Un grupo de científicos de la Universidad de Nagoya ha logrado descubrir AMOR, una molécula de cadena de azúcar que aumenta la eficiencia de la fertilización en las plantas. Se descubrió que AMOR era responsable de activar los tubos de polen para conducir a la fertilización. Además, a través de la colaboración entre biólogos yquímicos, el grupo ha sintetizado un disacárido, es decir, un azúcar doble, que exhibe las mismas propiedades que AMOR. Se espera que este descubrimiento conduzca a avances en la investigación para mejorar la eficiencia de la fertilización de las plantas, así como la química de los carbohidratos para las plantas.
Nagoya, Japón - La Dra. Akane Mizukami y el Profesor Tetsuya Higashiyama del Proyecto JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics y el Instituto de Biomoléculas Transformativas ITbM de la Universidad de Nagoya, y sus colegas informaron sus nuevos hallazgos en abril8, 2016, en Biología actual , en su éxito en la identificación de una cadena de azúcar que activa los tubos de polen para responder a las moléculas atrayentes que promueven la fertilización en las plantas.
Cuando los granos de polen órgano reproductor masculino germinan en la punta del pistilo órgano reproductor femenino, un tubo de polen crece a través del pistilo. Ha habido muchos informes que sugieren la presencia de un compuesto presente dentro del pistilo,que activa el tubo de polen para responder a las moléculas atrayentes para la fertilización, es decir, como una poción de amor enviada por el órgano femenino para atraer el órgano masculino hacia ellos. Sin embargo, la naturaleza real de esta sustancia ha sido un misterio hasta ahora.
Utilizando Torenia fournieri como planta modelo, el grupo de Higashiyama y sus colegas lograron por primera vez identificar el activador para los tubos de polen. Este activador consiste en arabinogalactano, que es una cadena de azúcar específica para las plantas. El grupo lo nombró como ActivaciónMolécula para la capacidad de respuesta AMOR, tomada de la palabra latina que significa "amor" y "cupido", lo que ilustra su función de unir los órganos femeninos y masculinos, para promover la fertilización en las plantas.
En su estudio, el grupo también informó que las dos unidades de azúcar en el extremo de AMOR eran el componente activo responsable de la activación del tubo de polen hacia las moléculas atrayentes. Por lo tanto, a través de la colaboración con químicos sintéticos, el Dr. Jiao Jiao y el Dr. JunichiroYamaguchi, el equipo sintetizó un disacárido que consiste en ácido metil-glucurónico y galactosa unidos entre sí. Descubrieron que la molécula recién sintetizada activa el tubo de polen para responder a las moléculas atrayentes y conducir a una fertilización exitosa.
"Estamos entusiasmados de demostrar por primera vez que este disacárido terminal, que es característico de las cadenas de azúcar en las plantas, es responsable de la señalización entre las células vegetales", dice Higashiyama, líder del proyecto ERATO y profesor /Vice-Director de ITbM, Universidad de Nagoya: "Esto podría conducir al desarrollo de nuevos métodos para mejorar la eficiencia de la fertilización de las plantas y abrir una nueva vía para la investigación de carbohidratos en la biología de las plantas utilizando enfoques de química sintética".
Para que ocurra la fertilización en las plantas de semillas angiospermas, es necesario que los granos de polen polinicen en el pistilo, seguido de la germinación y el crecimiento de un tubo de polen a través del pistilo, con la entrega final de las células de esperma a los óvulos que contienenlos óvulos. Al pasar por el pistilo, el tubo de polen recibe varias sustancias, como las hormonas vegetales y las glucoproteínas.
En los mamíferos, se conoce desde hace mucho tiempo un fenómeno llamado capacitación de esperma, que es donde el esperma se activa por sustancias que se originan en los órganos femeninos. Por lo tanto, se ha realizado mucha investigación para descubrir su mecanismo molecular. De manera similar enplantas, ha habido informes sobre un fenómeno en el que los tubos de polen reciben moléculas atrayentes que se producen a partir de las dos células sinérgicas ubicadas al lado de los óvulos, para hacer crecer sus tubos hacia los óvulos y conducir a la fertilización. Sin embargo, el mecanismo molecularsobre cómo los tubos de polen se vuelven capaces de responder a las moléculas atrayentes no ha sido descubierto.
"En esta investigación, he usado plantas de Torenia fournieri para desarrollar nuevos experimentos para probar qué factores hacen que los tubos de polen ganen capacidad de respuesta hacia moléculas atrayentes", dice Akane Mizukami, actualmente profesora asistente en la Universidad Aichi Gakuin, que principalmenterealizó el ensayo biológico. Torenia fournieri es único en que el aparato del huevo, que contiene el óvulo y las dos células sinérgicas, sobresale del óvulo.
"Al usar este método para medir las actividades en varias partes de la flor de Torenia, encontramos AMOR, la molécula que permitió a los tubos de polen ganar la capacidad de responder a las moléculas atrayentes producidas por las células sinérgicas", describe Mizukami.
A través de la purificación de AMOR, el grupo encontró que AMOR contiene una cadena de azúcar llamada arabinogalactano, que es característica de las plantas. Además, al usar una enzima digestiva específica para cortar la cadena de azúcar de arabinogalactano en varias secciones, el grupo pudo identificarque un resto disacárido que contiene una unidad de ácido metil-glucurónico ubicado en el extremo del arabinogalactano, era esencial para la actividad de AMOR.
Los químicos orgánicos del grupo sintetizaron el resto disacárido en el término de arabinogalactano. "Aunque ahora puedo decir que es fácil, al principio cuando me uní a este proyecto, luché mucho para sintetizar y aislar los compuestos de azúcar,porque no era exactamente un experto en química del azúcar y era un nuevo campo de investigación para mí ", dice Jiao Jiao, investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor Kenichiro Itami en ITbM, Universidad de Nagoya." También encuentro que muchos químicos orgánicos tienen el mismosintiendo que los compuestos de azúcar son difíciles de manejar, especialmente cuando se manejan de forma aislada "
"Me tomó cerca de tres meses obtener el compuesto deseado con una estructura confirmada y buena pureza. La síntesis de esta pequeña molécula de azúcar fue realmente como un proyecto sintético total. Mi mentor, Junichiro Yamaguchi Profesor Asociado de la Universidad de Nagoya fueexperto en la fabricación de productos naturales, y diseñó la ruta sintética inicialmente, "continúa Jiao". Discutimos y modificamos el procedimiento para mejorarlo tanto en selectividad como en rendimiento. Creo que los tres meses para mí fueron realmente un tiempo preciosopara estudiar nueva química y obtener una buena experiencia para mi futuro "
Curiosamente, cuando el isómero de enlace β del disacárido de metil-glucuronosil galactosa sintetizado se agregó al cultivo, el tubo de polen fue atraído hacia la molécula atrayente ". Esto muestra que este disacárido particular fue la estructura clave para la actividad AMOR".explica Mizukami. Otros derivados sintetizados del disacárido también se agregaron al cultivo para ver su efecto sobre la capacidad de respuesta del tubo de polen hacia las moléculas atrayentes. El grupo también descubrió que el grupo metilo en la unidad de ácido metil-glucurónico y el enlace β entredos azúcares también fueron necesarios para la atracción del tubo de polen. "Este comportamiento de los tubos de polen indica que están reconociendo claramente la estructura específica del disacárido".
Este nuevo estudio ha revelado la presencia de AMOR, la molécula de azúcar responsable de controlar la capacidad de respuesta del tubo de polen hacia las moléculas atrayentes, que es una capacidad que es esencial para que la fertilización de las plantas tenga éxito. La cadena de azúcar arabinogalactano está comúnmente presente en la célulapared de plantas y se sabe que está involucrado en varias vías de señalización dentro de la célula. Sin embargo, los métodos analíticos efectivos para identificar los sitios activos en la cadena de azúcar no se han establecido bien y el papel exacto de la estructura de la cadena de azúcar no se ha aclarado completamentehasta ahora.
A través de la combinación de un enfoque biológico que usa varias enzimas de digestión de azúcar y un enfoque químico que usa azúcares sintéticos, el grupo logró descubrir el sitio funcional activo en la cadena de azúcar de la planta. Además, fue la primera vez que un azúcar específicoLa estructura de la cadena que forma parte de la matriz extracelular en las plantas se ha identificado como una especie bioactiva que funciona en la vía de señalización entre las células.
"La investigación interdisciplinaria entre biología y química ha sido absolutamente fantástica", dice Jiao. "Me siento súper divertido de hablar y discutir sobre la investigación con biólogos. Compartimos un conocimiento diferente de la ciencia, las técnicas experimentales y demás. Nunca sentimostímido para hacer una pregunta "estúpida" porque no solo somos colaboradores, sino que también nos gustan amigos o maestros. Definitivamente quiero y espero volver a tener ese tipo de colaboración en el futuro cercano ", continúa.
"Esta investigación es el resultado de una fusión fantástica entre mis colegas, que incluyen biólogos en mi laboratorio, químicos en el laboratorio de Itami, así como el Centro de Estructura Molecular en ITbM", dice Higashiyama. "Creo que el resultado deesta colaboración no solo arroja luz sobre el misterio largamente buscado de las cadenas de azúcar de arabinogalactano, sino que también avanzará en la comprensión de la vía de señalización aún por resolver entre las células que involucran cadenas de azúcar ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Bio-Moléculas Transformativas ITbM, Universidad de Nagoya . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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