Physcomitrella patens

Physcomitrella patens é un musgo (briófita) utilizado como organismo modelo para estudos sobre a evolución, desenvolvemento e fisioloxía das plantas.

Physcomitrella patens
Clasificación científica
Reino: Plantae División: Bryophyta Clase: Bryopsida Orde: Funariales Familia: Funariaceae Xénero: Physcomitrella Especie: P. patens
Nome binomial
Physcomitrella patens (Hedw.) Bruch & Schimp.
Sinonimia [1]
Phascum patens Hedw. Aphanorrhegma patens (Hedw.) Lindb. Ephemerum patens (Hedw.) Hampe Genthia patens (Hedw.) Bayrh. Physcomitrium patens (Hedw.) Mitt. Stanekia patens (Hedw.) Opiz

Distribución e ecoloxía

Physcomitrella patens é un dos colonizadores pioneiros da lama e terra situada arredor das pozas de auga.^[2][3] P. patens ten unha distribución disxunta nas zonas do mundo con temperatura temperada, coa excepción de Suramérica.^[4] A cepa estándar de laboratorio é o illamento "Gransden", recollido por H. Whitehouse de Gransden Wood, en Cambridgeshire en 1962.^[2]

Organismo modelo

Véxase tamén: Musgo knockout.

Os musgos comparten procesos xenéticos e fisiolóxicos fundamentais coas plantas vasculares, aínda que as dúas liñaxes diverxeron moi cedo na evolución das plantas terrestres.^[5] Un estudo comparativo entre os representantes modernos das dúas liñas pode dar unha idea da evolución dos mecanismos que subxacen na complexidade das plantas modernas.^[5] Neste contexto, P. patens utilízase como organismo modelo.

P. patens é un dos poucos organismos multicelulares cunha recombinación homóloga altamente eficiente.^[6][7] o que significa que unha secuencia de ADN exóxena pode ser dirixida a unha posición xenómica específica (unha técnica chamada gene targeting) para crear musgos knockout. Este enfoque denomínase xenética inversa e é unha ferramenta poderosa e sensible para estudar a función dos xenes e, cando se combina con estudos nas plantas superiores como Arabidopsis thaliana, pode utilizarse para o estudo da evolución molecular das plantas.

A deleción ou ateración dirixida de xenes de musgos depende da integración dunha febra de ADN curta nunha posición definida no xenoma da célula hóspede. Ambos os extremos desta febra de ADN son modificados por enxeñaría para que sexan idénticos a este locus xénico específico. O construto de ADN é despois incubado con protoplastos de musgo en presenza de polietilenglicol. Como os musgos son organismos haploides, os filamentos de musgo rexeneradores (os protonemas) poden ser ensaiados directamente na gene targeting en 6 semanas usando métodos de PCR.^[8] O primeiro estudo feito usando musgos knockout apareceu en 1998 e identificou funcionalmente o ftsZ como xene central para a división dun orgánulo nun eucarionte.^[9]

Ademais, P. patens utilízase cada vez máis en biotecnoloxía. Exemplos son a identificación de xenes de musgo con implicacións para a mellora das colleitas ou a saúde humana^[10] e a produción segura de complexos biofarmacéuticos en biorreactores de musgos.^[11] Por medio de knockout de múltiples xenes as plantas de Physcomitrella foron modificadas por enxeñaría para que carecesen de glicosilación de proteínas postraducional específica de plantas. Estes musgos knockout utilízanse para producir produtos biofarmacéuticos complexos nun proceso chamado molecular farming.^[12]

O xenoma de P. patens, duns 500 megapares de bases e organizado en 27 cromosomas, foi completamente secuenciacdo en 2008.^[5][13]

Os ecotipos de Physcomitrella, mutantes e transxénicos son almacenados e están a libre disposición para a comunidade científica no International Moss Stock Center (IMSC). Os números de acceso dados polo IMSC poden utilizarse para que as publicacións teñan un depósito seguro dos materiais de musgo novos descritos.

Ciclo vital

Como todos os musgos, o ciclo vital de P. patens caracterízase por unha alternancia de dúas xeracións: un gametófito haploide que produce gametos e un esporófito diploide, no que se producen esporas haploides.

Unha espora desenvóvlese dando unha estrutura filamentosa chamada protonema, composta por dous tipos de células: cloronema, cun gran número de cloroplastos, e caulonema, de crecemento moi rápido. Os filamentos do protonema crecen exclusivamente por crecemento no extremo (tip growth) das súas células apicais e poden orixinar ramas laterais a partrir de células subapicais. Algunhas células iniciais de ramas laterais poden diferenciarse en xemas en vez de en ramas laterais. Estas xemas dan lugar a gametóforos (0,5–5.0 mm^[14]), as estruturas máis complexas que levan estruturas similares a follas, rizoides e os órganos sexuais: os arquegonios femininos e os anteridios masculinos. P. patens é monoico, o que significa que os órganos masculinos e femininos son producidos na mesma planta. Se dipoñen de auga, as células espermáticas flaxeladas poden nadar desde os anteridios aos arquegonios e fertilizan o ovo que está no seu interior. O cigoto diploide resultante orixina un esporófito composto dun pé, seta e cápsula, onde se producen miles de esporas haploides por meiose.

Reparación do ADN e recombinación homóloga

P. patens é un excelente modelo no cal se pode analizar a reparación de danos no ADN en plantas pola vía da recombinación homóloga. Os fallos na reparación de roturas de dobre febra e outros danos no ADN en células somáticas por recombinación homóloga poden orixinar disfuncións na célula ou a súa morte, e cando estes fallos ocorren durante a meiose, poden causar a perda de gametos. As secuencias xenómica de P. patens revelaron a presenza de numerosos xenes que codifican proteínas necesarias para a reparación de danos no ADN por recombinación homóloga e por outras vías.^[5] RpRAD51 é unha proteína fundamental na reacción de reparación por recombinación homóloga, requírese para preservar a integridade do xenoma en P. patens.^[15] A perda de RpRAD51 causa unha marcada hipersensibilidade ao axente que induce as roturas de dobre febra bleomicina, o que indica que a recombinación homóloga se utiliza para a reparación de danos no ADN en células somáticas.^[15] RpRAD51 é tamén esencial para a resistencia á radiación ionizante.^[16]

A proteína PpMSH2 de reparación de discordancias no ADN é un compoñente central da vía de reparación de discordancias de P. patens que actúa en discordancias de pares de bases orixinadas durante a recombinación homóloga. O xene PpMsh2 é necesario en P. patens para preservar a integridade do xenoma.^[17] Os xenes Ppmre11 e Pprad50 de P. patens codifican compoñentes do complexo MRN, o principal sensor das roturas de dobre febra no ADN.^[18] Estes xenes son necesarios para a reparación recombinacional homóloga exacta dos danos no ADN en P. patens. As plantas mutantes carentes tanto de Ppmre11 coma de Pprad50 mostran un crecemento e desenvovlemento gravemente restrinxidos (posiblemente reflectindo unha senescencia acelerada), e unha sensibilidade aumentada a danos inducidos por raios UV-B e a bleomicina en comparación coas plantas silvestres.^[18]

• 
  Esporófito cleistocarposo do musgo P. patens
• 
  Plantas de P. patens crecendo axenicamente in vitro en placas de ágar (placa de Petri, de 9 cm de diámetro)
• 
  Biorreactor de musgos con P. patens
• 
  Catro ecotipos diferentes de P. patens almacenados no International Moss Stock Center
• 
  Células de protonema de P. patens
• 
  O xene polycomb FIE é expresado (azul) en células de ovos non fertilizados do musgo P. patens (dereita) e a expresión cesa despois da fertilización no esporófito diploide en desenvolvemento (esquerda). Tinguidura GUS in situ de dous órganos sexuais femininos (arquegonios) dunha planta transxénica que expresa unha fusión traducional de FIE-uidA baixo o control do promotor de FIE nativo.^[19]
• 
  Mutantes knockout de Physcomitrella: Fenotipos desviados inducidos por transformación cunha biblioteca de disrupción de xenes. O tipo silvestre de Physcomitrella e as plantas transformadas cultiváronse nun medio Knop mínimo para inducir a diferenciación e o desenvolvemento de gametóforos. Para cada planta, móstrase unha vista xeral (ringleira superior; a barra de escala corresponde a 1 mm) e un primeiro plano (ringleira de abaixo; barra de escala igual a 0,5 mm). A: Planta de musgo de tipo silvestre haploide completamente cuberto con gametóforos follosos e primeiro plano dunha folla de tipo silvestre. B–D: Diferentes mutantes.^[20]

Taxonomía

P. patens foi descrito por primeira vez por Johann Hedwig na súa obra de 1801 Species Muscorum Frondosorum, co nome Phascum patens.^[1] Physcomitrella é tratado ás veces como sinónimo do xénero Aphanorrhegma, e nese caso P. patens é coñecido como Aphanorrhegma patens.^[21] O nome xenérico Physcomitrella implica unha semellanza con Physcomitrium, que se caracteriza pola súa gran caliptra, a diferenza de Physcomitrella, que a ten pequena.^[14]