Freqüentemente, mais grãos de pólen chegam aos estigmas do que óvulos para fertilizar, resultando em competição de pólen. A competição do pólen tem sido associada à prevenção da endogamia, seleção sexual, reforço da barreira reprodutiva e especiação. A modelagem matemática da competição de pólen permite aos pesquisadores simular experimentos de fertilização de laboratório em uma escala significativamente maior. Um novo papel é o primeiro para simular a competição do pólen e fazer com que a interferência do pólen surja como uma propriedade do processo de fertilização.

Alex Capaldi, professor associado de matemática e estatística na Universidade de Valparaíso, e os coautores criaram um modelo mecanístico baseado em agentes (ABM) para identificar e quantificar quais características de desempenho do pólen causam diferentes resultados competitivos (por exemplo, proporção de reprodução de sementes) e até que ponto cada um contribui. ABMs são um tipo de modelo matemático que mostra como indivíduos (ou seja, grãos de pólen) interagem com outros indivíduos e com seu ambiente local.

“Entender quais características são mais importantes na competição do pólen pode focar os estudos genéticos na identificação dos genes que levam ao maior sucesso na polinização”, explica Capaldi.

O modelo foi construído para representar um pistilo, com diferentes componentes representando o estigma, estilete, trato transmissor, septo, ovário e óvulos. Esses componentes foram divididos em manchas, cada uma com uma quantidade de energia associada a elas e um índice de atração/repelência, que mudou ao longo do tempo.

Cada grão de pólen tinha um indicador se o tubo polínico germinou, um valor de energia, um comprimento do tubo polínico e um indicador se fertilizou um óvulo. Essas propriedades também mudaram com o tempo.

Esquema de uma flor com pistilo, ovário, estigma e estilete marcado. O trato transmissor, os tubos polínicos, os óvulos e o septo são divididos em pedaços menores, que são a unidade de área subjacente do modelo. Os óvulos não fertilizados são mostrados como gritos e os fertilizados são mostrados como vermelho ou azul para representar os dois tipos de pólen.
Representação modelo do ovário.

Os autores modelaram dois acessos de Arabidopsis thaliana, Columbia (Col) e Landsberg erecta (Ler), que anteriormente demonstrou acasalamento não aleatório em competições de pólen. Cada acesso recebeu diferentes características de desempenho do pólen derivadas da literatura. Estes incluíram:

  • Quantidade de energia em cada grão de pólen
  • Taxa de crescimento do tubo polínico
  • Exigência de energia para o crescimento do tubo polínico
  • Energia necessária para fertilizar um óvulo

Os autores calibraram o modelo para duas quantidades: os comprimentos médios do tubo polínico e a distribuição dos comprimentos dos tubos polínicos durante experimentos de acesso único. O modelo foi capaz de prever, em média, valores semelhantes aos encontrados em estudos empíricos.

O modelo foi então executado com um número igual de grãos de pólen dos dois acessos para determinar quais características eram benéficas na capacidade de gerar mais sementes do que o acesso concorrente. As características de desempenho do pólen que influenciaram o movimento e a direção do tubo polínico, como a detecção quimioatraente do raio dos óvulos, os limites de colheita de energia do grão de pólen e os custos do movimento do grão de pólen, foram fatores primários na competição.

Para testar se a interferência do tubo polínico surgiu como uma importante propriedade competitiva, os autores compararam os comprimentos dos tubos polínicos de Ler em experimentos de acesso único com os comprimentos dos tubos polínicos de Ler em experimentos em que estava em competição com Col. Eles descobriram que os tubos polínicos de Ler eram mais curtos durante a competição com Col, indicando que a interferência do pólen é uma propriedade da competição do pólen. Isso foi apoiado por um estudo prévio mostrando que a presença do pólen Col retarda o crescimento dos tubos polínicos Ler.

Capaldi conclui: “Isso nos fornece um modelo útil para começar a dissecar os aspectos mecanísticos da interferência do pólen. A capacidade de olhar para o pólen como uma população durante a fertilização muda o que podemos fazer geneticamente e pode fornecer ferramentas que funcionem em fertilização em larga escala no futuro. Por exemplo, esse processo pode levar a tecnologias que permitem a construção de barreiras de espécies artificiais”.

LEIA O ARTIGO:

Charlotte Beckford, Montana Ferita, Julie Fucarino, David C Elzinga, Katherine Bassett, Ann L Carlson, Robert Swanson, Alex Capaldi in silico Plants, 2022, diac016, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac016