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.

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.

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.

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.

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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