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Um novo estudo usa modelagem computacional para determinar como e por que a qualidade do algodão se desenvolve.


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A fibra de algodão é a cultura não alimentar mais produzida no mundo de acordo com a FAO. Sua produção contribui significativamente para as economias de muitos países em desenvolvimento e para os meios de subsistência de milhões de pequenos produtores rurais em todo o mundo.

Duas sementes de algodão com fibra associada. A semente selvagem à esquerda tem fibra marrom mais curta e esparsa. A semente doméstica à direita tem fibra branca mais longa e densa.
Semente e fibra associada de um algodoeiro silvestre (à esquerda) e doméstico (à direita). Imagem de Gross e Estrasburgo (2010).

As variedades modernas de algodão foram derivadas de processos de domesticação e melhoramento que remontam a milhares de anos. A grande mudança dessa época foi que as fibras do algodão passaram a ser mais longo, mais fino e mais forte.

Esforços modernos para projetar algodão para melhorar ainda mais a qualidade da fibra são prejudicados pelo conhecimento insuficiente sobre os mecanismos subjacentes que controlam as características da fibra.

Dr. Daniel Szymanski, Professor de Botânica e Patologia Vegetal na Purdue University e Dr. Joe Turner na University of Nebraska desenvolveram simulações realistas que permitiram analisar os componentes celulares que controlam o diâmetro e o comprimento da fibra do algodão.

Cada fibra de algodão é uma célula alongada individual que cresce na superfície do revestimento da semente em desenvolvimento. Isso os torna fáceis de purificar e obter imagens usando técnicas avançadas de microscopia, tornando-os um poderoso modelo de célula única para uma visão do crescimento e desenvolvimento da planta, montagem da parede celular e morfogênese celular.

Diagrama de célula de fibra de algodão.

A anatomia das fibras determina a qualidade do produto final. O Dr. Szymanski explica, “o diâmetro da fibra contribui para sua finura em termos de maior contagem de fios e um toque macio e sedoso. No início do desenvolvimento celular, a fibra afunila rapidamente e o diâmetro resultante parece ser mantido à medida que a fibra se alonga. Portanto, concentramos nossos esforços nos mecanismos de afunilamento da parede celular porque a extensão e a duração do afunilamento determinam seu diâmetro”.

A microscopia de células vivas foi usada para determinar a linha do tempo de desenvolvimento precisa e a extensão do afunilamento da fibra medida em dias após a antese. Isso incluiu medições das taxas de expansão celular local e raio de curvatura da ponta da fibra (um proxy para o diâmetro da fibra) durante o desenvolvimento inicial da fibra.

Sua investigação se concentrou nas estruturas do citoesqueleto porque elas permitem que as células gerem e mantenham formas celulares altamente polarizadas (assimétricas). Os citoesqueletos podem ser feitos de actina ou filamentos de microtúbulos; ambos cooperam para mediar o afunilamento da fibra de algodão. Para analisar redes de actina em células afiladas, eles usaram uma combinação de imagens de células vivas e rastreamento de partículas. Através da localização das vias de actina na célula, os autores determinaram como a célula distribui a entrega de matérias-primas em toda a superfície celular em expansão.

Uma fibra em desenvolvimento é marcada com partículas fluorescentes. As partículas permitem que o movimento seja medido. Ao longo de meio dia, as partículas na ponta não se separaram, mas o eixo se afastou da base, indicando alongamento.
Imagem de campo claro de alta ampliação de uma fibra em desenvolvimento em 1.5 e 2 dias após a antese (DPA) marcada com partículas fluorescentes. As partículas rastreáveis ​​numeradas e suas posições nos intervalos de aquisição da imagem são indicadas com pontos centralizados em círculos abertos.

Curiosamente, eles descobriram que o citoesqueleto de microtúbulos, que padroniza as orientações das microfibrilas de celulose na parede celular em crescimento, inclui uma zona de depleção de microtúbulos apicais e microtúbulos transversais altamente organizados.

O citoplasma depletado de microtúbulos perto do ápice mostra uma orientação de 90 graus a partir da ponta
A zona de depleção de microtúbulos apicais (MDZ) de fibras de algodão.

Os autores criaram um modelo de elemento finito do crescimento da fibra de algodão para determinar quais propriedades do material na parede são necessárias para permitir o afunilamento da fibra e o alongamento da fibra sem o inchaço das células. Essas simulações revelaram uma exigência estrita de fibras transversais para restringir o inchaço radial e uma zona isotrópica de fibras orientadas aleatoriamente no ápice para fazer com que o diâmetro da célula no ápice se tornasse progressivamente restrito durante o crescimento. O modelo também forneceu uma maneira confiável de prever as magnitudes e direções das forças de tração na parede. Essas simulações indicam que a magnitude da força e a orientação retroalimentam o sistema de microtúbulos para permitir que a célula integre a forma da célula com o padrão da parede celular dependente de microtúbulos. Central para a criação do modelo foram os dados experimentais multi-escala descritos acima.

De acordo com Szymanski, “a combinação de simulação de modelo de elemento finito e biologia celular moderna fornece uma base de conhecimento para permitir a engenharia de fibra. O principal desafio agora é identificar os genes e módulos subjacentes a características importantes da fibra, como diâmetro, torção e comprimento”.

LEIA O ARTIGO:

M Yanagisawa, S Keynia, S Belteton, JA Turner, DB Szymanski, Um mecanismo celular conservado para o controle do diâmetro e comprimento da fibra de algodão, in silico Plants, 2022;, diac004, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac004

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