía una señal de hormonas esteroideas a las células madre reservorio para que estas se empiecen a dividir y puedan reemplazar a las células madre dañadas. De este modo se mantiene el crecimiento de la raíz, y con él la vida de la planta.
«Los esteroides vegetales, a diferencia de la mayoría de hormonas vegetales, no se transportan a largas distancias. Sin embargo, nuestro estudio demuestra que sí que existe un transporte de estas hormonas de corta distancia, y que este es importante para la comunicación celular durante la renovación de las células», explica Fidel Lozano Elena, estudiante predoctoral en el CRAG y primer autor del artículo. «Este sistema de señalización más complejo entre grupos celulares hace que las plantas sean más resilientes», añade Ainoa Planas Riverola, también primera autora y estudiante de doctorado en el grupo.
«Si podemos modular estos procesos en la raíz, podremos hacer raíces más fuertes, mejor ancladas y, en definitiva, más resistentes a los retos del cambio climático», explica Ana Caño Delgado. No debemos olvidar que la sequía es actualmente el problema más grave de la agricultura. En España ya se acumulan varios años con menos lluvia de lo normal, y según un informe reciente de la Unión de Pequeños Agricultores y Ganaderos (UPA), en el pasado año 2017, la sequía causó pérdidas de más de 3.600 millones de euros en el sector agrícola y ganadero de España, en gran parte debido a una enorme pérdida de rendimiento de los cultivos. Esta situación de sequía se reproduce en todos los continentes poniendo en riesgo la capacidad para alimentar a la creciente población. «Por ello, se hace necesario obtener cultivos que, con menos agua, produzcan alimentos seguros y de calidad en cantidades suficientes», concluye Caño Delgado.
Los trabajos han contado con la financiación del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MINECO), la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC), así como del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) y la Generalitat de Cataluña.
Artículos de referencia:
Irina Pavelescu, Josep Vilarrasa-Blasi, Ainoa Planas-Riverola, Mary-Paz González-García, Ana I. Caño-Delgado y Marta Ibañes. «A sizer model for cell differentiation in Arabidopsis thaliana root growth». Molecular Systems Biology, enero de 2018. Doi: 10.15252/msb.20177687
Fidel Lozano-Elena, Ainoa Planas-Riverola, Josep Vilarrasa-Blasi, Rebecca Schwab y Ana I. Caño-Delgado. «Paracrine brassinosteroid signaling at the stem cell niche controls cellular regeneration», Journal of Cell Science, enero 2017: jcs.204065. Doi: 10.1242/jcs.204065
Species
