Plantas con las que trabajamos (Parte 1)

La primera pregunta que la gente te hace cuando dices que vives o sobrevives de la investigación es en qué campo o área de conocimiento estás trabajando. Cuando respondes que con plantas la pregunta siguiente suele ser si estás sacando un trigo más productivo, unos melones más gordos, tomates más sabrosos, rosas más olorosas y vistosas, pipas light, etc... Todo esto está relacionado con la ciencia aplicada que, sin duda, es importantísima. Ahí afuera están esperando más de seis millones de personas dispuestas a engullir, a mejorar su salud o su calidad de vida, y las plantas son fundamentales para ello. La ciencia aplicada es la parte más vistosa de la investigación pero, a su vez, es la punta del iceberg. Por debajo de ésta se encuentra la ciencia básica, la que sirve para analizar en detalle los distintos procesos del desarrollo de las plantas, de la acumulación de metabolitos, de la respuesta de las plantas al medio ambiente, a los patógenos, etc... En defintiva, la que apuesta por el conocimiento en sí mismo. A largo plazo este conocimiento se convierte en el cimiento de numerosas aplicaciones, algunas de las cuales ni siquiera podemos intuirlas actualmente. Sin embargo, la investigación que genera beneficios a largo plazo es más difícil de financiar, claro, por eso depende en gran medida de las instituciones públicas o, dicho de otro modo, la pagamos entre todos con nuestros impuestos. Por eso me ha parecido muy interesante presentaros la planta que más se utiliza en la investigación básica, para que sepáis con qué especie vegetal se usan mayoritariamente nuestros recursos, los de todos los contribuyentes.

Arabidopsis thaliana

(L.) Heynh

Etimología: Arabidopsis (= que se parece a Arabis, nombre con el que la clasificó inicialmente C. Linneo) thaliana (= en honor al médico alemán Johannes Thal que la descubrió) .

TAIR: The Arabidopsis Information Resource, principal base de datos de Arabidopsis.

Ésta es la planta estrella de la investigación básica, Arabidopsis thaliana, más conocida entre nosotros como Arabidopsis. Cuando digo nosotros me estoy refiriendo a los que vivimos de la investigación y, desde este momento, también a todos los que os habéis animado a leer este blog. Ya sé que, aunque hay muchos hierbajos por el campo que "se dan un aire", casi nunca nos hemos fijado en esta planta. No aparece en las floristerías, aunque bien cuidada tiene su puntito estético, ni nos la comemos (nosotros los humanos, porque hay un montón de insectos y otros seres vivos, como veréis, que la consideran un auténtico festín), pero es una planta ideal para averiguar muchas cosas de la fisiología, el desarrollo, la ecología, y la genética evolutiva de las plantas. Muchas de las razones de tipo práctico que la convierten en esa planta ideal son su pequeño tamaño, lo rápidamente que completa su ciclo (en dos meses podemos recoger las semillas), el elevado número de descendientes que se obtienen de una sola planta, es fácil de cultivar, su genoma es uno de los más reducidos y se conoce completamente desde hace casi diez años, se pueden integrar genes propios o extraños con facilidad, como veremos, y disponemos de gran número de líneas mutantes. Por todo ello A. thaliana es una herramienta esencial de la biología molecular de plantas compartida por los investigadores de todo el mundo. Sin embargo, a pesar de su importancia, puedo constatar que muchos de los estudiantes que salen de las escuelas de Agrónomos no la han visto en su vida. Como mucho les hablaron de su existencia en la asignatura de Botánica y saben a qué familia pertenece, les suena, pero verla de cerca, lo que se dice verla... y, lo que es peor, reconocerla... Arabidopsis es al reino vegetal lo que los ratones o la mosca de la fruta son al reino animal, la planta modelo con la que experimentar. Curiosamente en inglés también se conoce como "mouse-ear cress". "Mouse-ear" es la metáfora que hace referencia a la forma de las hojas de orejas de ratón. Aunque esto último sea opinable, lo cierto es que nuevamente sale el término ratón predestinando a esta planta a ser nuestro "ratón" de experimentación, es decir, el primer escalón por el que iniciar el ascenso para desentrañar una realidad compleja.

¿Qué plantas más conocidas por nosotros son sus parientes próximos?

Arabidopsis pertenece a la familia Brassicaceae, antes conocidas como Crucíferas porque las flores tienen cuatro pétalos dispuestos en forma de cruz. El término Brassicaceae deriva de uno de los géneros incluidos en la familia, el género Brassica. Este género engloba varias especies, entendiendo por tales a aquellos individuos similares que se pueden reproducir entre sí. Las especies del género Brassica son muy importantes para nosotros desde el punto de vista económico ya que las usamos como verduras, oleaginosas, especias, o incluso como ornamentales. Brassica oleracea incluye los cultivares de diferentes tipos de coles, coles de Bruselas, repollo, lombarda, brécol, coliflor, etc..., , Brassica napus la colza y el nabo, y Brassica nigra la mostaza negra. Otros géneros interesantes dentro de la familia Brassicaceae son Raphanus (rábano), Sinapis (mostaza blanca), Erysimum (=Cheiranthus) y Matthiola (alhelíes). Usar los alhelíes como ornamentales es bastante común pero seguro que os ha llamado la atención ver en los jardines de noviembre y diciembre a plantas que parecen lombardas o pequeños repollos. A mí nunca se me hubiera ocurrido usar las Brassica como ornamentales pero curiosamente quedan muy bien. En la foto podéis ver cómo una Brassica ha acompañado a Poinsetia (Euphorbia pulcherrima) en mi decoración navideña de este año.

¿Dónde vive Arabidopsis? ¿Se encuentra en España?

Arabidopsis se distribuye geográficamente por todo el mundo siendo Europa y Asia Central su ámbito de partida, desde el que se ha extendido al resto del mundo mediante la progresiva dispersión natural a veces con influencia antropogénica. El centro de origen aún no se conoce pero podría ser Asia Central, Europa o el Norte de África. Hasta hoy se han recolectado numerosas poblaciones naturales en todo el mundo con las que se ha estudiado la variabilidad genética de la especie a escala mundial y regional (Norte de Europa, Francia, Asia Central, China, Japón y Norteamérica). En la Península Ibérica también se ha realizado recientemente este estudio por el grupo del Dr. Carlos Alonso del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) partiendo de 100 poblaciones naturales que cubren toda la Península, desde el Atlántico al Mediterráneo. De este modo han demostrado que la diversidad genética de A. thaliana sigue un patrón geográfico definido y que existen cuatro grupos genéticos separados espacialmente. Sus resultados indican que la población estuvo aislada en el pasado, probablemente durante la glaciación del Pleistoceno. La Península Ibérica forma parte del área de mayor biodiversidad de toda Europa, la cuenca mediterránea, que ha sido uno de los más importantes refugios glaciales del Pleistoceno para muchas especies animales y vegetales del subcontinente europeo. Una vez pasada la época glacial la población aislada en la Península Ibérica colonizó Europa. No obstante, los cuatro grupos deducidos sugieren la existencia de múltiples refugios glaciales en la Península que han contribuido de forma diferente a la colonización postglacial de Europa. Para profundizar

¿Cómo cultivamos esta planta en un centro de investigación?

Básicamente contamos con dos tipos de instalaciones:

1) Por un lado están los invernaderos de paredes y techo acristalados, que funcionan en esencia como los invernaderos que hayáis podido ver para cultivar productos de huerta. En la foto se muestra el interior de un módulo de invernadero separado por cristales del siguiente módulo a la derecha. Las plantas van dispuestas sobre una plataforma elevada aproximadamente un metro sobre el suelo. En los invernaderos se mantiene una temperatura y aireación adecuada para el crecimiento de las plantas a lo largo de todo el año, y se compensa con electricidad la falta de luz durante los días cortos y tristes del invierno. El problema puede aparecer cuando, por alguna razón, queramos crecer nuestras plantas con un número de horas de luz y de oscuridad, es decir, con un fotoperíodo, diferente al que existe en la calle en una fecha concreta del año y esto no se pueda arreglar con una lámpara. Está claro que para solucionar este problema deberemos contar con otro tipo de instalaciones aisladas donde las condiciones de crecimiento de las plantas se puedan controlar de forma mucho más rigurosa.

2) Este segundo tipo de instalaciones son las cámaras climáticas (fitotrones si no se puede entrar dentro). Con ambos podemos regular la duración del día y de la noche, la intensidad de la iluminación durante el día, y la humedad del ambiente dentro de la misma. Está claro que son un invento estupendo sin el cual no podríamos hacer muchos de nuestros experimentos, pero es cierto que muchas veces son también nuestra pesadilla, especialmente cuando se averían durante el fin de semana y se quedan las plantas a oscuras con una temperatura muy alta o muy baja hasta que la cámara se repara. En ese "fin de semana de la muerte", como lo define muy gráficamente uno de mis colegas, el experimento se arruina. Cosas del oficio...

Respecto al cultivo de nuestras plantas he de subrayar que, a diferencia de los invernaderos de hortícolas, nosotros no cultivamos nuestras plantas en el suelo ni en el invernadero ni en las cámaras climáticas. Queremos tener el máximo control sobre las condiciones de crecimiento, lo que también incluye al medio ambiente de la raíz, además podemos necesitar desplazarlas y, finalmente, desearemos deshacernos de forma segura de todos los restos una vez terminado el experimento y si están en el suelo es más complicado. Por todo ello siempre utilizamos recipientes o tiestecitos. Incluso disponemos de cámaras climáticas donde las plantas crecen en esterilidad dentro de una placa de Petri. A este tipo de cámaras las denominamos cámaras de cultivo "in vitro". Esto nos permite establecer dos formas claramente distintas de cultivar plantas:

1) En tierra, ya sea en invernadero o en cámara climática. En este caso, los recipientes que utilizamos son tiestos y bandejas de alveolos para disponer una planta en cada alveolo. En la foto inferior se pueden observar plantas que crecen en tierra en bandejas de alveolos en cámara climática. Respecto al substrato que va a servir de soporte para el crecimiento de las plantas, normalmente usamos una mezcla de tres partes de tierra con una de vermiculita. De la tierra se va a nutrir la planta, la vermiculita es un subtrato inerte y, por tanto, no nutritivo que sirve para aligerar la tierra y evitar su compactación. En muchas de las plantas de jardinería que se compran con cepellón en lugar de vermiculita se usan bolitas blancas de poliestireno con la misma función. La proporción de tierra y vermiculita puede variar según el experimento. Incluso se puede llegar al caso extremo de que todo sea vermiculita y no haya tierra, en tal caso los nutrientes habrán de aportarse mediante la solución de riego y nos encontraríamos frente a lo que se conoce como cultivo hidropónico.

2) "In vitro", en cámara climática. Tal como he señalado antes, en este caso empleamos como recipiente de crecimiento placas de Petri de plástico redondas (de 90 y 140 mm de diámetro) y cuadradas (de 120mm de lado). El substrato de crecimiento es un medio de crecimiento sólido (gracias al agar) que contiene todos los nutrientes y, en su caso, hormonas y/o antibióticos que la planta necesita en ese momento de su desarrollo. Estos recipientes permiten el crecimiento de las plantas en esterilidad, por ello están bien cerrados aunque no herméticamente ya que deben permitir el paso del aire, de ahí que la cinta de sellado de las placas sea de un material poroso. En la placa de Arabidopsis que se muestra debajo se han dispuesto tres filas de semillas (unas 50 semillas por fila) que han germinado en la placa. La parte aérea verde de cada planta ha quedado arriba y la raíz de color blanco crece hacia abajo. Como se puede ver, la raíz de Arabidopsis es una principal de la que irán saliendo raíces laterales.

Desarrollo de Arabidopsis: De la semilla al fruto

Arabidopsis es una planta anual que completa su ciclo en un período corto, aunque existen variaciones entre cultivares. De este modo, la especie sobrevive mediante sus semillas durante la estación menos favorable. ¿Cómo son las semillas? Lo que más me llamó la atención cuando empecé a trabajar con Arabidopsis es lo pequeña que es la semilla, tal como un grano de azúcar. En la foto se pueden observar las semillas de color marrón comparadas con semillas de tomate, que nos son más conocidas.

Una vez que la semilla de Arabidopsis germina aparecen dos hojitas redondeadas más pequeñas que las hojas normales que conocemos como cotiledones (detalle en la foto siguiente), que son dos, y por ello Arabidopsis es una dicotiledónea. Desde la germinación Arabidopsis inicia su primer período de crecimiento, el crecimiento vegetativo.

En este período únicamente vamos a observar la aparición de hojas hasta que se forma una roseta de hojas que se van disponiendo en espiral. Las hojas que primero aparecieron, las más viejas, se encuentran en la parte basal y externa de la roseta, mientras que las más jóvenes ocupan la parte superior y central de la roseta. El estado de roseta se alcanza en cámara climática aproximadamente a las tres o cuatro semanas desde que la semilla germina. Este estado es muy interesante para nosotros ya que solemos analizar en él la respuesta de las plantas a numerosas condiciones de estrés tanto biótico como abiótico, tal como ya veremos.

Después del período vegetativo, y en respuesta a señales de origen tanto endógeno como exógeno, Arabidopsis inicia su segundo período de crecimiento, en este caso reproductivo, aprovechando los nutrientes acumulados en las hojas de la roseta. También podríamos decir, como en los pueblos, que la planta "se espiga". Es decir, aparece inicialmente un tallo que se forma por desarrollo del meristemo apical. Al final del tallo podemos observar las flores de color blanco y con cuatro pétalos, que son los órganos reproductivos. Arabidopsis es una especie autógama, es decir, las flores se autofecundan. Por ello, si deseamos cruzar dos cultivares entre sí hemos de hacerlo manualmente, retirando los seis estambres (que forman parte del órgano sexual masculino) presentes en las flores y frotando el estigma (que forma parte del órgano sexual femenino) con el polen de las anteras presentes en la planta con la que deseamos realizar el cruce. En el tallo principal también aparecen hojas (hojas caulinares) que tienen distinta forma que las hojas de la roseta basal, además de otras diferencias. Las hojas de la roseta son más elípticas, espatuladas y aserradas, mientras que las hojas caulinares son de bordes más paralelos, lanceoladas y sin peciolo. Los detalles se pueden apreciar en la figura siguiente. Posteriormente, salen más tallos de los propios meristemos axilares del tallo principal y de los meristemos axilares de las demás hojas basales.

Los frutos son muy característicos y se denominan silicuas. Externamente parecen vainas, si bien dentro tienen dos habitáculos separados por un septo. Las semillas se disponen a ambos lados del septo.

Podéis imaginaros el enredo que aparece en la bandeja de alveolos cuando se empiezan a mezclar los numerosos tallos que aparecen en cada planta. A fin de recolectar con comodidad individualmente las semillas de cada planta solemos entutorar todos esos tallos y esperar a que maduren todos los frutos. Cuando las silicuas están maduras realizamos la recolección de las semillas y, podemos empezar otra vez la historia.

Proceso de entutorado: Clavamos un palito de madera en la tierra y enrollamos en él todos los tallos de una misma planta sujetándolos con una cinta grapada o con un alambre flexible.

Hacemos lo mismo con todas las plantas distintas de la bandeja y esperamos a que maduren los frutos para recolectar las semillas.