La investigación de los mecanismos del desarrollo en general, y del desarrollo de plantas en particular, es actualmente una de las áreas de la biología más importantes. En plantas, la raíz es un modelo útil para estudios del desarrollo, porque tiene una estructura relativamente simple y está compuesta por pocos tejidos y un número menor de funciones si se compara con la complejidad de la parte aérea de la planta. La raíz primaria en la mayoría de las especies presenta crecimiento indeterminado, debido a que el meristemo se mantiene activo y permite a la raíz crecer por tiempos muy largos. En algunas cactáceas del Desierto de Sonora, la raíz primaria tiene crecimiento determinado, es decir, las células del meristemo apical de la raíz pasan solamente por unos pocos ciclos celulares y después se diferencian (Dubrovsky, 1997). Hasta la fecha los mecanismos que regulan el crecimiento determinado de la raíz y el agotamiento del meristemo se desconocen. Anteriormente encontramos que en la raíz primaria de Stenocereus gummosus el centro quiescente no se establece en el desarrollo postembrionario y que en Pachycereus pringlei, cuya raíz primaria crece durante un tiempo más largo, el centro quiescente se establece solamente en la etapa inicial de desarrollo y luego desaparece (Rodríguez-Rodríguez et al., 2003). Además, evidenciamos que la muerte celular programada no está involucrada en el agotamiento del meristemo (Shishkova, Dubrovsky, 2005). Existen diversas mutantes de Arabidopsis thaliana en las cuales la raíz primaria deja de crecer y muestra algunas características del crecimiento determinado, estas son mutantes en los genes que codifican para posibles factores de transcripción SHR y SCR (Sabatini et al., 2003), PLT1 y genes homólogos redundantes (Galinha et al., 2007), entre otros. Aunque el análisis de las mutantes de A.thaliana permitió caracterizar algunos genes involucrados en el mantenimiento del meristemo, estas mutantes presentan ciertas anormalidades en el desarrollo, lo que impide usarlas ampliamente como modelo para un estudio comparativo de grupos grandes de genes que se expresan diferencialmente en raíces con meristemo activo o agotado. En cambio, el crecimiento determinado de la raíz primaria de las cactáceas es un programa normal de desarrollo, y por ello constituye un modelo ideal para estudiar los mecanismos moleculares del mantenimiento y agotamiento del meristemo apical de la raíz. Este proyecto representa la continuación del trabajo que se ha realizado durante los últimos tres años y es un paso hacia el entendimiento de tales mecanismos. Los objetivos de este proyecto son: (1) la caracterización de los genes que se expresan diferencialmente en las etapas inicial y terminal del crecimiento de la raíz determinada, es decir, cuando todavía existe el meristemo, y cuando todas las células de la punta de la raíz están diferenciadas; y (2) el establecimiento de un sistema de transformación in vitro, mediada por Agrobacterium tumefaciens de especies con crecimiento determinado de la raíz y regeneración de las raíces transgénicas a partir de los callos transformados para el análisis del papel de los genes identificados en el crecimiento determinado. Para cumplir con el primer objetivo hemos utilizado las especies S. gummosus y P. pringlei empleando la técnica de hibridación sustractiva acompañada por PCR de supresión. Esta estrategia no solamente permitirá aislar múltiples genes con expresión diferencial en diferentes etapas del desarrollo de la raíz, sino categorizar las funciones probables de los genes caracterizados y proponer modelos que expliquen la regulación genética del mantenimiento y agotamiento del meristemo y del crecimiento determinado de la raíz. Para cumplir con el segundo objetivo hemos usado los métodos de cultivo de tejidos vegetales y de transformación genética in vitro por A. tumefaciens y principalmente la especie S. gummosus, en menos extensión Ferocactus peninsulae; estas dos en el trabajo anterior resultaron ser más eficientes para el cultivo in vitro (Shishkova et al., 2007). Los resultados que se obtengan de esta investigación se podrán comparar con los que se han obtenido de A. thaliana, Medicago truncatula, maiz y otras especies de plantas y de este modo establecer si existen mecanismos generales de desarrollo de la raíz y de mantenimiento de meristemo comunes a todas las plantas. Adicionalmente, este trabajo representa el primer estudio a nivel molecular del desarrollo en cactáceas, debido a que hasta el día de hoy no existe información sobre genes de cactáceas implicados en los procesos del desarrollo.

El proyecto propuesto contribuirá en el entendimiento de las bases genéticas y celulares del desarrollo de plantas y de los procesos del desarrollo relacionados con la adaptación de las plantas a los ambientes áridos y a la sequía. La biología del desarrollo de las plantas desérticas una área infraexplorada de la investigación y que es importante para entender mejor las estrategias adaptativas de las plantas de zonas áridas y de su evolución. La mayor parte de las investigaciones del desarrollo de la raíz a nivel molecular se han realizado en la especie modelo, Arabidopsis thaliana. Existen muy pocos estudios de los genes que están involucrados en desarrollo de la raíz en otras especies vegetales, tales como arroz, maíz o alfalfa, y no existe información sobre los mecanismos moleculares de desarrollo de la raíz de las cactáceas. Para comprender las bases del desarrollo de las raíces en las plantas es necesario conocer los aspectos moleculares del desarrollo de las raíces de especies diferentes, y de ese modo comparar estos resultados con los que se han obtenido en Arabidopsis. Esto permitirá establecer qué tan comunes son los mecanismos generales de desarrollo comunes a todas las plantas. El crecimiento determinado de la raíz primaria y el agotamiento del meristemo en las cactáceas que se estudiarán en este proyecto, representa un sistema único, que permite analizar los mecanismos de mantenimiento y agotamiento del meristemo apical en plantas de tipo silvestre que no tienen lesiones en el genoma, y se encuentran en condiciones óptimas de crecimiento. Aunque existen mutantes de A. thaliana que muestran algunas características de crecimiento determinado de la raíz primaria y de agotamiento del meristemo, estas mutantes, además, muestran ciertas anormalidades en el desarrollo y pueden conservar algunas células meristemáticas en su raíz primaria. El crecimiento determinado de la raíz primaria de las plantas no mutantes de A. thaliana se reportó solamente en dos condiciones: (1) la severa deprivación de fósforo (Sánchez-Calderón et al., 2005), y (2) o en medio suplementado con L-glutamato (Walch-Liu et al., 2006). Por otra parte, hasta ahora no existe información sobre los genes de cactáceas implicados en procesos de desarrollo. Prácticamente todas las secuencias de nucleótidos de cactáceas que se encuentran depositadas en la base de datos de NCBI “GenBank” son secuencias usadas con fines de sistemática molecular o, en pocas ocasiones, de detección de secuencias polimórficas SSPL (microsatélites) como marcadores moleculares. Por lo tanto, este trabajo será uno de los primeros estudios a nivel molecular del desarrollo en cactáceas. La información que obtendremos en el proyecto propuesto permitirá proponer modelos del desarrollo determinado de la raíz en lo particular. De manera general, estos modelos ayudarán a entender los mecanismos del mantenimiento del meristemo apical, que en su mayoría son desconocidos.