Laboratorio de Biología del Desarrollo de la Raíz (English version, click here)

La Biología del Desarrollo busca comprender los mecanismos del desarrollo de los diferentes órganos y tipos celulares de los seres vivos. En los animales y en las plantas estos mecanismos son esenciales durante la formación del embrión, lo cual en las plantas angiospermas culmina con la formación de una semilla. Sin embargo, en las plantas, a diferencia de lo que sucede en animales, los procesos de desarrollo son aún más importantes en etapas post-embrionarias, es decir, después de la germinación. En nuestro laboratorio estudiamos el desarrollo de la raíz, pues en este órgano se pueden realizar análisis celulares con relativa facilidad. Además, la raíz es un órgano importante para la adaptación de las plantas a las condiciones ambientales y es fundamental para mantener la integridad de la planta, ya que cumple con diversas funciones esenciales. Para estudiar los distintos aspectos de la Biología del Desarrollo de la Raíz implementamos aproximaciones genéticas, de biología celular, microscopía, análisis de imágenes y análisis bioinformáticos.

La formación de los sistemas radicales, y su desarrollo, dependen de dos procesos principales: el crecimiento de la raíz y su ramificación. Ambos procesos están relacionados a la formación y mantenimiento del Meristemo Apical de la Raíz (RAM, por sus siglas en inglés). Mientras las raíces poseen un RAM tienen la capacidad de crecer de manera indefinida, es decir, exhiben crecimiento indeterminado. Sin embargo, existen algunas situaciones en las cuales el RAM puede ser consumido, o agotado, lo cual resulta en el crecimiento determinado de la raíz. En nuestro laboratorio estamos interesados en ambos procesos: el mantenimiento del RAM y el mantenimiento del crecimiento indeterminado. Para entender ambos fenómenos realizamos estudios de genética clásica en Arabidopsis thaliana. Así, hemos aislado a algunas mutantes cuya arquitectura del sistema radical está afectada, y mediante secuenciación masiva del ADN buscamos identificar a los genes responsables de los fenotipos alterados. Algunas de las mutantes que hemos aislado exhiben crecimiento determinado de la raíz, mientras que otras no. En el laboratorio buscamos nuevas vías de regulación genética que estén involucradas en el mantenimiento del RAM y del crecimiento indeterminado.

Con el mismo propósito utilizamos diversas especies de cactáceas. Previamente demostramos que muchas de las especies de la familia Cactaceae que analizamos exhiben agotamiento del RAM, lo cual en una de las especies está directamente relacionado con el establecimiento transitorio, o temporal, del Centro Quiescente (la región distal del RAM involucrada en el funcionamiento de las células troncales de la raíz). Al emplear herramientas de transcriptómica y análisis bioinformáticos estudiamos la expresión diferencial de genes en etapas iniciales del crecimiento de la raíz, cuando el RAM está presente, y en etapas terminales, cuando el RAM está agotado y la raíz no puede continuar su crecimiento. Como parte de este trabajo hemos ensamblado de novo el transcriptoma de la raíz de Pachycereus pringlei, un cactus columnar endémico de México, y anotamos a los contigs que fueron obtenidos. Esta estrategia nos permitirá comprender cómo se regula la pérdida del RAM durante el desarrollo de la raíz primaria de las cactáceas. En nuestro laboratorio también demostramos que el crecimiento determinado es un programa de desarrollo genéticamente estable en muchas de las especies de la familia Cactaceae, mientras que otras especies poseen crecimiento indeterminado de la raíz. Por esta razón estamos interesados también en estudiar los orígenes evolutivos de este carácter, pues hemos propuesto que el crecimiento determinado se fijó como una ventaja adaptativa a la sequía y a los ambientes áridos. Una de nuestras hipótesis es que algunos de los genes que se regulan de manera diferencial durante el desarrollo de la raíz en las cactáceas son reguladores del crecimiento determinado. Para validar de manera experimental el papel de algunos genes en el crecimiento determinado de la raíz, actualmente estamos desarrollando un protocolo para la obtención de raíces transgénicas de cactáceas a partir de callos.

Además del crecimiento de la raíz, otro proceso de desarrollo esencial durante la formación del sistema radical es la ramificación. Este proceso se origina en un tejido especializado: el periciclo. Estamos interesados en estudiar las distintas características entre diferentes células del periciclo, ya que solamente algunas de ellas pueden dar origen a nueva raíz lateral. La hormona vegetal auxina, la cual se comporta como morfógeno y como un disparador morfogenético, juega un papel crítico en las vías de desarrollo que regulan la activación del periciclo. Hemos demostrado que el establecimiento de las respuestas mínimas y máximas a auxina, así como de gradientes de respuesta a auxina a lo largo del eje de la raíz, están involucrados en la determinación del sitio en el cual se formará un nuevo Primordio de Raíz Lateral (LRP, por sus siglas en inglés). Aún no se entiende del todo cómo se regula la formación de nuevos LRPs, y para aumentar nuestro conocimiento al respecto abordamos este problema mediante el estudio de diferentes mutantes de Arabidopsis. En nuestro laboratorio utilizamos técnicas de microscopía confocal, análisis de imágenes y análisis de tipo "time-lapse", los cuales en conjunto con una amplia gama de marcadores moleculares, nos ayudan a entender cómo ocurre la morfogénesis de los LRPs y cuáles son los mecanismos moleculares y celulares involucrados en su desarrollo. Las mutantes que hemos aislado en nuestro laboratorio desarrollan LRPs anormales, y mediante la identificación de los genes responsables de estos fenotipos, pretendemos entender mejor las vías de regulación involucradas en la formación de raíces laterales y en su morfogénesis.

El estudio de los mecanismos que subyacen al desarrollo de las raíces repercutirá en nuestro entendimiento del crecimiento y desarrollo de las plantas y su adaptación a las diferentes condiciones ambientales, dos factores relevantes para mejorar el rendimiento y las prácticas agrícolas.

Laboratory of Developmental Biology of Plant Roots (Versión en Español, dar clic aquí)

Developmental Biology aims to understand developmental mechanisms involved in tissue and organ formation. Contrary to animals, in plants almost all organs are formed during postembryonic development, therefore, these mechanisms are decisive not only during embryogenesis, but, even at a greater extent, after seed germination. In our laboratory we study root development as this organ is readily amenable to cellular analysis. Also, root is an important organ for plant adaptation to environmental conditions and it is essential for plant integrity as it fulfills many essential functions. We implement genetic, cell biology, imaging, microscopy, and bioinformatics approaches to address various facets of Root Developmental Biology.

Root system formation and development is comprised of two main components: root growth and branching. Both are related to root apical meristem (RAM) formation and maintenance. While roots possess the RAM, they are capable of indeterminate root growth. However, sometimes the RAM can be developmentally lost, or exhausted, leading to root determinacy. We have isolated a number of mutants affected in root development, and using deep sequencing identified the genes responsible for the abnormal root phenotypes. Some of these mutants show determinate root growth and some don´t. We are in search of new gene-regulatory pathways involved in the RAM maintenance and the maintenance of indeterminacy.

With the same purpose we also study Cactaceae species. We have found that many of them exhibit the RAM exhaustion, that is, the determinate root growth. In a giant Mexican cactus, Pachycereus pringlei, it is related to only a transient establishment of the quiescent center (distal part of the RAM involved in stem cell function). Applying transcriptomics and bioinformatics tools, we study differential gene expression in this species at the initial stage of root growth, when the RAM is present, and at the terminal stage, when it is exhausted. As part of this work we de-novo assembled and annotated the root tip transcriptome of P. pringlei. This will allow us to better comprehend how the developmental loss of indeterminacy is taking place in this plant group. We have shown that the primary root exhibits determinate growth in most but not all analyzed species of Cactaceae, therefore we are also interested in the evolutionary origin of this type of root growth and its association with drought adaptation. We expect that some genes that are differentially expressed in Cactaceae root tip are involved in the regulation of the determinate root growth. To validate experimentally a suggested role of genes of interest, we are developing a protocol for obtaining transgenic roots of Cactaceae.

Besides the root growth and importance of the RAM, another essential developmental process in root system formation is root branching. Initiation a new lateral root starts in a specialized tissue, the pericycle. Therefore, we are interested in the pericycle development and its commitment for the lateral root formation. The plant hormone auxin, which behaves as a morphogen and a morphogenetic trigger, plays a critical role in the developmental pathway that regulates an activation of cell divisions in pericycle. We have shown that the establishment of auxin maximum and auxin minimum, as well as auxin response gradients along the root axis, are involved in the determination of the site where a new lateral root primordium (LRP) will be formed. It is not well understood how LRP initiation is regulated. We isolated EMS-induced mutants of Arabidopsis to elucidate the genetic control of LRP initiation and morphogenesis. Using confocal microscopy, imaging, time-lapse analysis, and different molecular markers, we aim to understand how LRP morphogenesis takes place in Arabidopsis. By identification of genes responsible for the phenotypes of the mutants with abnormal LRPs we hope to contribute to the understanding of the genetic regulatory pathways involved in lateral root formation and morphogenesis.

In conclusion, the root growth and branching are two fundamental processes of root system development. Understanding the developmental mechanisms underlying these processes will shed light on the bases of crop production and the mechanisms of plant adaptation to the environment, which are essential to improve agricultural yield and practice.