Washington University in St. Louis

Desde las glorias de la mañana que espiralan por los postes de la cerca hasta las vides que se retuercen a través de las pérgolas, el crecimiento retorcido es una herramienta para resolver problemas que se encuentra en todo el reino vegetal. Las raíces “hacen el giro” constantemente, desviándose bruscamente a la derecha o a la izquierda para evitar rocas y otros escombros.

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que las mutaciones en ciertos genes que afectan a los microtúbulos en las plantas pueden provocar que las plantas crezcan de forma retorcida. En la mayoría de los casos, se trata de “mutaciones nulas”, lo que significa que el retorcimiento es a menudo una consecuencia de la ausencia de un gen en particular.

Esto aún dejaba un misterio para los científicos de plantas como Ram Dixit, profesor George y Charmaine Mallinckrodt de Biología en la Universidad de Washington en St. Louis. La ausencia de un gen debería causar todo tipo de problemas para las plantas, sin embargo, el crecimiento retorcido es una adaptación evolutiva increíblemente común.

Dixit, con la ayuda de su exalumna de doctorado Natasha Nolan y Guy Genin, de la Escuela de Ingeniería McKelvey de WashU, ha encontrado una posible respuesta, ahora publicada en Nature Communications.

Al parecer, no es necesaria una mutación nula completa para el retorcimiento, sino un cambio en la expresión génica en una ubicación particular: la epidermis de la planta.

“Esto podría explicar por qué es tan generalizado: no se necesitan mutaciones nulas para este hábito de crecimiento, solo es necesario modificar ciertos genes en la epidermis”, dijo Dixit, quien también es presidente del departamento de Biología en Artes y Ciencias.

La investigación surgió del Centro de Ingeniería Mecanobiología (CEMB) de la Fundación Nacional de Ciencias, un consorcio nacional codirigido por WashU que reúne a biólogos, ingenieros y físicos para comprender cómo las fuerzas físicas dan forma a los sistemas vivos.

“Este descubrimiento es un ejemplo perfecto de para qué fue diseñado nuestro centro”, dijo Genin, profesor Harold y Kathleen Faught de Ingeniería Mecánica y codirector de CEMB. “Al combinar experimentos biológicos con modelado mecánico, descubrimos un principio fundamental: la capa más externa de la raíz domina su comportamiento de torsión a través de la misma física de torsión (torsión por par aplicado) que explica por qué los tubos huecos pueden ser casi tan resistentes como las varillas sólidas. La geometría es enormemente importante.”

Alimentando a un mundo en cambio

Más allá de una curiosidad evolutiva, comprender cómo las raíces navegan por el suelo es más urgente que nunca. A medida que el cambio climático intensifica las sequías y empuja la agricultura hacia tierras marginales con suelos rocosos y compactados, los cultivos con sistemas de raíces que puedan prosperar en condiciones desafiantes se están convirtiendo en una necesidad crítica.

“Las raíces son la mitad oculta de la agricultura”, dijo Charles Anderson, profesor de biología y líder de CEMB en la Universidad Estatal de Pensilvania y coautor principal del artículo.

“La capacidad de una planta para encontrar agua y nutrientes depende enteramente de cómo sus raíces exploran el suelo. Si podemos comprender cómo las raíces se retuercen y giran para superar los obstáculos, podríamos ayudar a los cultivos a sobrevivir en lugares donde actualmente no pueden.”

El crecimiento retorcido también juega un papel en cómo trepan las vides, cómo los tallos resisten el viento y cómo las plantas se anclan contra la erosión, factores que son críticos tanto para la seguridad alimentaria como para la resiliencia de los ecosistemas.

Resolviendo el misterio

Utilizando un sistema de plantas modelo donde las raíces pueden desviarse a la derecha o a la izquierda, Nolan se propuso determinar qué capas de células vegetales regulan el comportamiento de torsión.

Las células vegetales están rígidamente bloqueadas en su lugar, casi pegadas entre sí y rodeadas por una pared celular resistente. El equipo hipotetizó que los retorcimientos surgen de la capa cortical interna donde la mutación provoca que las células sean cortas y anchas en lugar de largas y delgadas. La idea era que los fenotipos de torsión surgen porque la capa epidérmica debe “inclinarse” para mantener su integridad estructural y alcanzar a sus vecinos de la capa cortical, de baja estatura.

Nolan, que ahora trabaja en Pivot Bio, quería ver si podían restaurar las raíces rectas expresando el gen de tipo salvaje de forma específica en una capa celular en lugar de en toda la raíz como se había hecho anteriormente.

El hallazgo sorprendente que surgió fue que si expresaban este gen de tipo salvaje (que mantiene la raíz recta) en cualquiera de las capas celulares internas, esas plantas seguían pareciendo exactamente como el mutante retorcido nulo. “No importaba que ahora tuvieras esa proteína producida en algunas de las capas celulares internas, era como si no existiera”, dijo Dixit.

En contraste, cuando el gen de tipo salvaje se expresaba solo en la epidermis, las raíces se enderezaban. Eso les indicó a los investigadores que “la capa celular dominante, que realmente está dictando este comportamiento, es la epidermis”, dijo Dixit.

Misterio resuelto, la epidermis está al mando del retorcimiento. ¿Pero cómo? Ahí es donde entraron en juego los mecanobiólogos, incluidos los coautores Genin y Anderson.

El laboratorio de Anderson midió la orientación de las microfibrillas de celulosa en las raíces mutantes y de tipo salvaje. Los defectos de torsión parecen alterar la deposición de celulosa, y Genin tomó esos datos y creó un modelo informático que explica por qué la epidermis domina.

“Cuando tienes capas concéntricas de células, como los anillos de un tronco de árbol, el anillo exterior tiene mucha más influencia sobre toda la estructura que los anillos interiores”, explicó Genin. “Nuestro modelo mostró que si solo la epidermis tiene archivos celulares sesgados, puede impulsar aproximadamente un tercio de la torsión total que verías si cada capa estuviera sesgada. Pero si solo arreglas la epidermis, toda la raíz se endereza. Las matemáticas fueron inequívocas: la capa exterior manda.”

El modelo confirmó lo que Nolan encontró en sus experimentos. Cuando expresó el gen de tipo salvaje (raíz recta) solo en la epidermis, afectó incluso a las células corticales que aún portaban la mutación. En lugar de ser cortas y anchas, esas células internas se volvieron más largas y delgadas, casi como el tipo salvaje.

“De alguna manera, la capa celular epidérmica es capaz de entrenar a las capas celulares internas”, dijo Dixit. “La epidermis no es una piel pasiva, sino un coordinador mecánico del crecimiento de todo el órgano.”

Ahora que los científicos comprenden cómo las plantas “hacen el giro”, pueden aplicar esos hallazgos para abordar los desafíos de la ciencia agrícola.

“Imagina poder diseñar plantas que aumenten o disminuyan la tendencia de una raíz a retorcerse”, dijo Anderson. “En condiciones rocosas e inhóspitas, podrías querer raíces que se retuerzan para superar los obstáculos. Esta investigación nos brinda un objetivo y un marco mecánico para pensar en la arquitectura de las raíces como un problema de ingeniería.”

Es el tipo de problema que requiere múltiples perspectivas, agregó Genin.

“Un biólogo solo podría haber descubierto que la epidermis importa, pero no habría tenido las herramientas para explicar por qué. Un ingeniero solo no podría haber realizado la genética y la fenotipificación”, dijo. “Juntos, como centro, obtuvimos la imagen completa.”

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Nolan, N., Jaafar, L., Fan, Y. et al. The epidermis coordinates multi-scale symmetry breaking in chiral root growth. Nat Commun 16, 11022 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66029-8

This work was supported by the Center for Engineering Mechanobiology, a National Science Foundation Science and Technology Center, under grant agreement CMMI: 15-48571 (C.T.A., G.M.G., and R.D.) and the National Institute of General Medical Sciences of the National Institutes of Health under award number R35GM139552 (R.D.). N.N. was supported by a William H. Danforth fellowship in plant sciences. Work by J.G.O. was supported by the Center for Lignocellulose Structure and Formation, an Energy Frontier Research Center funded by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences under Award # DE-SC0001090.