Sistemas modelo

¿Qué pensáis? ¿Podría un elefante ser un buen organismo de laboratorio? ¿Tienen aspectos en común las siete especies descritas en la exposición? ¿Qué organismo utilizaríais para estudiar el cáncer?¿Son realmente modélicos estos seres vivos?……….

La Delegación del CSIC en Barcelona organiza la exposición virtual titulada: “Seres Modélicos, entre la naturaleza y el laboratorio”.

 

En sus páginas podemos aprender sobre los sistemas modelo en Biología:

Escherichia coli, uno de los organismos mejor conocidos y ahora de moda, en su vertiente como agente patógeno.

Saccharomyces cerevisiae , la levadura modelo,

Arabidopsis thaliana, la planta modelo,

Caenorhabditis elegans, un gusano,

Drosophila melanogaster, la mosca del vinagre;

Danio rerio, el Pez y Mus musculus, el Ratón.

Pero ….. Qué es un sistema modelo?

 

En la biología actual, el sistema modelo es una estrategia de trabajo colectiva basada en la concentración de esfuerzo en una especie considerada representativa. En este sentido un modelo biológico es una especie de cualquier grupo taxonómico que,  a lo largo del tiempo, y por circunstancias diversas, ha venido a elegirse como referencia. La estrategia resulta en la concentración de esfuerzo con la idea de que el conocimiento adquirido en el modelo será beneficioso para el conocimiento en general y en particular de los demás sistemas. Se elige el modelo por ser representativo (contener características de todos los elementos), y porque se poseen herramientas que hacen que determinados aspectos sean más fáciles de analizar en el modelo que en otros sistemas………..

Implícito en la idea de un modelo está el concepto de “facilidad”, que no hay que confundir con “simplicidad” . Cuanto más trabajo se hace en un modelo, mejor se consolida el sistema como tal, resultando que en él los análisis de cualquier proceso se facilitan al acumularse los recursos y el trabajo previo. Sin embargo, esto no significa que todos los procesos o aspectos del desarrollo vayan a ser más simples en el modelo que en otras especies.

 

Simplicidad y facilidad son características altamente deseadas en un modelo. Ambas están presentes en Arabidopsis y esto puede tener un efecto adicional no deseado que consiste en que las cosas se vean más sencillas de lo que realmente son. Primero vamos a discutir sobre el significado de las palabras simple y fácil, y luego podemos estar en mejores condiciones para ver por qué trabajar con un sistema modelo puede hacer que veamos las cosas más simples de lo que son.

 

La palabra “simple” tiene dos significados: uno es claro, el otro más complicado. El primero se refiere a la composición y se utiliza por ejemplo en botánica. En botánica, “simple” significa que algo no tiene partes, en contraste con “complejo” que significa que las tiene, pero esto no es el sentido único de “simple”. El segundo significado de “simple” se refiere al nivel de complejidad. “Simple” en este sentido significa falta de complejidad. Pero en este caso, el significado es relativo y subjetivo, es decir, se refiere a nuestra visión personal de algo. En este sentido, los objetos o los procesos del mundo natural no son simples o complejos de una manera objetiva: su complejidad es relativa y depende de nuestro punto de vista. Podemos percibir algo como “simple”, pero si cambiamos nuestro punto de vista, nuestros criterios y nuestro método de aproximación, esto puede ser complejo. Una gota de agua puede ser vista como una entidad muy compleja cuando la observamos con un determinado tipo de consideraciones químicas, mientras que la Luna puede ser vista como un objeto simple desde un modesto telescopio.

 

El significado de “Fácil” se relaciona con el segundo significado de simple y cuando decimos, por ejemplo, que el análisis de la floración en Arabidopsis es más sencillo que en otra planta, queremos decir que nos costaría menos esfuerzo obtener una cierta cantidad de información , o ciertos  resultados en Arabidopsis que en otra especie. Esto se basa en el hecho de que para Arabidopsis hay más recursos disponibles que para otras plantas. Pero es importante notar aquí que los resultados y conclusiones no sólo dependerán de nuestros recursos. También las hipótesis que forman nuestro punto de partida serán fuertemente influenciadas por nuestros recursos. Trabajar con una especie consolidada como la planta modelo Arabidopsis nos obliga, directa o indirectamente, a trabajar en aquellos aspectos que permiten desarrollar con éxito un proyecto en Arabidopsis, y no con los que se podría considerar más interesante antes o en la ausencia de este modelo. Podemos ver esto mejor con un ejemplo.

 

Poniendo a prueba el modelo: El análisis de la germinación de  semillas en Arabidopsis

 

Hoy en día, el trabajo en la germinación de semillas con Arabidopsis ofrece varias ventajas. Es posible, por ejemplo, utilizar diversos métodos para identificar los genes regulados durante la germinación, tales como microarrays (Li et al 2005; Ogawa et al 2003), MPSS (Hoth et al 2002.) O cDNA-AFLP ( de Diego et al. 2006). El primer método analiza la expresión de secuencias que fueron clonadas con anterioridad y ordenadas en una matriz, mientras que los métodos segundo y tercero permiten la identificación de nuevas secuencias, no necesariamente clonadas con anterioridad, que son reguladas durante este proceso. Aunque los tres métodos permiten la identificación de cambios en las poblaciones de RNAm que se producen en la semilla durante la germinación, el primero y más popular de ellos (microarrays) se basa en secuencias previamente clonadas, por lo que el uso de microarrays, el método predominante en Arabidopsis (Tabla 1), es más frecuente que otros que ofrecen la posibilidad de la clonación de nuevas secuencias. En la misma dirección pero en un sentido más general, la identificación de secuencias inducidas durante la germinación es un aspecto preferente en el análisis de este proceso, teniendo preferencia sobre otros aspectos clave del proceso de germinación. Por ejemplo, el análisis de la variación en el tiempo de germinación.

 

La variación en el tiempo es un aspecto clave en la germinación. Si todas las semillas de un lote de semillas germinan al mismo tiempo, esto supone un riesgo para el genotipo correspondiente. Por lo tanto deben existir mecanismos en las semillas por los cuales se garantiza la diversidad en la germinación. Dos hipótesis principales pueden explicar la variación en el tiempo de germinación. En primer lugar, la variación se puede considerar como el resultado aditivo de las pequeñas diferencias en varios procesos que ocurren durante la germinación (A). En segundo lugar, la variación puede ser la consecuencia de la actividad de los procesos regulatorios dirigidos a este fin en particular (B).

 

Si la variación en el tiempo de germinación fuese sólo la consecuencia de un resultado añadido de las pequeñas diferencias en los procesos, entonces no habría diferencias en la germinación de las semillas en las diferentes especies, pero la consideración de algunos principios de la ecología de las plantas indica que existen notables diferencias entre las especies y que la segunda hipótesis puede ser cierta.

 

Las semillas pertenecientes a las especies de plantas que tienen  una estrategia de tipo r (tabla 2), pueden presentar mayor variación en su germinación, mientras que las que tienen una estrategia de tipo K, pueden germinar de manera más uniforme. Las plantas que siguen estrategias de tipo r tienen morfología más simple , pero por otro lado la regulación de su germinación puede ser más compleja.

 

Una antigua teoría evolutiva

En su libro titulado “Les transformaciones du monde animal “, publicado en París en 1929, Charles Depéret menciona lo que él llama “la doctrina de la no-especialización ” y explica que se trata de un concepto original de Edward Cope, quien consideró esto como uno de los principios fundamentales en la evolución. Según Cope, las etapas de especialización avanzada que son características de las formas de vida aparentemente complejas, representan adaptaciones de gran alcance, pero por otro lado, tanta especialización resulta en la ineptitud frente a condiciones cambiantes. Las estructuras complejas y sofisticadas podrían ser el resultado de procesos de regulación simples , mientras que las estructuras simples podrían sostener procesos de regulación más complejos, resultando en nuevas adaptaciones  ante  cambios del medio ambiente. Es evidente que las plantas con las estrategias de Tipo r en general, y Arabidopsis, en particular, son más simples en la forma, pero capaces de soportar complejos procesos de regulación. Esto puede implicar mayor complejidad dinámica del genoma, en particular en respuesta a cambios en condiciones ambientales y, en consecuencia, una tasa de variación más alta en la germinación de semillas. De hecho, nuestros datos de pruebas de germinación realiza a través de los años indican que la germinación de semillas es en Arabidopsis, un proceso muy variable.

Conclusión: Una hipótesis.

Sobre la base de tres argumentos independientes, proponemos que la sencilla morfología que caracteriza a la planta modelo Arabidopsis thaliana se acompaña de complejos mecanismos de regulación durante la germinación de semillas. Los argumentos son: 1) Desde el campo de la ecología, demostrando que Arabidopsis es un ejemplo de una planta de estrategia “r”, 2) A partir de los datos propios de germinación, que muestran la alta desviación estándar en las pruebas de germinación y 3) Por último, el argumento evolutivo establecido por primera vez por Cope y descrito por Depéret (1929) y llamado la “doctrina de no-especialización ” .

Se mantiene la hipótesis de que la complejidad en la germinación de semillas de Arabidopis es un ejemplo típico de cómo las estructuras simples pueden soportar procesos de regulación complejos, resultado de  adaptaciones frente a cambios ambientales.

 

Science direct PubMed Scopus Google
Arabidopsis 4152 23857 6642 6.630.000
Arabidopsis development 876 7935 7533 426000
Arabidopsis flowering 206 1377 1720 230000
Arabidopsis germination 117 990 1176 539000
Arabidopsis 

microarray

87 627 1053 234000
Arabidopsis 

MPSS

10 26 30 63700
Arabidopsis 

cDNA-AFLP

10 25 33 9580

 

Tabla 1. Resultados de búsquedas en  Internet (Google) y en Scopus (base de datos de la editorial Elsevier) con los términos indicados. Marzo 2008.

 

Estrategias reproductivas
r- K-
Maduración rápida Maduración lenta
Vida corta:mueren muchos indivíduos antes de la edad de reproducción Vida larga: baja tasa de mortalidad juvenil
Mucha descendencia Poca descendencia de cada vez
Invierten poco en los jóvenes Toman cuidado en sus jóvenes
Plagas Especies en peligro
Población no regulada por la densidad:
figuras de cambio repentino
Población estabilizada cerca de un máximo
Oportunistas Estables

Tabla 2: Estrategias reproductivas -r y -K. Adaptado de  Begon, Townsend and  Harper, 2006

 

 

Referencias:

Begon M,  Townsend CA,  Harper JL. 2006. Ecology: From Individuals to Ecosystems. 4th ed. Blackwell.

De Diego JG, Rodríguez FD, Rodríguez Lorenzo JL, Grappin P, Cervantes E. 2006. cDNA-AFLP analysis of seed germination in Arabidopsis thaliana identifies transposons and new genomic sequences. J Plant Physiol. 163 (4) , 452-462

Hoth S, Morgante M, Sanchez JP, Hanafey MK, Tingey SV, Chua N H. 2002. Genome-wide gene expression profiling in Arabidopsis thaliana reveals new targets of abscisic acid and largely impaired gene regulation in the abi1-1 mutant. J Cell Sci, 115 : 4891-900

Li F, Wu X, Tsang E and Cutler AJ. 2005. Transcriptional profiling of imbibed Brassica napus seed. Genomics, 86, 718-730.

Ogawa M, Hanada A, Yamauchi Y, Kuwahara A , Kamiya Y, Yamaguchi S. 2003. Gibberellin biosynthesis and response during Arabidopsis seed germination. Plant Cell, 15 (7):1591-604

 

Para leer más (en inglés):

 

Challenging Arabidopsis thaliana as the Ultimate Model Species: Can Seed Germination be the Achiles Heel?

The European Journal of Plant Science and Biotechnology 2 (1), 106-109. 2008.

 

Imágenes de Actiludis.


 

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Comentarios

Estimado Emilio,

Le felicito por sus dos últimos post. Aun gustándome su bitácora, considero pertinente incrementar la variedad de sus contenidos para que no nos aburramos. Y francamente, en mi opinión, en sus dos últimos post lo ha conseguido plenamente.

Felicidades

Pepito Grillo :)

Gracias Pepito, pero no confie usted demasiado en este humilde servidor. Ya sabe bien usted que está en la naturaleza el perseverar y que la cabra siempre tira al monte………

(requerido)

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