A menudo, llegan más granos de polen a los estigmas que óvulos para fertilizar, lo que da como resultado una competencia por el polen. La competencia por el polen se ha relacionado con la evitación de la consanguinidad, la selección sexual, el refuerzo de la barrera reproductiva y la especiación. El modelado matemático de la competencia del polen permite a los investigadores simular experimentos de fertilización en laboratorio a una escala significativamente mayor. Un nuevo papel es el primero en simular la competencia del polen y hacer que la interferencia del polen emerja como una propiedad del proceso de fertilización.

Alex Capaldi, Profesor Asociado de Matemáticas y Estadística en la Universidad de Valparaíso, y los coautores crearon un modelo basado en agentes mecánicos (ABM) para identificar y cuantificar qué rasgos de rendimiento del polen causan diferentes resultados competitivos (p. ej., proporción de reproducción de semillas) y en qué medida cada uno contribuye Los ABM son un tipo de modelo matemático que muestra cómo los individuos (es decir, los granos de polen) interactúan con otros individuos y con su entorno local.

"Comprender qué rasgos son más importantes en la competencia por el polen puede centrar los estudios genéticos en la identificación de los genes que conducen al mayor éxito en la polinización", explica Capaldi.

El modelo se construyó para representar un pistilo, con diferentes componentes que representan el estigma, el estilo, el tracto de transmisión, el tabique, el ovario y los óvulos. Estos componentes se dividieron en parches, cada uno con una cantidad de energía asociada a ellos y un índice atrayente/repelente, que cambió con el tiempo.

Cada grano de polen tenía un indicador de si el tubo polínico había germinado, un valor energético, una longitud del tubo polínico y un indicador de si había fecundado un óvulo. Estas propiedades también cambiaron con el tiempo.

Esquema de una flor con pistilo, ovario, estigma y estilo etiquetados. El tracto de transmisión, los tubos polínicos, los óvulos y el tabique se rompen en parches más pequeños, que son la unidad de área subyacente del modelo. Los óvulos no fertilizados se muestran como gritos y los óvulos fertilizados se muestran en rojo o azul para representar los dos tipos de polen.
Modelo de representación del ovario.

Los autores modelaron dos accesiones de Arabidopsis thaliana, Columbia (Col) y Landsberg erecta (Ler), que anteriormente apareamiento no aleatorio demostrado en competencias de polen. Cada accesión recibió diferentes rasgos de desempeño del polen derivados de la literatura. Estos incluyeron:

  • Cantidad de energía en cada grano de polen
  • Tasa de crecimiento del tubo polínico
  • Necesidad de energía para el crecimiento del tubo polínico
  • Energía necesaria para fecundar un óvulo

Los autores calibraron el modelo con dos cantidades: las longitudes medias de los tubos polínicos y la distribución de las longitudes de los tubos polínicos durante los experimentos de una sola accesión. El modelo fue capaz de predecir, en promedio, valores similares a los encontrados en estudios empíricos.

Luego, el modelo se ejecutó con un número igual de granos de polen de las dos accesiones para determinar qué rasgos eran beneficiosos en la capacidad de engendrar más semillas que la accesión competidora. Se descubrió que las características de rendimiento del polen que influyeron en el movimiento y la dirección del tubo polínico, como la detección de quimioatrayentes del radio de los óvulos, los límites de recolección de energía del grano de polen y los costos de movimiento del grano de polen, son factores principales en la competencia.

Para probar si la interferencia del tubo polínico surgió como una propiedad competitiva importante, los autores compararon las longitudes de los tubos polínicos de Ler en experimentos de una sola accesión con las longitudes de los tubos polínicos de Ler en experimentos en los que competía con Col. Descubrieron que los tubos polínicos de Ler eran más cortos durante la competencia con Col. Col, lo que indica que la interferencia del polen es una propiedad de la competencia del polen. Esto fue respaldado por un estudio previo mostrando que la presencia de polen de Col retarda el crecimiento de los tubos polínicos de Ler.

Capaldi concluye: “Esto nos proporciona un modelo útil para comenzar a diseccionar los aspectos mecánicos de la interferencia del polen. La capacidad de ver el polen como una población durante la fertilización cambia lo que podemos hacer genéticamente y puede proporcionar herramientas que funcionen en la fertilización a gran escala en el futuro. Por ejemplo, este proceso puede conducir a tecnologías que permitan la construcción de barreras de especies artificiales”.

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Charlotte Beckford, Montana Ferita, Julie Fucarino, David C Elzinga, Katherine Bassett, Ann L Carlson, Robert Swanson, Alex Capaldi, La interferencia del polen surge como una propiedad del modelado basado en agentes de la competencia del polen en Arabidopsis thaliana. in silico Plants, 2022, diac016, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac016