Cómo hacer una semilla Joaquín Royo Cárcamo Dpto. Biología Celular y Genética. Universidad de Alcalá

¡Que pequeñas y poco atractivas son las semillas de los cereales! Poco hay de vistoso o espectacular en ellas, sobre todo si las comparamos con una rosa o una pluma de ave, pero minusvalorarlas sería un error porque las semillas de cereales como el trigo, arroz o maíz han sido esenciales para que surgiera la civilización humana tal y como la conocemos y porque aún hoy son fundamentales para nuestra vida. Los cereales que tomamos en nuestro desayuno están hechos en buena medida a partir de esas semillas. El pan con que acompañamos nuestras comidas, los macarrones que tanto gustan a nuestros hijos, las galletas con que todos nos premiamos de vez en cuando o la familiar paella del domingo no existirían de no ser por esas humildes semillas. Pero tampoco tendríamos huevos ni sabrosos filetes en el plato si los animales de granja no se alimentaran con piensos preparados con semillas. Incluso el depósito de nuestros coches es cada vez más frecuente que reciba un combustible producido a partir de ellas. ¿Por qué tienen tanto valor las semillas? Los hijos de las plantas, la nueva generación, suelen salir al mundo cuando aún son pequeños embriones. Pero la planta madre no los abandona sin más sino que los deja instalados en una especie de pequeña cápsula espacial, la semilla, donde quedan rodeados por una dura cubierta protectora y acompañados de una bien provista, y aún mejor empaquetada, despensa de valiosos alimentos. De esa despensa se alimentará el embrión cuando germine la semilla, pero esa despensa también nos encanta a nosotros y a muchos otros seres vivos. Todos los nutrientes que se almacenan en la semilla proceden de la planta madre y han llegado allí a través de su sistema circulatorio. Si observamos al microscopio la semilla en formación de un cereal, por ejemplo en una mazorca de maíz, veremos que hasta su base llega un vaso de este sistema circulatorio materno, el floema, pero los vasos se acaban ahí, nunca entran en la semilla. Por tanto, los nutrientes deben salir en ese punto al espacio intercelular situado en la frontera entre la madre y su semilla y desde allí ser captados por esta última. Si nos fijamos con atención veremos que justo en esa zona la semilla está revestida de unas células muy especiales. Especiales porque su superficie tiene un gran número de entrantes y salientes que recuerdan mucho a las microvellosidades de las células del interior de nuestro intestino delgado. Este parecido no es casual porque ambas intervienen en la captura de nutrientes, en el caso de las semillas los que están siendo vertidos desde el floema materno. En la figura 1 podemos observar que estas células, a las que se conoce como células de transferencia (CT), están situadas sólo en la zona frente al vaso del floema. El resto de la superficie de la semilla está formada por células más pequeñas, de forma cúbica y superficie lisa que forman lo que se conoce como aleurona. Dentro de la semilla está el embrión, del que surgirá la nueva planta cuando la semilla germine, pero en su mayor parte está ocupada por el llamado endospermo amiláceo (marcado como Se en la figura 1). Éste está formado por células grandes y de forma irregular que almacenan los alimentos (sobre todo almidón y proteínas) que la semilla produce a partir de los nutrientes captados por las CT. Es, pues, la despensa de la semilla. En vista de lo que hasta ahora hemos comentado salta inmediatamente a la vista la importancia que deben tener las CT para el crecimiento de la semilla, lo que se llama el llenado del grano, y también nos surge la pregunta de por qué aparecen CT sólo frente a la terminal del floema. ¿Es debido a señales que llegan de la madre, junto con los

nutrientes? ¿Qué pasa exactamente en las células de esa zona de la superficie de la semilla para que desarrollen una forma tan especial? A tratar de resolver estos y otros interrogantes se dedica el grupo de investigación de la UAH “Genética molecular del desarrollo de la semilla“. Recordemos que no se trata tan sólo de problemas de gran interés biológico, por qué aparece un determinado tipo celular en un lugar y momento concretos, sino también práctico puesto que las CT no son unas células cualquiera sino unas células cuya actividad parece esencial para el llenado del grano y, por tanto, para el rendimiento de las cosechas. En esta búsqueda de respuestas el grupo ha centrado su atención en la semilla de maíz porque esta es la especie cereal con más y mejores herramientas biológicas para abordar problemas moleculares y de desarrollo y por su gran valor económico. Las plantas y animales contienen muchos tipos diferentes de células y lo primero que tenemos que tener claro es que lo que una célula hace y lo que determina su aspecto depende, básicamente, de la actividad de un tipo especial de sus componentes: las proteínas. Un organismo, como en este caso el maíz, puede producir un gran número de proteínas diferentes. Muchas de ellas deben estas presentes en todas sus células porque son esenciales para su supervivencia, pero también las hay que aparecen en unos tipos celulares pero no en otros: se trata de las responsables de muchas de las diferencias entre ellos. Por tanto, una primera aproximación para tratar de comprender la diferencia entre tipos celulares es saber qué proteínas aparecen en cada uno. La información sobre cómo es un tipo concreto de proteínas viene contenida en los genes de forma que, típicamente, hay un gen para cada tipo de proteína. Lo normal es que en aquellas células donde se necesite una proteína su gen deba expresarse para que esta aparezca. Dentro de un gen podemos distinguir dos partes: la que contiene la información sobre cómo es la proteína que se produce a partir de él, la llamada región codificante, y la que determina cuándo, dónde y cuánto debe expresarse el gen y, por tanto, en qué células y en qué momento debe estar la proteína correspondiente así como en cuánta cantidad. Esta última es el promotor del gen. La actividad del promotor de los genes suele estar controlada por otras proteínas que se conocen como factores transcripcionales (FT). Los FT son, pues, esenciales para determinar qué proteínas hay en cada célula y, por tanto, cómo son estas y lo que hacen. Por eso resultó tan importante la identificación por el grupo de la UAH de un FT que está presente únicamente en la zona donde se encuentran las CT, incluso antes de que estas adquieran su forma definitiva. A ese FT se le dio el nombre de MRP-1 y se determinó que controla la expresión de una serie de genes de proteínas únicamente presentes en las CT. Inmediatamente surgió la cuestión de si las proteínas que MRP-1 hace aparecer son las que determinan la identidad de las CT. Una forma de comprobar si realmente MRP-1 pone en marcha la cascada de acontecimientos que llevan a la formación de las CT es hacerla aparecer en células donde normalmente no está y ver si entonces esas células se convierten en CT. Un lugar ideal para ello son las células de la aleurona, también en la superficie del grano pero en la zona no ocupada por las CT, y con un aspecto y actividad claramente diferentes. Conseguir que MRP-1 apareciera en la aleurona sólo fue posible tras hacer un poco de “bricolaje” en el laboratorio para fabricar un nuevo gen en el que la región codificante del gen MRP-1, la que tiene la información sobre cómo hacer esa proteína, se puso junto con la región promotora de otro que se expresa sólo en la aleurona de maíz, el AL9. De este modo, el nuevo gen sólo se expresará, y por tanto producirá MRP-1, en la aleurona. A continuación se insertó en el genoma de plantas de maíz con lo que las plantas transgénicas resultantes tendrían, aparte de los genes normales MRP-1,

que recordemos sólo funciona en las CT, y AL9, que sólo lo hace en la aleurona, un transgen sintético que produce MRP-1 en la aleurona. ¿Qué cabe esperar que ocurra en las semillas de estas plantas? Puede ocurrir que MRP-1 controle la expresión de algunos genes típicos de las CT pero que no sean esenciales para que una célula tenga el aspecto y las características típicas de las CT. En ese caso veríamos que, efectivamente, en la aleurona se expresan esos genes y aparecen dichas proteínas pero, aparte de eso, las células siguen siendo las de una típica aleurona. Ahora bien, podría ser que los genes que pone en marcha MRP-1 sean los que determinen que una célula tenga la forma típica de una CT y entonces en esa zona no habrá aleurona sino células con invaginaciones del tipo de las CT. Sin embargo, al estudiar lo que pasa en las semillas de desarrollo de esas plantas se obtuvieron algunos resultados inesperados. Unos 12 días después de la polinización (12 ddp), es decir, de su concepción, además de las típicas CT situadas en la base del grano aparecen otras en lo que en una semilla normal sería la aleurona. Pero una primera sorpresa es que estas nuevas CT, a las que hemos denominado CTE (células de transferencia ectópicas) no reemplazan a toda la aleurona sino tan sólo a una parte situada en el lado opuesto al embrión y relativamente cerca de donde se encuentran las terminales de los vasos del floema materno (Figura 2). Una sorpresa adicional la da el que esas CTE sólo aparezcan de forma transitoria: si observamos semillas unos 17 ddp ya no las encontraremos, ni tampoco en una semilla madura, en su lugar sólo hay típicas células de aleurona. No obstante, está claro que allí hubo CTE porque han quedado, como huellas delatoras, depósitos en las células maternas situadas a ese lado de la semilla de una proteína conocida como BAP-2 que sólo se produce en las CT y luego se excreta y acumula en el tejido materno situado frente a ellas (Fig. 2). Para explicar estas idas y venidas de la CTE debemos recordar que el promotor que dirige la producción de MRP-1 en el transgen sólo funciona en células de la aleurona, por lo que se apagará en cuanto se conviertan en CTE. Lo que observamos implica que las CTE que ya no producen MRP-1 vuelven a su estado “normal” de aleurona y así se quedarán aunque vuelvan a expresar de nuevo MRP-1, probablemente porque para entonces la semilla ya sea demasiado madura para iniciar una nueva ronda de cambios. Por consiguiente, estos resultados son compatibles con que MRP-1 desencadene una cadena de acontecimientos que lleven a que una célula de la superficie de la semilla de maíz tome el aspecto típico de una CT pero también nos sugieren que eso no basta sino que se precisa de señales procedentes de los vasos del floema materno para que la transformación se complete y consolide. En zonas de la superficie demasiado alejadas de esos vasos apenas llegarían tales señales y la expresión de MRP-1 no parece suficiente para inducir la transformación. En zonas más cercanas, donde llega algo más de esas señales, la aparición de MRP-1 desencadena su transformación en CT, pero sólo mientras siga siendo producida porque el estado de CT es inestable en tales condiciones y las células tienen una sorprendente facilidad para desandar el camino recorrido y volver al estado de aleurona. MRP-1 sería, pues, necesaria para inducir la aparición de CT en la superficie de la semilla, pero no suficiente. Podemos predecir entonces que si no hubiera expresión de MRP-1 tampoco aparecerían CT. Desafortunadamente, no ha sido posible comprobarlo porque la falta de MRP-1 parece causar graves problemas al organismo y plantas sin esta proteína siempre acaban muriendo. El mismo fatal desenlace se produce si se trata de hacer aparecer MRP-1 en otras partes de la planta que no sean la aleurona sin que sepamos todavía qué causa esos efectos letales. Hemos descubierto recientemente que en maíz hay cinco proteínas muy similares a MRP-1 que también se expresan en las CT, queda por determinar el papel que juegan en este proceso. Tampoco conocemos la identidad de las señales maternas, ni como

“siente” la célula que le están llegando pero empezamos a tener algunas pistas tras haber detectado en las CT la presencia de un grupo de proteínas que pertenecen a lo que se conoce en plantas como “sistemas de dos componentes”. Estas proteínas forman una cadena que trasmite una señal llegada a la célula desde un receptor situado en su superficie hasta el núcleo celular. Hemos observado que algunos de los componentes de esta cadena en las CT de maíz son capaces de interaccionar con MRP-1 por lo que sospechamos que puedan alterar su actividad y afectar así al proceso de diferenciación de esas células. Encontrar respuestas a estas y otras cuestiones, teóricas y de índole práctico, nos seguirá manteniendo ocupados durante bastante tiempo porque pocas cosas hay más complejas que el funcionamiento de un ser vivo, aunque se trate algo tan pequeño y aparentemente insignificante como la semilla de un cereal.

Aleurona

Endospermo amiláceo Se

CT Embrión

Floema

CT

Fig. 1 Esquema de la estructura interna de una semilla de maíz mostrando la ubicación de la aleurona en la periferia del grano (Al en la foto) y las CT en su base, frente a la terminal de un vaso del floema materno. También se muestra la localización del embrión. La mayor parte de la semilla está formada por las células del endospermo amiláceo (Se)

Al Al

CTE CTE

Em

Em CT CT

12 ddp

17 ddp CT

CT

Fig. 2 A 12 ddp se observa expresión (indicada por el precipitado oscuro en la imagen del extremo izquierdo) de un gen característico de las CT también en las CTE situadas en la zona de la superficie del grano opuesta al embrión (Em). Imágenes a mayor aumento muestran que las células en la superficie de esa zona tienen un aspecto similar al de las CT de la base del grano y muy diferente al de la aleurona (Al). A 17 ddp sólo hay expresión del gen característico de las CT en la base del grano pero han quedado depósitos de la proteína BAP-2 en la zona donde unos días antes hubo CTE (señalados por puntas de flecha). Depósitos similares se observan frente a las CT normales de la base del grano pero no en el resto de la periferia.