El velo se levanta sobre la forma fractal del coliflor y el romanesco 🥬

Por Christophe Godin y Francois Parcy, Inrae

A lo largo del proceso de domesticación, el ser humano ha seleccionado las plantas que mejor se adaptaban a sus necesidades, con, por ejemplo, frutos más grandes o semillas que permanecían unidas a la espiga. Se sabía que estas plantas eran genéticamente ligeramente diferentes de las plantas silvestres, pero solo desde hace algunos años se ha comenzado a identificar el origen genético de estas diferencias y a entender cómo se traducen en cambios de forma, tamaño o color.


Las coles (Brassica oleracea) constituyen un ejemplo espectacular de domesticación. A partir de plantas silvestres que producían algunas hojas y luego un tallo con flores que se asemejaba al de la colza, la domesticación permitió obtener vegetales con apariencias muy contrastantes como la col verde, la col Kale, el colirrábano, las coles de Bruselas y las coles en las que el tallo floral, llamado inflorescencia, se transforma en brócoli, coliflor o incluso en col romanesco, de fascinante forma fractal.


Este último está compuesto de espirales formadas por pequeñas pirámides cónicas llamadas floretes que recuerdan cada una la forma global cónica de la col entera. Y cada uno de estos floretes, a su vez, está compuesto por espirales formadas por floretes cónicos aún más pequeños, y así sucesivamente. Es esta propiedad, donde un mismo patrón geométrico aparece en todas partes y a todas las escalas en una forma (se habla de autosimilaridad), lo que le confiere a la col romanesco su carácter "fractal" tan notable.

¿Cómo han podido los cambios genéticos acumulados a lo largo de los siglos modificar tanto el crecimiento de los tallos y flores, y generar formas fractales tan complejas y perfectas?

Una lucha genética entre tallos y flores

¿Cómo han podido los cambios genéticos acumulados a lo largo de los siglos modificar tanto el crecimiento de los tallos y flores, y generar formas fractales tan complejas y perfectas?

Nuestro consorcio internacional abordó este enigma utilizando Arabidopsis thaliana, una planta herbácea muy estudiada en laboratorio y prima de la col. Nuestros resultados acaban de ser portada de la revista Science. En Arabidopsis, se observó en los años 90 que dos mutaciones, es decir, alteraciones genéticas, bastaban para transformar las flores en pequeñas coles. Esto sugería que el número de mutaciones esenciales para transformar la estructura de una planta ancestral en una coliflor comestible podría ser, en última instancia, relativamente reducido.


¿Cómo pueden dos mutaciones inducir un cambio tan espectacular de forma? Para entenderlo, hay que fijarse en cómo crecen las plantas.

La parte aérea de una planta surge del crecimiento de una yema contenida en la semilla, que produce un tallo y nuevas yemas repartidas a lo largo de este tallo, que a su vez producen otros tallos y nuevas yemas, etc. Estas yemas pueden crecer inmediatamente o permanecer latentes. Cuando crecen, pueden formar tallos con hojas o flores.


Esto depende del resultado de la lucha que se lleva a cabo en cada nueva yema creada, entre genes "de tallo" y genes "de flor" que se enfrentan para otorgar identidad a la yema. Esta lucha involucra una red de alianzas e interacciones difícil de interpretar.

Para comprender mejor este complicado entramado y su impacto en el crecimiento de la planta, desarrollamos un enfoque que combina experimentación biológica, modelización matemática y simulación en 3D del desarrollo de la planta. Progresivamente, este análisis permitió aislar el mecanismo genético en el origen de la forma del coliflor y entender su impacto en el crecimiento de la planta.

En síntesis, se trata de una guerra territorial. En la planta normal, en el momento de desarrollar brotes florales, un primer gen "el arquitecto floral" se activa en las yemas. Para formar la flor, sin embargo, debe convocar a otros genes florales como refuerzo que impiden la invasión de la yema por los genes de tallo. La yema adquiere entonces definitivamente la identidad "flor".

Tallos producidos al infinito para formar fractales

En el coliflor de Arabidopsis, el arquitecto floral convoca a los refuerzos florales, pero estos no llegan. ¿Por qué? Precisamente porque estos genes han sido desactivados por las dos mutaciones. Como resultado, la yema, tras empezar a entrar en el estado floral, es invadida por la actividad de los genes de tallo, que le otorgan entonces su identidad.

¡Pero estas yemas no son tallos completamente normales! Nuestro equipo mostró que su breve incursión en un estado floral las afecta irreversiblemente, permitiéndoles, a diferencia de los tallos normales, comenzar a crecer inmediatamente (sin entrar en latencia como en la planta normal), sin hojas, y así multiplicarse rápidamente y casi hasta el infinito.

Las yemas de tallo así modificadas producen nuevas yemas de flor, que no logran producir flores, sino que vuelven a convertirse en yemas de tallo, que intentan nuevamente producir yemas de flor sin éxito, y así sucesivamente. El coliflor nace, por lo tanto, de una verdadera reacción en cadena, desencadenada por el paso momentáneo de las yemas por el estado "flor", que resulta en una acumulación de tallos sobre tallos sobre tallos... y que forma la estructura fractal en espirales del coliflor.



La coliflor comestible y el romanesco se forman por un mecanismo bastante similar al de Arabidopsis, aunque son más grandes y compactos. ¿Pero por qué el Romanesco tiene un aspecto tan fractal? En realidad, la coliflor ya es fractal. Posee floretes semejantes a todas las escalas y organizados en espirales. Sin embargo, esto no se percibe bien porque la estructura global está aplanada en la superficie y los diferentes floretes están poco individualizados.

En el Romanesco, la forma piramidal de cada florete resalta en relieve el aspecto fractal tan notable. Los investigadores han demostrado mediante simulaciones numéricas y experimentaciones sobre el coliflor de Arabidopsis que esta propiedad probablemente surge del hecho de que, en los núcleos de las yemas del romanesco, las nuevas yemas se producen a un ritmo creciente conforme crece cada yema, mientras que este ritmo permanece constante en la coliflor.

Esta característica basta para acelerar el crecimiento del tallo de cada florete y darles un aspecto piramidal. La estructura fractal del romanesco es, en cierto modo, una vista "en relieve" de la estructura fractal del coliflor.


Nuestro estudio aporta una comprensión íntima de cómo la actividad de los genes se combina con el crecimiento para dar forma a las plantas con flores. Revela esta capacidad de las yemas de tallo para multiplicarse al extremo, una capacidad que frecuentemente está oculta en la naturaleza por diferentes mecanismos: las yemas producen flores o tallos que se alargan antes de producir nuevas yemas y, por lo tanto, dan estructuras menos compactas que las coles; en un tallo, existe una jerarquía de prioridades de crecimiento en la que las yemas laterales a menudo permanecen latentes mientras la yema principal crece; finalmente, el propio mecanismo de floración pone fin a la actividad de una yema al transformarla en flor.


Todos estos mecanismos, que naturalmente impiden la proliferación de los tallos en condiciones normales en la mayoría de las plantas, están simultáneamente desactivados en la coliflor, que así puede producir estas estructuras de tallos repetitivas y compactas masivamente.

Estos resultados sobre la planta modelo Arabidopsis abren nuevas perspectivas en investigación y agronomía. Por ejemplo, servirán como guía en la búsqueda de los genes modificados durante la domesticación que son responsables de la forma tan particular de las coliflores y del Romanesco. En agronomía, proporcionan un marco de análisis valioso para pensar en nuevos avances en la domesticación.

Una vez identificadas todas las mutaciones responsables de la forma del coliflor, será posible domesticar coles verdes silvestres que presentan ventajas en agricultura (como una mayor resistencia a enfermedades o al aumento de temperaturas) y hacerlas producir coliflores o coles romanesco. Este enfoque, conocido como domesticación de novo, tiene como objetivo rehacer de manera acelerada (utilizando, por ejemplo, técnicas de edición genómica) el camino de la domesticación que tomó varios milenios a nuestros antepasados.

Fuente: The Conversation bajo licencia Creative Commons