Las plantas necesitan fósforo para crecer, pero en muchos suelos este se encuentra retenido y es difícil de absorber.

Algunas plantas solucionan este problema formando raíces en racimo: grupos densos de pequeñas raíces que liberan compuestos naturales en el suelo. Estos compuestos movilizan el fósforo, lo que permite a las plantas absorberlo y sobrevivir en entornos con pocos nutrientes.

Para comprender mejor cómo las plantas aplican estas estrategias en suelos pobres en nutrientes, los investigadores están estudiando en detalle los sistemas de raíces en racimo.

El Dr. Hirotsuna Yamada, profesor asistente (nombramiento especial) en la Escuela de Posgrado de Ciencias Integradas para la Vida de la Universidad de Hiroshima, comparte hallazgos de investigación sobre las raíces en racimo y cómo las tecnologías avanzadas de adquisición de imágenes respaldan su trabajo.

Acerca del Dr. Hirotsuna Yamada

Basándose en su experiencia en investigación en Australia, el Dr. Hirotsuna Yamada estudia los mecanismos de absorción de nutrientes en plantas adaptadas a entornos extremos. Actualmente, su investigación está enfocada en la secreción de metabolitos y enzimas en raíces en racimo involucradas en la adquisición de fósforo, así como los genes que regulan estos procesos.

¿En qué está enfocada su investigación actual?

Dr. Yamada: Mi investigación tiene como objetivo descubrir cómo las plantas absorben fósforo de manera eficiente. Estoy especialmente interesado en la estructura conocida como “raíces en racimo”, que no solo aumenta la superficie radicular, sino que también es conocida por liberar grandes cantidades de ácidos orgánicos y fosfatasas ácidas.

Debido a que trabajo con especies no modelo (ver la figura 1), la manipulación genética resulta difícil. En cambio, combino diversas técnicas como la tinción histoquímica, los ensayos de actividad enzimática y el análisis de la expresión génica para avanzar en la investigación.

¿Por qué decidió enfocar su investigación en las raíces en racimo?

Dr. Yamada: Las raíces en racimo representan una adaptación altamente especializada que las plantas han desarrollado para hacer frente al fósforo, un nutriente que a menudo escasea en el suelo. Estas raíces son especialmente únicas por su capacidad de movilizar fósforo desde fuentes que, de otro modo, serían inaccesibles.

Uno de los aspectos más fascinantes es que los genes clave responsables de la formación de las raíces en racimo siguen en gran medida sin ser identificados. Nuestra investigación se enfoca en el desarrollo de raicillas individuales –las pequeñas raíces que conforman la estructura de racimo– y estamos trabajando para identificar los genes que regulan la formación de los primordios de las raicillas.

Esta investigación no solo profundiza nuestra comprensión de las estrategias de adquisición de nutrientes por parte de las plantas, sino que también tiene aplicaciones potenciales en la agricultura y la conservación ambiental al promover un uso más eficiente de los recursos de fósforo.

¿Cómo ha contribuido el microscopio de fluorescencia de sobremesa APEXVIEW™ APX100 a su investigación?

Dr. Yamada: La investigación sobre los mecanismos de absorción de nutrientes en las plantas implica una amplia variedad de pasos experimentales, desde el cultivo de plantas y el muestreo en campo hasta el análisis elemental, ensayos de actividad enzimática, análisis de perfiles de metabolitos y análisis de expresión génica. Entre estos procedimientos, la microscopía puede representar solo una pequeña fracción del proceso –quizás un muy pequeño porcentaje– pero las imágenes obtenidas pueden tener un impacto significativo en la fiabilidad de la investigación.

Personalmente, adquirir un conocimiento más profundo de la microscopía fue una de las habilidades esenciales que tuve que adquirir. En nuestro estudio publicado en New Phytologist, visualizamos la actividad de la fosfatasa ácida¹ y la localización de la suberina² en raíces en racimo mediante el teñido de secciones de raíz con fosfato ELF97 (para fosfatasa ácida) y Fluorol Yellow 088 (para suberina), seguido de imágenes por fluorescencia utilizando el microscopio APX100 (ver la figura 2).

Lo que me impresionó del APX100 fue no solo la calidad de imagen, sino también su flujo de trabajo intuitivo y fluido. El sistema permite la obtención simultánea de imágenes generales de múltiples muestras dispuestas en un portaobjetos, y su operatividad posibilita el acceso rápido a regiones de interés específicas. Estas características han mejorado enormemente la eficiencia de nuestro proceso de adquisición de imágenes.

Además de imágenes de fluorescencia, también me impresionó la manera en que el sistema reproduce de forma natural el color y la textura de los tejidos vegetales. En este estudio, visualizar la estructura de las raíces en racimo y los correspondientes sitios de deposición de suberina fue un aspecto fundamental para comprender su función.

Usando el APX100, observamos las mismas secciones de raíces en racimo y raíces no en racimo bajo los modos de fluorescencia y campo claro (ver la figura 3). Esto nos permitió confirmar que la suberina estaba ausente en las capas externas de las raíces en racimo (por fluorescencia), así como identificar las características estructurales de las raíces en racimo basándonos en la distribución de lignina y los rasgos anatómicos (por campo claro).

Como resultado, descubrimos una nueva vía de secreción que contribuye a la capacidad superior de exudación de las plantas con raíces en racimo adaptadas a condiciones de fósforo ultrabajo. Específicamente, la ausencia de una exodermis suberizada, que normalmente actúa como barrera frente a sustancias externas, permite una difusión fluida de los exudados desde las capas celulares internas de la raíz hacia el suelo circundante.

Observar detenidamente las diferencias estructurales en las raíces entre distintas especies es fundamental para comprender la función de las plantas. El sistema de doble cámara del APX100 –que cuenta con una cámara monocromática de alta sensibilidad para fluorescencia y una cámara de color para imágenes naturales– nos permite capturar ambos tipos de imágenes simultáneamente. Esta capacidad es de gran valor en la investigación sobre plantas.

Si bien la microscopía representa solo una parte del proceso general de investigación, me he dado cuenta de que realizar esta parte con alta fiabilidad y eficiencia es esencial para respaldar la calidad general de la investigación.

Esta imagen muestra la actividad enzimática de la fosfatasa ácida, que influye en la solubilización del fosfato:

¹ Fosfatasa ácida: una enzima que hidroliza los grupos fosfato de los compuestos orgánicos. En las plantas, la fosfatasa se secreta por las raíces para convertir el fósforo orgánico del suelo en fosfato inorgánico (Pi) y facilitar la absorción de fósforo. Su actividad aumenta en condiciones ácidas.

² Suberina: componente hidrofóbico de la pared celular que forma capas concéntricas alrededor de los haces vasculares en las raíces de las plantas. Funciona como una barrera física que regula el movimiento del agua y los solutos e impide la entrada de sustancias nocivas. Se encuentra típicamente en las células endodérmicas y exodérmicas.

³ Lignina: un componente importante de las paredes celulares de las plantas que proporciona resistencia estructural y protege los tejidos vegetales del ataque de microbios e insectos.

¿Cuáles son sus objetivos de investigación futuros?

Dr. Yamada: De cara al futuro, me propongo esclarecer la dinámica temporal y las vías de absorción del fósforo en las raíces en racimo, desde el momento de la exudación radicular hasta la absorción real del fósforo. También estamos trabajando para identificar los factores reguladores ascendentes que controlan la formación de raíces en racimo. Comprender los patrones de expresión espacial y temporal de estos genes será fundamental.

La microscopía seguirá desempeñando un papel fundamental en el avance de esta investigación. Con el APX100, planeamos generar imágenes ensambladas de alta resolución que capturen amplias áreas de tejido radicular, así como adquirir conjuntos de datos multidimensionales.

En última instancia, espero descubrir nuevas perspectivas sobre los mecanismos de absorción de fósforo de las raíces agrupadas y explorar cómo estos conocimientos pueden aplicarse para desarrollar cultivos con capacidades mejoradas de adquisición de fósforo.

Una mirada más cercana a las características favoritas del APX100

El microscopio APX100 destaca por facilitar el acceso a imágenes excepcionales para investigadores de todos los niveles. Entrevistamos a los profesores de la Escuela de Posgrado de Ciencias Integradas para la Vida de la Universidad de Hiroshima para conocer sus características favoritas del APX100 para la adquisición de imágenes y sus investigaciones.

1. Navegador inteligente de muestras

Cuando se coloca una muestra en el microscopio, el navegador inteligente de muestras captura instantáneamente una imagen macro y utiliza IA para detectar automáticamente la muestra. A partir de ahí, los investigadores simplemente seleccionan el método de observación deseado. Ahora pueden obtener fácilmente imágenes de alta resolución del área deseada directamente desde la vista macro.

2. Sistema de alto rendimiento con cámaras duales

El microscopio APX100 integra dos cámaras en un solo sistema: una cámara en color con excelente reproducción cromática y una cámara monocromática de alta resolución y alta sensibilidad. El sistema cambia automáticamente entre ellas según el propósito.

3. Calidad de imagen fiable y transparencia de datos

El microscopio APX100 es propiedad del Dr. Yuki Kobayashi, profesor asociado de la Universidad de Hiroshima. Gracias al uso compartido dentro de la universidad, los investigadores ahora adquieren datos de manera eficiente en múltiples laboratorios.

El Dr. Kobayashi explica cómo el flujo de trabajo de imágenes del APX100 facilita la calidad y la transparencia de los datos.

“Realmente aprecio el flujo de trabajo que permite ajustar el contraste después de capturar una imagen. Poder presentar datos sin procesar antes de cualquier ajuste genera confianza en la integridad y transparencia de los datos, incluso para quienes no están familiarizados con la microscopía”. - Dr. Yuki Kobayashi, profesor asociado, Universidad de Hiroshima

Este flujo de trabajo desempeña un papel fundamental en garantizar la fiabilidad de los datos de investigación. Al presentar artículos o realizar investigaciones en colaboración, los investigadores pueden presentar datos originales, lo que mejora la reproducibilidad y la transparencia.

Agradecimientos

Queremos agradecer a los miembros del plantel de profesores de la Escuela de Posgrado de Ciencias Integradas para la Vida de la Universidad de Hiroshima por su cooperación en esta entrevista.

^{Aviso legal: Las opiniones y declaraciones expresadas en esta entrevista son las del investigador y no reflejan necesariamente los puntos de vista o las afirmaciones de Evident. Los productos y tecnologías mencionados están destinados únicamente a uso en investigación y no están diseñados para aplicaciones clínicas o de diagnóstico.}

Referencias

Yamada, Hirotsuna, y Jun Wasaki et al. 2024. “HalALMT1 Mediates Malate Efflux in the Cortex of Mature Cluster Rootlets of Hakea laurina, Occurring Naturally in Severely Phosphorus-Impoverished Soil”. New Phytologist.