Iluminando el mapa genético de las plantas

El cambio climático pone a prueba la resiliencia de los agricultores y sus cultivos. Para comprender mejor cómo responden las plantas a sus entornos dinámicos, los científicos magnifican las complejas conversaciones biológicas entre genes expresados ​​en células vegetales. Mapear la expresión genética es informativo, pero los enfoques tradicionales para la comprensión espacial de la expresión genética son limitados.

En una reciente estudiar, Tatsuya Noboribiólogo vegetal del Instituto Salk de Estudios Biológicos, desarrolló una nueva técnica para visualizar múltiples genes en el mundo interno de las plantas en 3D.¹ Publicado en plantas naturales, Este enfoque específico ofrece una herramienta prometedora para comprender la función de los tipos y estados de células y sus interacciones con el medio ambiente para identificar rasgos beneficiosos para el fitomejoramiento de precisión.

Los investigadores suelen utilizar la transcriptómica unicelular para secuenciar células individuales de un tejido y comprender sus respuestas al estrés. Luego generan líneas indicadoras modificadas genéticamente para estudiar los genes diana identificados en el análisis del transcriptoma unicelular. Crear estas plantas reporteras requiere mucho tiempo y trabajo, y limitan a los investigadores a estudiar un solo gen de interés. Además, las técnicas de imagen requieren cortar el tejido vegetal en rodajas finas, lo que pierde información espacial.

“Estas limitaciones impiden significativamente el progreso en la comprensión del análisis espacial de la expresión genética”, explicó Nobori, quien dirigió este trabajo. Esto motivó a Nobori a desarrollar una nueva forma de examinar genes con alta resolución en 3D.

Los hallazgos biológicos con los que PHYTOMap puede ayudar potencialmente son las respuestas al estrés de las plantas cuando están expuestas a diferentes tensiones ambientales, como temperaturas cálidas o heladas e incluso ataques de patógenos.
– Tatsuya Nobori, Instituto Salk de Estudios Biológicos

Para ahorrar tiempo y estudiar docenas de genes a la vez, Nobori desarrolló un método llamado observación dirigida del mapa de expresión genética basada en hibridación de plantas (PHYTOMap). Basado en tecnologías de secuenciación e hibridación in situ, PHYTOMap visualizó simultáneamente docenas de genes en un espacio 3D con una muestra de tejido completa de Arabidopsis thaliana. “Elegí Arabidopsis como prueba de concepto, ya que ha sido el organismo modelo para muchos biólogos vegetales y nos ha ayudado a comprender los principios fundamentales de la biología vegetal”, dijo Nobori.

Nobori apuntado Arabidopsis’ punta de la raíz, una estructura crítica para investigar el crecimiento, la adquisición de nutrientes y las interacciones con los microbios del suelo. Primero, arregló todo el tejido de la punta de la raíz, que ancló todas las moléculas de ARN objetivo en su lugar. Luego, Nobori hibridó las moléculas de ARN con sondas de ADN artificiales que contenían códigos de barras específicos de genes, que amplificó in situ y detectó con química de secuencia por hibridación. Con esta técnica, visualizó genes específicos y luego despojó fácilmente del tejido las sondas para reemplazarlas con un nuevo conjunto de sondas de genes diana.

Para demostrar la capacidad de multiplexación de PHYTOMap, Nobori se centró en 28 genes en la punta de la raíz. Los genes objetivo incluían genes marcadores de tipos celulares conocidos y otros candidatos a marcadores identificados en la secuenciación de ARN unicelular (secuencia de ARNc) estudios.² Además, PHYTOMap mostró una alta sensibilidad para genes que mostraban baja expresión y capturaban los principales tipos de células y etapas de desarrollo. Cuando Nobori recopiló las imágenes, revelaron un colorido lienzo de genes dentro Arabidopsis‘ punta de la raíz.

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PHYTOMap mostró una precisión comparable a otras técnicas basadas en imágenes y detectó con éxito el ARNm de la proteína verde fluorescente (GFP) en tipos de células y regiones esperadas de la punta de la raíz de un Arabidopsis modelo. Los investigadores demostraron la destreza de PHYTOMap para investigar la regulación espacial de las respuestas celulares en el tejido vegetal.

“Los hallazgos biológicos con los que PHYTOMap puede ayudar potencialmente son las respuestas al estrés de las plantas cuando están expuestas a diferentes tensiones ambientales, como temperaturas cálidas o heladas e incluso ataques de patógenos”, dijo Nobori. “Debido a que las respuestas de las plantas al estrés son extremadamente heterogéneas, es realmente importante comprender estas respuestas en una resolución de una sola célula con información espacial”.

Este trabajo representa el primer enfoque basado en imágenes en plantas que nos permite visualizar genes con una resolución subcelular, algo que faltaba en el campo.
– Stefania Giacomello, Laboratorio del Real Instituto de Tecnología y Ciencia para la Vida del KTH

Los científicos en el campo de la transcriptómica espacial utilizan dos tipos de enfoques: métodos basados ​​en imágenes y secuenciación. “Este trabajo representa el primer enfoque basado en imágenes en plantas que nos permite visualizar genes con una resolución subcelular, algo que faltaba en el campo”, dijo Stefania Giacomellobiólogo espacial del Laboratorio del Real Instituto de Tecnología y Ciencia para la Vida Kungliga Tekniska högskolan (KTH), que no participó en este estudio.

En 2017, Giacomello desarrolló un método de secuenciación que complementa PHYTOMap como método no dirigido, exploratorio Estudio de la transcriptómica vegetal.³ Este método exploratorio capturó todo el transcriptoma, pero la resolución no fue tan específica como la de los métodos basados ​​en imágenes. “Aquí es cuando se necesita un enfoque dirigido como PHYTOMap para acercarse a los genes objetivo”, explicó Giacomello. Con imágenes de alta resolución, PHYTOMap impulsará los esfuerzos para visualizar y obtener información sobre las interacciones genéticas dinámicas de las plantas en entornos cambiantes.

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Mientras Nobori se prepara ahora para iniciar su propio laboratorio en el Laboratorio Sainsbury, planea perfeccionar el potencial multimodal de PHYTOMap. “Imagino equilibrar PHYTOMap de una manera que pueda detectar ARN, proteínas y metabolitos al mismo tiempo para maximizar la cantidad de información obtenida y comprender mejor lo que sucede en las interacciones entre plantas y microbios”.

Referencias

1. Nobori T, et al. Análisis de expresión de genes espaciales 3D unicelulares multiplexados en tejido vegetal utilizando PHYTOMap. Plantas Nat. 2023;9:1026–1033.
2. Shahan R, et al. una sola celda Arabidopsis El atlas de raíces revela trayectorias de desarrollo en mutantes de identidad celular y de tipo salvaje.. Célula de desarrollo. 2022;57:543–560.
3. Giacomello S, et al. Perfiles de transcriptomas resueltos espacialmente en especies de plantas modelo. Plantas naturales. 2017;3:17061.