Investigaciones sobre los factores que controlan el crecimiento y la síntesis de lignina en la picea

El abeto de Noruega es un gran árbol conífero originario del norte, centro y este de Europa. Las coníferas constituyen una parte considerable de la biomasa terrestre y sirven como un importante sumidero de carbono, y la mayor parte del carbono va a parar a las paredes celulares de los tejidos de la madera. El abeto de Noruega económicamente importante no es una excepción.

La picea de Noruega es una especie modelo de gimnospermas, plantas leñosas que producen semillas desnudas, en conos, sin formar flores ni frutos, cuya pared celular secundaria del xilema (tejido vascular conductor de agua, también llamado «madera») contiene el 27% de un importante polímero fenólico: lignina.

La lignina proporciona rigidez y soporte estructural a los polisacáridos de la pared celular. También es valorado para la producción de importantes materiales de base biológica. Por lo tanto, el abeto noruego tiene importancia no solo como un cultivo maderero importante, sino también como una fuente de ricos productos químicos orgánicos.

Como tal, se han realizado muchas investigaciones a lo largo de los años para desentrañar las intrincadas vías metabólicas involucradas en el crecimiento y la producción de metabolitos en esta especie, a la cabeza de las cuales están los investigadores en Finlandia.

Ahora, el profesor Kazuyuki Kuchitsu de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, un investigador líder en especies reactivas de oxígeno (ROS) en plantas, ha colaborado con científicos finlandeses para estudiar la biosíntesis de lignina en abetos.

Investigaciones anteriores han demostrado que las últimas etapas de polimerización en la producción de lignina implican la oxidación de monolignoles a radicales fenólicos, que luego se acoplan de forma no enzimática, utilizando peróxido de hidrógeno (H₂O₂)-utilizando peroxidasa o lacasa que utiliza oxígeno. Con el tiempo, también se ha identificado el papel de las enzimas biogénicas ROS en la síntesis de lignina y el crecimiento de la picea.

ROS, como los radicales de anión superóxido, H₂O₂, y los radicales hidroxilo, pueden ser producidos por una serie de fuentes en la membrana plasmática y las paredes celulares de las plantas y entrar en el apoplasto (el espacio fuera de la membrana plasmática de una célula vegetal). Estas fuentes incluyen diferentes enzimas, por ejemplo, oxidasas y peroxidasas, así como homólogos de oxidasa de explosión respiratoria (RBOH, también conocidas como NADPH oxidasas).

Usando NADPH citoplásmico (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido) como donante de electrones, los RBOH de la planta producen radicales de anión superóxido, que luego se dismutan a H₂O₂. La investigación del Prof. Kuchitsu ha revelado que este mecanismo de producción de ROS es crucial para muchos procesos moleculares en las plantas, incluido el crecimiento del tubo polínico y la fertilización.

En el cultivo de células formadoras de lignina y el xilema en desarrollo de la picea de Noruega, PaRBOH1 es el gen RBOH más expresado.

Pero, ¿cómo se regula PaRBOH1?

Para responder a esta pregunta, el equipo del profesor Kuchitsu de TUS, en colaboración con científicos finlandeses, estudió la actividad productora de ROS y el mecanismo regulador de PaRBOH1 en las gimnospermas, incluida la especie conífera picea. Su estudio reveló, por primera vez, que PaRBOH1 es activado por iones de calcio y fosforilación para producir ROS.

Además, se observó actividad de proteína quinasa en el extracto celular del xilema en desarrollo, fosforilando ciertos residuos de serina y treonina en PaRBOH1.

Estos hallazgos han sido publicados en Fronteras de la ciencia vegetal. El equipo multinacional involucrado en el estudio incluyó al Dr. Kenji Hashimoto de TUS; el Dr. Kaloian Nickolov de la Universidad de Oulu, Finlandia; el Dr. Adrien Gauthier de la Unidad Aghyle, Institut Polytechnique UniLaSalle, Francia; y la Dra. Anna Kärkönen del Instituto de Recursos Naturales de Finlandia (Luke), Finlandia.

Los resultados de la regulación de RBOH en la primera especie de gimnosperma que se examinó, la picea de Noruega, demuestra que todas las plantas con semillas (gimnospermas (semillas desnudas) o angiospermas (semillas cerradas)) comparten los mismos mecanismos para controlar la actividad de RBOH.

El profesor Kuchitsu explica por qué esto es importante: «Las ROS se consideraban típicamente como sustancias tóxicas, pero nuestro estudio muestra que varias funciones de las plantas, incluida la respuesta al estrés y el desarrollo vegetativo y reproductivo de las plantas, están reguladas por las ROS producidas por enzimas biogénicas de ROS».

El Prof. Kuchitsu también arroja luz sobre las aplicaciones prácticas de sus hallazgos. Debido a su potencial para su uso como nuevas fuentes de energía y materiales, la investigación sobre el desarrollo de los árboles y los mecanismos que gobiernan los componentes valiosos de sus células está cobrando impulso. «Nuestra investigación, en el futuro, podría contribuir a la promoción del crecimiento de los árboles y ayudar en el avance de la tecnología para producir materiales valiosos», observa el profesor Kuchitsu.