Comprender la mecánica detrás de la formación de la corteza

La corteza desempeña un papel vital para los árboles: evita la pérdida de agua, es una barrera contra insectos y enfermedades y proporciona aislamiento contra temperaturas extremas.

Los seres humanos utilizan la corteza en una variedad de productos debido a su estructura única. Por ejemplo, el corcho grueso y liviano se usa comúnmente para tapones de botellas de vino, pisos, tableros de corcho y flotadores de pesca. La corteza fibrosa se puede utilizar para fabricar cuerdas y tejidos. Desde la antigüedad, la corteza fina se ha utilizado para fabricar papel y tela.

La corteza es la parte más externa del tallo de las plantas leñosas. Los tallos están compuestos por capas de tejido con distintas funciones:

• xilema – transporta agua y nutrientes
• cambium vascular: tejido meristemático que produce xilema (hacia el interior) y floema hacia el exterior
• Floema: transporta azúcares y otros productos metabólicos.
• felógeno – tejido meristemático que produce células de corcho (hacia el exterior)
• felodermo: capa protectora interna de tejido corchoso
• phellem – capa protectora externa corchosa del tejido

La corteza se compone comúnmente de floema (corteza interna), una o más capas de felógeno, felodermo y felema (corteza externa).

Los estímulos biomecánicos, que consisten en fuerzas físicas y señales mecánicas, afectan el crecimiento de los tejidos y células del tallo, influyendo en el desarrollo de la corteza. Las células vasculares del cambium se dividen en xilema y floema, mientras que el felógeno da lugar al felema y al felodermo, lo que conduce al crecimiento radial y la expansión del tallo, lo que crea una presión hacia afuera y tangencial sobre los tejidos circundantes. Esta tensión y presión internas servir como estímulos que pueden afectar una mayor división y diferenciación celular, regulando las tasas de división y elongación celular.

A medida que el tallo envejece y aumenta su diámetro, los cambios en la organización de los tejidos complican la evaluación de cómo estos estímulos afectan la diferenciación y la actividad del tejido meristemático. Por lo tanto, los modelos computacionales son cruciales para comprender la influencia de los estímulos biomecánicos en la formación de la corteza.

Como estudiante de máster en la Universidad Politécnica de Madrid, Álvaro Gutiérrez-Climent se unió a un equipo para desarrollar MODELBARK, un modelo computacional capaz de simular la formación de la corteza a lo largo del tiempo. Una descripción del desarrollo y las características de este modelo fue publicada recientemente en in silico Las plantas

El desarrollo del modelo comenzó con trabajos de microscopía. Los investigadores analizaron las características anatómicas de la corteza de plántulas y adultos de alcornoques (Quercus súper), encinas (P. ilex) y sus híbridos mediante microscopía. Estos datos se utilizaron para determinar el tiempo de aparición del primer felógeno y para determinar los coeficientes mecánicos de los diferentes tejidos.

MODELBARK es una herramienta sencilla pero potente para modelar el crecimiento secundario radial de los tallos de los árboles a nivel celular. El modelo simula el crecimiento de un tallo leñoso a partir de una única célula vascular del cambium. A medida que esta célula del cambium se divide, se añaden nuevas células en pasos de tiempo secuenciales. La formación de la corteza depende de la resistencia del tejido externo a la presión ejercida por el tejido interno en expansión. Las propiedades mecánicas que influyen en esta resistencia, como la elasticidad y la cohesión entre las células vecinas, varían según el tipo de tejido.

Los estímulos biomecánicos pueden provocar cambios en el desarrollo celular, dando lugar a la formación de tejidos especializados. A diferencia del cambium vascular, que permanece activo durante toda la vida del árbol, al cabo de un año o más se forma un nuevo felógeno en una posición más interna, volviendo inactivo al anterior. Este importante proceso está representado en el modelo: cuando la presión supera la resistencia, se desencadena la formación del primer felógeno y de los siguientes. Las diferencias en la estructura anatómica de la corteza entre las distintas especies surgen de las variaciones en las tasas de división del cambium vascular y del felógeno, así como de las propiedades mecánicas del tejido externo.

MODELBARK es capaz de simular el desarrollo de varios tipos de corteza teniendo en cuenta los factores clave que influyen en la anatomía de la corteza. Al ajustar parámetros como las tasas de división celular, el grosor del tejido y los valores de resistencia, los autores replicaron con éxito varias formaciones de corteza.

Este modelo ofrece información valiosa sobre la mecánica de la formación de la corteza. Esta comprensión puede ayudar a los investigadores a explorar cómo los árboles se adaptan a los cambios climáticos y se protegen contra las plagas y las enfermedades.

MODELBARK presenta una interfaz intuitiva y está disponible gratuitamente, lo que lo hace ideal para uso educativo.

LEE EL ARTÍCULO:

Álvaro Gutiérrez-Climent, Juan Carlos Nuño, Unai López de Heredia, Álvaro Soto, ModelBark: un modelo de juguete para estudiar la formación de corteza en especies leñosas, in silico Plants, Volumen 6, Número 2, 2024, diae017, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae017

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MODELBARK, junto con su manual, está disponible gratuitamente para descargar desde el repositorio de software de GitHub (https://github.com/GGFHF/ModelBark) bajo la Licencia Pública General GNU v3.0.