Effect of simulated microgravity on the cell cycle in cultured cells of Arabidopsis thaliana

Abstract

Life as we know it on planet Earth always evolved in the presence of the constant gravitational force, both in magnitude and direction. This physical force is responsible for giving the weight to all masses. Altering weight changes many processes in a living being, such fluid regulation, as well as ecological processes on Earth, such rain fall. Thus, it is reasonable to say that gravity shapes life. With this study we pretended to investigate how the gravity modulates cell cycle using the in vitro cellular system of Arabidopsis thaliana cell suspension line MM2d, characterized to be undifferentiated and highly proliferative. In this system cell growth is strictly correlated with the rate of ribosome biogenesis and protein synthesis by the accurate regulation of cell cycle progression. Such coordination is essential for an optimal production of biomass as well as for the viability of daughter cells after division. We investigated the effects of simulated microgravity on cellular functions by growing MM2d cell line suspensions in a 2D clinostat, a device generating simulated microgravity, for a long-term exposure of 24 hours. In order to study this cellular system, the immobilization of cells was optimized by the use of alginate gelling agent, a crucial step for exposure of cell suspension to 2D clinorotation. Under these conditions, the cell proliferation rate showed significant alterations, accompanied by reduction of cell growth. Analysis of cell cycle by flow cytometry showed increase in the proportion of cells in S phase and a decrease in G1 phase, indicating an increase in progression rate of the cell cycle. With respect to cell growth, the rate of ribosome biogenesis was reduced under simulated microgravity, as shown by variations in the abundance of nucleolar proteins nucleolin and fibrillarin, using immunofluorescence microscopy. These results are in agreement with previous observations in root meristems that have shown a decoupling of the meristematic competence, characterized by a strict coordination between cell growth and cell proliferation. Furthermore, it was shown that undifferentiated plant cells also have the ability to respond to changes in the gravity, independently from their integration into plant tissues and organs.

A vida como a conhecemos no planeta Terra sempre evoluiu na presença da constante força gravitacional, tanto em magnitude como direção. Esta força física é responsável por dar peso a todas as massas. Mudança no peso altera vários processos nos seres vivos, como a regulação de fluidos, assim como processos ecológicos na Terra, como a queda de chuva. Então, é sensato dizer que a gravidade molda a vida. Com este estudo pretendemos investigar como a gravidade modela o ciclo celular com o uso de sistema celular in vitro de suspensão celular da linha MM2d de Arabidopsis thaliana, caracterizada como indiferenciada e altamente proliferativa. Neste sistema o crescimento celular é rigorosamente relacionado com a proporção de biogéneses de ribossomas e com a síntese de proteínas através da regulação precisa na progressão do ciclo celular. Esta coordenação é essencial para uma ideal produção de biomassa para a viabilidade das células filhas após divisão. Os efeitos da microgravidade simulada nas funções celulares pelo crescimento da suspensão celular MM2d foi investigada com o uso do clinostato 2D, um aparelho que gera microgravidade simulada, durante 24 horas. De modo a estudar este sistema celular, a imobilização das células foi otimizada com o uso do agente gelificante alginato, o que é um passo crucial para expor a suspensão celular em clinorrotação neste aparelho. Nestas condições, a proporção da proliferação celular mostrou alterações significativas, acompanhadas pela redução do crescimento celular. Análises do ciclo celular por citometria de fluxo mostraram aumento na proporção das células na fase S e diminuição na fase G1, indicando uma progressão do ciclo celular mais rápida. No que diz respeito ao crescimento celular, a biogénese de ribossomas foi reduzida em microgravidade simulada, como observado pela variação da abundância das proteínas nucleolares nucleolina e fibrilarina, através de microscopia de imunofluorescência. Estes resultados estão em concordância com observações prévias nos meristemas da raiz que mostraram desacoplamento da competência meristemática, caracterizada pela coordenação entre crescimento celular e proliferação celular. Ademais, mostrou-se que células vegetais indiferenciadas também têm aptidão para responder a alterações na gravidade, independentemente da sua integração em tecidos e órgãos vegetais.