Ciclo celular a lo largo de la raíz primaria de maíz
La raíz primaria de maíz se dividió en segmentos consecutivos que indicaban los límites de la tapa de la raíz, la zona de elongación del meristemo apical y la zona de diferenciación, de acuerdo con resultados anteriores (Alarcón et al., 2016). Se estimó que la distancia desde el RCJ hasta el ápice de la raíz era de 457 µm, que se eliminó antes de dividir la raíz en varias zonas. La zona meristemática apical de la raíz (MZ) se encuentra en los 1,5 mm más apicales de la raíz desde la RCJ y la zona de transición (TZ) continuó hasta los 3 mm. La zona de elongación rápida (EZ), en la que las células se elongan rápidamente, se asignó a 3-6 mm; y en las regiones alejadas de 6 mm observamos que la tasa de elongación de las células comienza a disminuir, lo que indica la zona de terminación del crecimiento (Verbelen et al., 2006). Las zonas situadas a 12-20 mm y 20-30 mm de la RCJ son zonas de diferenciación (DF), donde las raíces laterales inician su desarrollo. Se realizaron disecciones similares de raíces en Arabidopsis, donde la raíz se diseccionó en cinco secciones que son más cortas que las de la raíz del maíz (Cools et al., 2010). Recientemente, se ha informado de una expresión génica diferencial a lo largo de la raíz de Arabidopsis, y los genes reprimidos o inducidos varían sobre todo en el cambio de la zona meristemática a la de transición, así como de la zona de transición a la de elongación (Chaiwanon y Wang, 2015).
El límite del meristemo de la raíz está determinado por la salida del ciclo celular y el equilibrio entre la división celular y la elongación celular (Perilli et al., 2012). El perfil de citometría de flujo muestra la progresión del ciclo celular a lo largo de la raíz primaria, y los datos que muestran el número de células relativas en las fases del ciclo celular indican la actividad celular en varias zonas de la raíz. Por lo tanto, cuando las células salen del ciclo celular, podrían dejar de ciclar. Además, generalmente se asume que la salida de las células del ciclo celular tiene lugar después de la mitosis, y la decisión de entrar en un nuevo ciclo celular se hace en el punto de transición G1 a S en respuesta a los factores de crecimiento y varias hormonas (Gutiérrez et al., 2002; Inzé y De Veylder, 2006; Polyn et al, 2015).
En la Fig. 1 mostramos que, en raíces de 150-160 mm cultivadas a 30°C, el meristemo está prácticamente restringido a la MZ, la zona 0-1,5 mm desde la RCJ donde los porcentajes de células en las fases G0/G1-, S- y G2/M fueron aproximadamente 27, 23 y 39, respectivamente (Tabla 1). La duración relativa de G1, S, G2 y M en el meristemo de Allium se ha estimado en 26,5, 44,5, 16,5 y 12,5%, respectivamente (Giménez-Martín et al., 1977), y estos porcentajes son muy similares en otras especies. Aunque nuestros resultados informaron de que el meristemo del maíz tiene un menor porcentaje de células en fase S, los valores (23%) fueron suficientes para indicar la progresión del ciclo celular (Reichheld et al., 1999). Estas proporciones relativas cambiaron extraordinariamente cuando se analizó la TZ, en esta zona. Los porcentajes fueron de 9, 10 y 68%, para las fases G0/G1, S y G2/M, respectivamente. Este resultado sugiere que las células comenzaron a abandonar el ciclo celular cuando llegaron a 1,5 mm de la RCJ. Además, los porcentajes en EZ sugieren que a 3 mm las células están fuera del ciclo celular (Fig. 1, Tabla 1). Además, la disminución del porcentaje de células en las fases G0-G1- y S se compensó con un aumento en G2-M (Tabla 1, Fig. 2). Estos resultados muestran claramente que las células detienen el ciclo celular cuando están en la fase G2.
Distribución de la población celular en las distintas fases del ciclo celular a lo largo del ápice de la raíz. Las raíces se cultivaron hidropónicamente a 30°C hasta alcanzar 150-160 mm de longitud. Los datos proceden de un experimento individual representativo en el que se utilizaron al menos 10.000 células en las estimaciones de los porcentajes a diferentes distancias de la RCJ. Los experimentos se realizaron por triplicado.
Tabla 1.
Efecto de la temperatura sobre el ciclo celular en las distintas zonas del ápice de la raíz del maíz
Efecto de la temperatura en el ciclo celular a lo largo del ápice de la raíz del maíz. Histogramas de frecuencia de contenido de ADN que representan células de varios segmentos del ápice de la raíz de maíz cultivados a 20°C y 30°C. La columna de la izquierda representa histogramas de raíces cultivadas a 30°C; la columna de la derecha son de raíces cultivadas a 20°C. Las raíces se dividieron en varios segmentos: 0-1,5 mm (A,G); 1,5-3 mm (B,H); 3-6 mm (C,I); 6-12 mm (D,J); 12-20 mm (E,K) y 20-30 mm (F,L). Los datos proceden de un experimento individual representativo con al menos 10.000 células. Los experimentos se realizaron por triplicado.
Se ha informado de que la mayoría de los tipos de células abandonan el meristemo en fase G1, y últimamente la transición de G1 a S sólo se desencadena en las células del periciclo para iniciar la raíz lateral (Vanneste et al., 2007). En el periciclo de Arabidopsis, se ha propuesto que las células adyacentes a los polos del protoxilema siguen el ciclo celular sin interrupción cuando pasan por las zonas de transición, elongación y diferenciación (Dubrovsky et al., 2008). Estas células son las únicas que se dividen para iniciar el primordio de la raíz lateral. Sin embargo, el resto de las células que constituyen la raíz no se dividen. Entonces, las células epidérmicas y de la corteza que constituyen la mayoría de los tejidos de la raíz no continúan su ciclo cuando abandonan el meristemo de la raíz.
En nuestro análisis observamos un notable incremento de células en fase G2 en TZ y EZ. Este resultado sugiere que las células que salen del meristemo en fase G2 no sufren mitosis, sino que se detienen en esta fase G2 y permanecen en ella. Especulamos que las células que salen del meristemo en fase G1 o S continúan el ciclo celular hasta G2, donde se detienen. Esto se basa en la observación de que la disminución del porcentaje de células en G0/G1 entre MZ y TZ (29,7%) se compensa con un aumento en G2 (28,8%) (Tabla 1, Fig. 2). Entre la EZ y el extremo basal de la DZ (a 20-30 mm de la RCJ) se produce una débil disminución del porcentaje de G2. Esta pequeña disminución, junto con el descenso de los núcleos hiperploides, se compensa con el aumento de los niveles hipoploides (Tabla 1).
Por otro lado, se ha informado de que la TZ en la raíz del ápice del maíz no está comprometida en divisiones mitóticas, y en esta zona los núcleos postmitóticos se localizan en una posición central dentro de la célula (Baluška et al., 2001). Además, no se han observado figuras mitóticas a lo largo de la zona de la raíz; el inicio del primordio de la raíz lateral se observó entre 20-25 mm desde la RCJ (Alarcón et al., 2016). En Arabidopsis, la distancia media a la mitosis más temprana en el periciclo es de 3194 µm y la primera mitosis se ha observado a 2205 µm de la punta de la raíz (Dubrovsky et al., 2001). En la raíz de maíz, sólo a 20-30 mm de la RCJ, algunas células del periciclo opuestas al xilema mostraron citoplasma condensado, indicando que están reentrando en el ciclo celular (Alarcón et al., 2016). Estas diferencias podrían estar causadas por la mayor tasa de elongación de la raíz en el maíz, que crece 80-90 mm/día, mientras que Arabidopsis se alarga solo 10 mm/día (Dubrovsky et al., 2001).
Se ha demostrado mediante un análisis microscópico cuantitativo específico de tejido que algunas células de la corteza y la epidermis estaban en el primer endociclo (contenidos de ADN entre 4C y 8C) en su inicio de elongación. Además, los núcleos de los elementos del metaxilema en la zona de transición realizaron uno o dos endociclos alcanzando 32C en su inicio de elongación rápida (Baluška, 1987, 1990; Baluška y Kubica, 1984; Baluška et al., 1995). Recientemente, se ha descrito que la endorreplicación ocurre en las plantas antes de que las células inicien la diferenciación (De Veylder et al., 2007). Sin embargo, no observamos un número relevante de núcleos con un nivel de ploidía superior a 4n. Además, si la endorreplicación fuera un proceso común en la punta de la raíz del maíz, esperaríamos que la hiperploidía aumentara a medida que analizáramos las zonas más alejadas de la RCJ. Sin embargo, la hiperploidía no sólo no aumentó en las zonas de elongación, sino que disminuyó (Tabla 1).
Se ha informado de que las células del periciclo permanecen en fase G1 hasta que vuelven a entrar en el ciclo celular (Vanneste et al., 2007). Sin embargo, las células del periciclo representan sólo una pequeña fracción de la cantidad total de células que forman las puntas de las raíces; las células epidérmicas y de la corteza son los tipos de células más abundantes en el ápice de la raíz. Entonces, si alrededor del 70% de las células totales abandonan el meristemo en fase G2, la mayoría de las células epidérmicas y de la corteza deben estar en G2 cuando abandonan el meristemo. Se supone que la elongación de las células epidérmicas y de la corteza controla el crecimiento longitudinal de la raíz (Alarcón et al., 2014b). Por lo tanto, las células implicadas en el proceso de diferenciación que da lugar a la elongación de la raíz deben estar en fase G2.