Los investigadores de la Universidad de Purdue han desarrollado un algoritmo que cuantifica y analiza los cambios de forma en las células de las plantas en forma de pieza de rompecabezas, proporcionando información sobre los procesos a pequeña escala que controlan el tamaño de las hojas y el rendimiento de los cultivos.
La tecnología también podría adaptarse para medir cambios de límites en otras formas geométricas complejas, desde células neuronales y tumores hasta costas y glaciares.
Los investigadores Daniel Szymanski y David Umulis dirigieron un equipo interdisciplinario para crear LobeFinder, una herramienta que ayuda a solucionar una de las tareas más complicadas de los biólogos vegetales: cuantificar los cambios en el perímetro de las células del pavimento, células vegetales altamente geométricas que varían mucho en tamaño y forma.Juntos, las células del pavimento forman un mosaico que impulsa la expansión de las hojas, que actúan como paneles solares, absorbiendo la luz solar y convirtiéndola en energía.
Comprender cómo estas células se transforman de formas poliédricas simples a lo que se asemejan a piezas de rompecabezas podría permitir la mejora de los cultivos a largo plazo, ya que los cambios en las células del pavimento impactan el área de las hojas y la expansión, componentes clave del rendimiento.
Pero identificar los cambios de forma en las celdas del pavimento ha sido en gran medida un proceso manual y subjetivo, un investigador observando una imagen de una celda y caracterizando lo que cree que ve.
LobeFinder está diseñado para eliminar las conjeturas y estandarizar los datos, analizando las formas de las células y proporcionando gráficos del comportamiento del crecimiento celular en cuestión de segundos por celda.
"Las células son los componentes básicos de los tejidos y órganos de las plantas. El número, el tamaño y la forma de las células controlan en última instancia el tamaño, la forma y las propiedades mecánicas de las hojas", dijo Szymanski, profesor de botánica y patología y agronomía de las plantas.desea poder diseñar la arquitectura de la planta, necesita comprender los procesos de la planta a múltiples escalas: cómo las proteínas influyen en la forma de las células y cómo esos patrones de forma celular pueden funcionar colectivamente para influir en las características de la planta, como el área foliar y el rendimiento ".
Las células del pavimento se someten a un complicado proceso de división y expansión para formar una hoja, con diferentes tasas y patrones de crecimiento en una población de células e incluso dentro de diferentes regiones de una sola célula. A medida que las células crecen, forman lóbulos, protuberancias en ánguloque la forma de la celda de señal cambie. Si un pentágono fuera una celda de pavimento, por ejemplo, tendría cinco lóbulos, los ángulos que forman sus cinco puntos.
Identificar, contar y analizar los lóbulos ayuda a los investigadores a comprender el comportamiento de la forma celular y ampliar este conocimiento para caracterizar cómo una hoja alcanza su tamaño y forma. Un cambio en la geometría o forma celular puede indicar un cambio en la química de la célula o un defecto causado poruna mutación.
Pero la puntuación manual del número de lóbulos da como resultado una gran variabilidad en los datos entre los individuos. Donde un experto ve un lóbulo, otro podría no hacerlo. Sin embargo, cuando los resultados de un panel de expertos se combinan, los datos se vuelven consistentes.
Szymanski y Umulis utilizaron uno de esos grupos de resultados para "entrenar" a LobeFinder para identificar y contar lóbulos, trazar el comportamiento del crecimiento celular en un gráfico y analizar los cambios en el límite celular a lo largo del tiempo. Validaron los resultados de LobeFinder con datos de lóbulos de un panel decientíficos de plantas.
"La puntuación subjetiva de la expansión celular ha sido un impedimento importante en el campo para este tipo de células", dijo Szymanski. "LobeFinder les dará a todos la misma respuesta".
El algoritmo se puede ejecutar en una computadora personal con software MATLAB.
"Queríamos una herramienta que fuera simple y objetiva, fácilmente interpretable para los curadores humanos de los datos", dijo Umulis, profesor asociado de ingeniería agrícola y biológica e ingeniería biomédica. LobeFinder ofrece una manera realmente buena de determinar cómo cambia elel límite celular impacta el crecimiento y el patrón celular en general. "
LobeFinder también podría usarse para identificar relaciones causales entre los cambios en la forma celular a lo largo del tiempo y las señales químicas que se disparan debajo de la superficie celular, dijo Umulis.
Para usar LobeFinder, un usuario introduce las coordenadas xy de un límite de celda de pavimento en el algoritmo, que aplica un casco convexo a la imagen, como "poner una banda elástica alrededor", dijo Umulis. LobeFinder identifica los lóbulos al señalar dóndeel límite de la celda se encuentra con la "banda elástica" y examinar si las hendiduras a cada lado de ese punto son lo suficientemente grandes como para calificarlo como un lóbulo.
Aunque está diseñado para celdas de pavimento, el algoritmo podría medir cambios en los límites de una serie de objetos de forma irregular, como células inmunes en movimiento, cambios en el tamaño de la capa de hielo del Ártico o columnas de petróleo a medida que se esparcen por elGolfo de México, dijeron los investigadores.
Szymanski y Umulis visualizan LobeFinder como un componente en un alijo de herramientas que juntas podrían proporcionar fenotipado automatizado, la medición de las características observables de un organismo, de características de plantas celulares y subcelulares.
"El fenotipado a esta alta resolución le permite comprender qué procesos y comportamientos celulares dinámicos pueden explicar las características a nivel de órgano o tejido", dijo Szymanksi. "De lo contrario, no verá el mecanismo".
El equipo está trabajando para modificar LobeFinder para analizar los cambios en la forma de las células en una población de células.
Los investigadores están presentando un acuerdo de divulgación con la Oficina de Comercialización de Tecnología.
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Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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