Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). Delegació de Catalunya.

Anònima al camp, popular al laboratori

Una petita planta anomenada Arabidopsis thaliana desperta la curiositat d’una bona part de la comunitat científica. Es va introduir al laboratori fa prop de quaranta anys i, ara, són milers els investigadors que cada dia intenten descobrir els secrets que hi ha al darrera del seu desenvolupament, el creixement o la floració. L’any 2000 es va obtenir la seqüència del seu genoma, sent el primer genoma de planta seqüenciat.

Aquest fet la va situar per davant d’altres models d’importància en agricultura com el tomàquet o el blat de moro. Aquesta espècie que genera tant desig de coneixement és, en el seu ambient natural, una herba com tantes altres.

Què té aquesta herba que no tingui una altra?

Una herba com una altra

Arabidopsis thaliana, coneguda simplement com Arabidopsis, és una planta herbàcia de mida petita i de cicle anual. L’apel·latiu thaliana fa referència a la persona que en feu la primera descripció botànica, que fou Johannes Thal al segle XVI. Aquesta espècie no té interès comercial malgrat que està emparentada amb nombroses plantes comestibles com la col, el nap o la planta de la mostassa. En l’àmbit científic, però, aquesta (mala) herba acapara més atenció que les espècies més exuberants i boniques, o aquelles que tenen major importància econòmica i les que ja tenien una tradició en la recerca.

Entre tanta diversitat, què va atraure la mirada dels científics cap a aquesta planta?

Un aspecte poc vistós

És una planta que pot mesurar entre deu i trenta centímetres d’alçada sense incloure l’arrel. A la base té una roseta de fulles amples mentre que a la tija les fulles són més primes i allargades. Les flors són molt petites i hermafrodites (amb òrgans reproductors masculins i femenins) de color blanc i s’agrupen formant petits grups de flors o inflorescències. El fruit és una síliqua d’un parell de centímetres de llargada i dos mil·límetres d’amplada, que pot arribar a contenir prop de trenta llavors. Aquestes es dispersen a través del vent, un cop s’obre la síliqua madura.

Familiars i parents

Comparteix família amb un ampli ventall d’espècies d’interès agrícola com la col (Brassica oleracea), el nap (Brassica napus) o el rave (Raphanus sativus), i culinari com la mostassa (Brassica campestris), la mostassa blanca (Sinapis alba) i la negra (Brassica nigra). També està emparentada amb la ruca (Eruca vessicaria), només per citar-ne alguns exemples de l’àmplia família de les brassicàcies, a la qual pertany Arabidopsis thaliana. Dins del gènere Arabidopsis, s’hi agrupen unes 9 espècies i 8 subespècies.

Varietats naturals

Arabidopsis és una planta cosmopolita que es troba distribuïda a tots els continents; encara que és poc abundant a Àsia i Àfrica, i escassa a algunes regions d’Amèrica. En climes càlids i temperats, se la troba en prats, marges de camí o terrenys abandonats. Arreu, s’han identificat centenars de varietats amb diferències en la forma, el creixement o el temps de floració, com a adaptació a les condicions ambientals. Algunes d’elles reben la categoria d’ecotip, una subdivisió genètica i ecològica de l’espècie per adaptació ambiental a les condicions locals.

Cicle de vida curt

El seu cicle de vida és curt, generalment inferior a un any, tot i que al laboratori s’aconsegueix completar-lo en sis o vuit setmanes. En climes temperats, aquesta planta floreix entre els mesos de febrer i juny. La flor és l’òrgan reproductiu i conté els estams (aparell masculí) i els carpels (aparell femení). El gra de pol·len s’uneix a l’òvul, situat a l’ovari, i de la fecundació, en resulta la llavor. Quan el fruit està preparat, s’obre i dispersa les llavors. Aquestes arriben al sòl i es mantenen en estat dorment fins que les condicions ambientals són les adequades per a la germinació, donant lloc a una nova planta.

Cicles a la natura. Biologia i Pensament. Madri+d

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Arabidopsis thaliana en l'hàbitat natural. Aquesta imatge procedeix del Projecte Anthos: http://www.anthos.es. Foto: Xavier Font. Universitat de Barcelona i Banc de Dades de Biodiversitat de Catalunya: http://biodiver.bio.ub.es/biocat/homepage.html

L’elecció de la planta model

L’ús d’aquesta planta herbàcia com a model de les plantes al laboratori fou relativament tardà i es consolidà cap a la dècada de 1980. Anteriorment, la pesolera de Gregor Mendel (1821-1884) i altres espècies d’interès econòmic, com la planta del tabac o del blat de moro, s’havien introduït en l’àmbit experimental. Malgrat que, sovint, la tradició d’experimentació amb una espècie afavoreix el seu ús al llarg del temps (pel coneixement acumulat i la tècnica desenvolupada), no sempre és suficient. És il·lustratiu el cas d’Arabidopsis en què per raons pràctiques, com la senzillesa i la facilitat de manipulació, es va decantar la balança a favor seu.

Qualsevol planta podria convertir-se en organisme model?

Proposar una planta model

Una de les primeres mostres d’interès per aquesta planta data de principis de segle XX. Friederich Laibach, que era deixeble del botànic Edward Strasburger (1844 – 1912), va realitzar un estudi per determinar el seu número de cromosomes (resultaren ser cinc). Posteriorment, classificà una extensa col·lecció de mutants silvestres amb l’objectiu d’investigar la variació de fenotips en les variants naturals gràcies a la genètica clàssica. L’any 1943, Laibach defensà el potencial d’Arabidopsis per a la recerca gràcies al seu cicle vital curt, la facilitat de creuaments i la possibilitat de mutagènesi.

Pesolera: primer model de planta
Gregor Mendel (1822-1884) va utilitzar la pesolera (Pisum sativum) per a fer experiments de creuament de plantes, a mitjan de segle XIX. Va escollir aquesta espècie perquè, d’una banda, presentava parells de caràcters oposats i visibles (llavors llises i rugoses; baines grogues o verdes; inflorescències terminals o axil·lars); i de l’altra, perquè es tractava de material barat que ocupava relativament poc espai, tenia un cicle vital curt i nombrosa descendència. Els resultats de vuit anys de recerca es van presentar l’any 1865 i es coneixen avui com les lleis de l’herència de Mendel. Malgrat els referents, aquesta espècie no va esdevenir el model preferit de la comunitat científica.

Una (petita) comunitat científica

Als anys 1950 i 1960, un nucli reduït de persones, al voltant de la figura de Friederich Laibach, prosseguí la recerca en Arabidopsis, a banda i banda de l’oceà Atlàntic. Aquestes persones establiren una relació d’intercanvi fluïda que es traduí en la creació d’una publicació periòdica, Arabidopsis Information Service, l’any 1964 (que continuà fins el 1990). També se celebraren dos congressos internacionals, el primer a Göttinguen l’any 1965 i el segon a Frankfurt l’any 1976. Tot plegat contribuí a generar una comunitat de defensors de l’Arabidopsis per a la recerca, que es consolidà a la dècada de 1980.

Una tècnica transformadora

Un fet molt important va ser el desenvolupament d’una tècnica que permet introduir gens forans a les cèl·lules vegetals de manera que s’integren de forma estable al genoma. Per fer-ho s’utilitza el bacteri Agrobacterium tumefaciens. Aquesta tècnica es va anunciar l’any 1986 i va ser molt ben rebuda per la comunitat d’Arabidopsis; ja que permetia superar la dificultat de crear mutants artificialment que, fins llavors, havia resultat més complicat del que havien pensat Laibach i els seus col·laboradors. En pocs anys, aquesta tècnica es va perfeccionar i serví per obtenir un ampli ventall de plantes transgèniques, molt útils, per determinar la funció dels gens en els processos de desenvolupament de la planta.

Plantes amb ADN “estrany”
El bacteri Agrobacterium tumefaciens era conegut en l’àmbit científic per causar tumors en les plantes, gràcies a la seva capacitat de transmissió d’ADN. Aquesta propietat la van aprofitar els investigadors per introduir nous gens d’interès de forma controlada. Inicialment es treballava amb cultius de teixits (fulles o arrels) que s’infectaven amb el bacteri. Més endavant, es va perfeccionar la tècnica per no dependre de cultius. La idea era submergir les inflorescències en una solució aquosa que contingués el bacteri -adequadament modificat amb el gen d’interès- de manera que la planta podia incorporar la modificació al seu genoma i transmetre-la a la descendència a través de les llavors transformades. Aquesta tècnica permet obtenir fàcilment una gran quantitat de plantes transgèniques portadores de la mutació o de la resistència desitjada.

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Primer Simposi Internacional de Recerca en Arabidopsis, celebrat a Göttingen, l'abril de 1965. Aquesta imatge s'ha obtingut a partir d'un article d'Elliot Meyerowitz sobre la història d'Arabidopsis, amb el permís d'Ioan Negrutiu. Plant Physiol, January 2001, Vol. 125, pp. 15-19. Copyright: American Society of Plant Biologists: http://www.plantphysiol.org

De mala herba a planta model

Arabidopsis thaliana és l’espècie més utilitzada als laboratoris de biologia de plantes. La recerca associada abraça un ampli ventall de processos biològics, com la germinació, la floració o la resposta a diferents tipus d’estrès, des del nivell molecular fins a l’ecològic. Les característiques que l’han fet desitjable són un cicle de vida ràpid, producció de nombrosa progènie juntament amb el fet que requereix poc espai i és fàcil de conrear en hivernacle o cambra de cultiu. També hi ha influït la mida relativament petita del seu genoma, que fou seqüenciat completament l’any 2000 per l’Arabidopsis Genome Initiative. Aquest conté una proporció baixa de seqüències repetides d’ADN i pot ser manipulat mitjançant l'enginyeria genètica amb més facilitat i rapidesa que altres genomes de plantes.

Els trets que afavoreixen l’èxit de la planta al laboratori són representatius de la natura?

Plantes de laboratori

Si es té en compte el número de publicacions científiques, plantes com el blat de moro, la soja, la petúnia, la tomaquera o la pesolera, que en el seu moment foren promeses en aquest camp, queden a llarga distància respecte Arabidopsis. Només l’arròs (Oryza sativa) es manté a primera fila. De fet, aquesta espècie té, com la primera, un genoma reduït i a més representa a un grup de plantes, les monocotiledònies, diferent del d’Arabidopsis. Monocotiledònies són aquelles plantes amb flor que en germinar presenten una fulla, el cotiledó; i no dues, com passa amb les dicotiledònies (Arabidopsis).

Temps de flors

Arabidopsis ha permès conèixer millor el procés de la floració, és a dir, quan i com es formen les flors. En aquesta espècie, les flors estan formades per quatre verticils concèntrics amb els quatre òrgans florals disposats de la següent forma, de fora cap endins: 4 sèpals (verds), 4 pètals (blancs), 6 estams (aparell masculí) i 2 carpels (aparell femení). Entre d’altres aspectes, la recerca es centra a esbrinar com la planta sap quan és el moment més adequat per florir i com s’aconsegueix que les flors formin correctament totes les estructures.

L’hora de florir
S’ha observat que, a Arabidopsis, la floració s’accelera quan el dia es fa més llarg. El fotoperíode (o durada del dia) és un indicador per a la planta del moment adequat per a florir, es detecta a través de fotoreceptors presents a les fulles. Quan les condicions ambientals són les adients, es disparen les molècules promotores (el conegut florigen), viatgen fins a l’extrem apical de la tija per induir la formació de les flors. Actualment, se sap que es tracta d’un procés complex en el que participen nombrosos gens. Entre ells, els gens CONSTANS (CO) i FLOWERING LOCUS T (FT) estan implicats en la inducció de la floració. El gen TEMPRANILLO (TEM), en canvi, és un repressor que evita que tingui lloc la floració abans de temps. El balanç entre els diferents gens (activadors o repressors) és el que permet o no la formació de les flors.

La identitat d’una flor
Tot i la gran diversitat de flors, totes comparteixen un pla bàsic de construcció. Una de les qüestions clau a l’estudiar com es forma la flor, és saber com les diferents estructures que la conformen (sèpals, pètals, estams i carpels) adquireixen la seva identitat. Es tracta d’un procés molt ben regulat en el que, segons el model ABC, grups de gens actuen en combinació o per separat en els diferents verticils i defineixen les estructures florals en cada un d’ells. Així, els gens d’activitat A indueixen el desenvolupament de sèpals; els gens d’activitat B, juntament amb A, indueixen la formació dels pètals; i els B juntament amb els gens d’activitat C indueixen el desenvolupament dels estams; finalment, els gens d’activitat C indueixen el desenvolupament del pistil. Actualment, la caracterització dels gens SEPALATA que actuen en tots els verticils ha fet revisar i refinar el model clàssic ABC.

Produir moltes llavors

Algunes de les característiques que han fet que Arabidopsis sigui molt utilitzada al laboratori són el cicle vital curt i la gran quantitat de llavors que produeix (fins a 5.000 llavors per planta). Aquesta espècie prioritza una reproducció ràpida, abundant i poc sofisticada i els biòlegs l’anomenen l’estratègia de la “r”. En contraposició, hi ha les espècies que segueixen l’estratègia de la “K”, que tenen cicles de vida més llargs i dediquen temps i energia a produir poques llavors però més sofisticades. Una qüestió que es planteja és en quina mesura aquesta espècie àmpliament estudiada dóna informació rellevant respecte les espècies de l’estratègia de la “K”.

Germinar a diferents temps
Les llavors d’Arabidopsis són força simples a nivell d’estructura i, en general, germinen prop de la planta d'origen perquè no tenen sistemes sofisticats de dispersió. Aquest fet podria ser contraproduent si les condicions ambientals es tornessin adverses (contaminació local, esllavissada, etc.) ja que totes les llavors se’n veuen afectades. Però, els investigadors han observat que hi ha una gran variació en la germinació de les llavors, fins i tot, quan es cultiven en medis pràcticament iguals. Això sembla indicar que les llavors simples de l’estratègia “r” disposen de sistemes complexes que fan germinar les llavors a diferents temps i d’aquesta manera augmenten la variació i la supervivència.

Resistir l’estrès

Arabidopsis s’utilitza per estudiar els mecanismes moleculars que estan implicats en les respostes de les plantes a l’estrès causat pel fred, la sequera o la salinitat. Una línia de recerca se centra a trobar els gens i les proteïnes que protegeixen les cèl·lules davant d’episodis d’estrès. Això permet idear plantes que sobre expressin o silenciïn aquests gens o proteïnes i veure si té un efecte protector a la planta sencera. Generalment, la recerca amb aquesta planta serveix per assajar, per ser un model més senzill de treball. Després, en funció de l’estudi, es pot prosseguir amb la recerca en altres espècies d’interès comercial, com pot ser l’arròs, el blat de moro o la patata.

Plantes resistents a la salinitat
S’ha observat que Arabidopsis es pot aclimatar a condicions d’altes concentracions de sals en el medi. Els investigadors estudien els mecanismes moleculars que estan darrera d’aquests processos i han trobat diverses famílies de gens que estan implicats en la tolerància a la salinitat. Els gens SOS (salt overly sensitive) atorguen sensibilitat davant d’ambients salats. A partir d’aquí es pot modificar l’expressió d’aquests gens per crear plantes molt més tolerants a la salinitat.

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Mutant floral homozigot pel gen Agamous 3 (ag-3) d'Arabidopsis thaliana. Biological Chemistry. Vol 378, 1073-1101. Octubre 1997. Amb el permís de Gruyter Reference Global: http://www.reference-global.com

El genoma complet d’Arabidopsis thaliana es va publicar l’any 2000. Va ser una fita important en la recerca de plantes perquè la situava definitivament a l’era de la recerca “òmica”. La mida del seu genoma és de 125 milions de parells de bases (Mb) que contenen aproximadament 25.500 gens. Per integrar tot el coneixement que es genera en milers de laboratoris d’arreu del planeta s’han creat diverses eines que permeten als investigadors explorar noves connexions. Actualment, la recerca es desenvolupa a escala global. The Arabidopsis Information Resource (TAIR) és un dels majors repositoris online de dades i recursos i el Nottingham Arabidopsis Stock Centre (NASC), és el principal centre de conservació, producció i distribució de plantes d’Arabidopsis (ecotips i mutants) a nivell mundial.

Segle XVI

Johannes Thal feu la primera descripció botànica d’Arabidopsis thaliana, amb el nom de Pisonella siliquosa.

1907

Friedrich Laibach determina que la planta té cinc cromosomes.

1943

Laibach defensa el potencial d’Arabidopsis com a organisme model.

1964

Es crea la publicació periòdica Arabidopsis Information Service.

1965

Se celebra el primer Simposi Internacional sobre Arabidopsis a Göttingen.

1976

Se celebra el segon Simposi Internacional sobre Arabidopsis a Franckfurt.

1985

Es determina la mida (reduïda) del genoma d’Arabidopsis.

1986

S’estableixen els protocols de transformació amb el bacteri Agrobacterium tumefaciens.

1991

S’estableixen els primers centres d’estocs i bases de dades.

1992

S’aplica per primera vegada la tècnica de “desplaçament sobre el cromosoma” a Arabidopsis, per aïllar gens adjacents a partir d’una seqüència coneguda.

1996

S’estableix la Arabidopsis Genome Initiative.

1997

S’estableix el mapa físic dels cinc cromosomes.

2000

S’aconsegueix la seqüenciació completa del genoma.