Fisiología Y Bioquímica Vegetal 5zj6x

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! FISIOLOGÍA! VEGETAL! APUNTES!BIO225C! DANIELA!AROS! Profesor:!PATRICIO!ARCE! 2013! !

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TABLA!DE!CONTENIDO! APUNTES!BIO225C!.............................................................................................................................................................!1! INTRODUCCIÓN!...................................................................................................................................................................!7! CARACTERÍSTICAS!GENERALES!...............................................................................................................................................................!7! PARTES!FLORALES!Y!CICLO!DE!VIDA!.....................................................................................................................................................!10! Ciclo&de&vida&de&las&Angiospermas&................................................................................................................................................&11! Barreras¶&la&fecundación&.........................................................................................................................................................&12! FRUTO!........................................................................................................................................................................................................!14! ESTRUCTURA!DE!LA!RAÍZ!.......................................................................................................................................................................!15! ESTRUCTURA!DE!LA!HOJA!......................................................................................................................................................................!17! Estomas&....................................................................................................................................................................................................&17! Mesofilo&....................................................................................................................................................................................................&19! MOVIMIENTO!DEL!AGUA!EN!LA!PLANTA!.................................................................................................................!20! El&agua&tiene&una&alta&fuerza&tensional&.....................................................................................................................................&20! POTENCIAL!OSMÓTICO!...........................................................................................................................................................................!20! La&difusión&de&las&partículas&en&el&agua&.....................................................................................................................................&20! La&osmósis&.............................................................................................................................................................................................&21! Potencial&osmótico&..........................................................................................................................................................................&21! POTENCIAL!HÍDRICO!...............................................................................................................................................................................!22! POTENCIAL!DE!PRESIÓN!.........................................................................................................................................................................!23! POTENCIAL!DE!GRAVEDAD!.....................................................................................................................................................................!23! POTENCIAL!MÁTRICO!..............................................................................................................................................................................!24! Capacidad&de&campo&.......................................................................................................................................................................&24! XILEMA!......................................................................................................................................................................................................!25! T RANSPIRACIÓN !...................................................................................................................................................................................!27! Viento&.......................................................................................................................................................................................................&28! Aspectos&anatómicos&......................................................................................................................................................................&28! Humedad&relativa&.............................................................................................................................................................................&28! NUTRICIÓN!MINERAL!....................................................................................................................................................!29! PERFIL!DE!SUELO!.....................................................................................................................................................................................!29! Horizontes&del&suelo&............................................................................................................................................................................&29! Largo&de&raíces&en&diferentes&plantas&.........................................................................................................................................&30! NIVEL!ÓPTIMO!DE!UN!NUTRIENTE!.......................................................................................................................................................!31! Ley&del&mínimo&de&Liebig&..................................................................................................................................................................&33! Diferentes&zonas&de&la&raíz&absorben&diferentes&iones&minerales&...................................................................................&33! NUTRIENTES!ESENCIALES,!CARENCIAS!Y!DESÓRDENES!VEGETALES!..............................................................................................!33! Clasificación&de&los&nutrientes&esenciales&..................................................................................................................................&34! Las&carencias&minerales&interrumpen&el&metabolismo&y&las&funciones&vegetales&....................................................&36! DISPONIBILIDAD!DE!NUTRIENTES!........................................................................................................................................................!38! Intercambio&catiónico&........................................................................................................................................................................&39!

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Efectos&del&pH&sobre&los&nutrientes&..............................................................................................................................................&39! Exceso&de&minerales&............................................................................................................................................................................&40! Micorrizas&................................................................................................................................................................................................&41! Fijación&de&nitrógeno&por&simbiosis&.............................................................................................................................................&41! Plantas&carnivoras&...............................................................................................................................................................................&43! GENÉTICA!MOLECULAR!EN!PLANTAS!.................................................................................................................!45! FLUJO!DE!LA!INFORMACIÓN!GENÉTICA!................................................................................................................................................!45! Definición&de&gen&..................................................................................................................................................................................&45! Obtención&de&un&ARNm&maduro&....................................................................................................................................................&46! CONTROL!TRANSCRIPCIONAL!EN!EUCARIONTES!................................................................................................................................!48! GENOMAS!VEGETALES!............................................................................................................................................................................!50! Arabidopsis&thaliana&..........................................................................................................................................................................&50! CARACTERIZACIÓN!MOLECULAR!DE!UN!GEN!......................................................................................................................................!51! Función&.....................................................................................................................................................................................................&51! Localización&de&la&proteína¶&la&que&codifica&...................................................................................................................&55! Expresión&.................................................................................................................................................................................................&55! Caracterización&de&la&proteína&......................................................................................................................................................&57! BASES!CELULARES!DEL!CRECIMIENTO!Y!DIFERENCIACIÓN!..............................................................................!58! CICLO!CELULAR!........................................................................................................................................................................................!58! PARED!CELULAR!......................................................................................................................................................................................!60! Plasmodesmos&.......................................................................................................................................................................................&63! Cloroplastos&............................................................................................................................................................................................&65! FOTOSÍNTESIS!..................................................................................................................................................................!66! LAS!REACCIONES!QUE!CAPTURAN!ENERGÍA!........................................................................................................................................!66! Los&Fotosistemas&..................................................................................................................................................................................&66! Complejo&citocromo&!"#,&plastoquinona&y&plastocianina&.................................................................................................&67! ATP&sintasa&.............................................................................................................................................................................................&69! LAS!REACCIONES!QUE!FIJAN!CARBONO!................................................................................................................................................!69! Fase&1:&fijación&del&!"#&en&3Yfosfoglicerato&............................................................................................................................&70! Fase&2:&conversión&del&3Yfosfoglicerato&en&gliceraldehido&3Yfosfato&.............................................................................&71! Fase&3:&regeneración&de&la&ribulosa&1,5Ybifosfato&a&partir&de&triosas&fosfato&............................................................&71! Resumen&...................................................................................................................................................................................................&72! FOTORESPIRACIÓN!..................................................................................................................................................................................!74! MODELOS!FOTOSINTÉTICOS!..................................................................................................................................................................!75! Fotosíntesis&!!&......................................................................................................................................................................................&75! Fotosíntesis&!"&......................................................................................................................................................................................&75! Fotosíntesis&CAM&(Crassulacean&acid&metabolism)&...............................................................................................................&76! FITOHORMONAS!..............................................................................................................................................................!78! AUXINA!......................................................................................................................................................................................................!78! Síntesis&del&IAA&......................................................................................................................................................................................&79! IAA&en&la&célula&......................................................................................................................................................................................&80! Transporte&de&la&Auxina&....................................................................................................................................................................&82! !

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Efectos&fisiológicos&de&la&auxina&....................................................................................................................................................&84! Efectos&de&la&auxina&en&el&desarrollo&...........................................................................................................................................&86! Señalización&de&auxina&en&rutas&de&transducción&.................................................................................................................&88! FLORACIÓN!........................................................................................................................................................................!91! FOTOPERIODO!..........................................................................................................................................................................................!91! VERNALIZACIÓN!......................................................................................................................................................................................!94! CONTROL!GENÉTICO!...............................................................................................................................................................................!95! MODELO!ABC!..........................................................................................................................................................................................!97! GAMETOGÉNESIS,!FERTILIZACIÓN!Y!AUTOEINCOMPATIBILIDAD!..................................................................!99! POLEN!.....................................................................................................................................................................................................!100! Microesporogénesis&y&Microgametogénesis&...........................................................................................................................&100! Mutaciones&gametofíticas&..............................................................................................................................................................&101! GAMETO!FEMENINO!.............................................................................................................................................................................!105! Megaesporogénesis&y&Megagametogénesis&............................................................................................................................&105! FERTILIZACIÓN!.....................................................................................................................................................................................!106! AUTOINCOMPATIBILIDAD!...................................................................................................................................................................!108! Mecanismo&de&la&SSI&(autoincompatibilidad&esporofítica)&..............................................................................................&109! Mecanismo&de&la&GSI&(autoincompatibilidad&gametofítica)&...........................................................................................&109! MUTACIÓN!EN!EMBRIOGÉNESIS!TEMPRANA!....................................................................................................................................!110! FISIOLOGÍA!Y!EXPRESIÓN!GÉNICA!DURANTE!LA!MADURACIÓN!...................................................................!111! FORMACIÓN!Y!DESARROLLO!DEL!FRUTO!..........................................................................................................................................!111! FISIOLOGÍA!DE!LA!MADURACIÓN!.......................................................................................................................................................!112! Desarrollo&del&fruto&de&la&vid&........................................................................................................................................................&114! Beneficio&de&las&antocianinas&........................................................................................................................................................&117! FORMACIÓN!DEL!EMBRIÓN,!SEMILLA!Y!GERMINACIÓN!..................................................................................!118! EMBRIOGÉNESIS!EN!ARABIDOPSIS!.....................................................................................................................................................!118! Formación&de&dominios&basalYapicalYhipófisis&en&Arabidopsis&......................................................................................&119! PARAMETROS!FISIOLÓGICOS!DEL!DESARROLLO!DE!LA!SEMILLA!..................................................................................................!120! Contenido&de&agua&.............................................................................................................................................................................&120! Contenido&de&carbohidratos&..........................................................................................................................................................&120! Contenido&de&ácidos&grasos,&triglicéridos,&aminoácidos&y&proteínas&...........................................................................&121! Visión&metabólica&global&de&la&semilla&durante&el&desarrollo&........................................................................................&121! DETERMINACIÓN!DE!LA!POLARIDAD!APICAL/BASAL!.....................................................................................................................!122! Genes&........................................................................................................................................................................................................&122! Auxina&.....................................................................................................................................................................................................&122! Mutantes&dependientes&de&Auxina&..............................................................................................................................................&123! FORMACIÓN!DEL!MERISTEMA!APICAL!...............................................................................................................................................!125! Formación&del&meristema&apical&de&la&raíz&(RAM)&.............................................................................................................&125! Formación&del&meristema&apical&aéreo&(SAM)&.....................................................................................................................&125! Formación&de&órganos&laterales&..................................................................................................................................................&126! Establecimiento&de&polaridad&centralYperiferica&y&adaxialYabaxial&............................................................................&127! MADURACIÓN!DE!LA!SEMILLA!............................................................................................................................................................!128! !

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Expresión&génica&................................................................................................................................................................................&128! Metabolismo&.........................................................................................................................................................................................&130! GERMINACIÓN!.......................................................................................................................................................................................!133! !

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INTRODUCCIÓN! Las! plantas! verdes,! también! llamadas! Viridiplantae,! son! organismos! vivos! del! reino! Plantae! incluyendo! grupos! multicelulares!como!plantas!con!flor,!coníferas,!helechos!y!musgos,!como!también,!dependiendo!de!la!definición,!las!algas! verdes.!Pero!sin!incluír!bacterias,!hongos,!algas!rojas!ni!pardas.! Las!plantas!verdes!tienen!paredes!celulares!que!contienen!celulosa!y!obtienen,!de!forma!muy!característica,!gran!parte!de! su! energía! gracias! a! la! luz! solar! a! través! de! la! fotosíntesis! usando! la! clorofila! contenida! en! los! cloroplastos,! lo! que! les! proporciona!el!color!verde.!! Las!plantas!terrestres,!pertenecientes!al!grupo!Embriophitas,!tienen!muchas!divisiones,!pero!a!las!que!este!apunte!se!estará! refiriendo! será! a:! Traqueofitas! (plantas! vascularizadas),! y! principalmente! a! Angiospermas! (también! conocidas! como! Magnoliofitas,!plantas!con!flores).!!

CARACTERÍSTICAS!GENERALES!

Las!plantas!están!constituidas!por!una!parte!aérea,!donde!se!produce!la!fotosíntesis,!entre!otros,!y!una!parte!subterránea,! equivalente!a!las!raíces!donde!se!absorbe!el!agua!y!los!nutrientes.!! Los!patrones!de!desarrollo!en!las!plantas!son!diferentes!a!los!de!otros!organismos.!En!la!mayoría!de!los!animales,!la!división! celular! procede! simultáneamente! en! muchos! sitios! en! todo! el! embrión,! conduciendo! a! la! diferenciación! de! numerosos! órganos.!En!contraste,!en!una!semilla!en!germinación!se!tienen!únicamente!dos!áreas!localizadas!de!división!celular,!que!se! ubican!en!los!meristemas,!en!los!ápices!de!los!brotes!jóvenes!del!tallo!y!de!la!raíz.!En!los!estadios!iniciales!del!crecimiento,! virtualmente! todas! las! divisiones! celulares! están! confinadas! a! esos! meristemas,! pero! conforme! continúa! el! desarrollo! se! inician!nuevos!meristemas.!Por!ejemplo,!el!sistema!radical!puede!consistir!inicialmente!de!un!simple!eje!principal,!pero!con! el!tiempo!emergen!las!raíces!laterales,!cada!una!con!su!propio!meristema,!las!cuales!en!su!momento!pueden!dar!origen!a! futuras!ramificaciones.!

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La!forma!modular!de!construcción!de!las!plantas!tiene!consecuencias!importantes,!incluyendo!el!hecho!de!que!el!desarrollo! y!el!crecimiento!son!esencialmente!indeterminados;!el!número!de!módulos!(órganos)!no!es!fijo,!y!el!patrón!de!ramificación! no! procede! hacia! un! inevitable! punto! final.! Mientras! que,! por! ejemplo,! los! antílopes! tienen! cuatro! extremidades! y! un! número!determinado!de!apéndices,!un!árbol!de!pino!puede!formar!un!número!no!determinado!de!ramas,!acículas!o!ápices! de!raíz.!El!desarrollo!vegetal!y!el!crecimiento!son!muy!flexibles,!y!capaces!de!responder!a!las!influencias!del!ambiente;!por! ejemplo,!las!plantas!pueden!adicionar!nuevos!módulos!para!reemplazar!tejidos!destruidos!por!el!frío!o!el!viento.! Las!plantas!son!organismos!multicelulares!que!retienen!su!capacidad!para! un! crecimiento! ilimitado,! que! incluye! un! incremento! en! tamaño! en! el! transcurso! de! sus! vidas.! Las! plantas! son! capaces! de! esto! debido! a! que! poseen! meristemas.! Un! meristema! está! compuesto! de! células! troncales! (stem!cells)!que!se!perpetúan!por!sí!mismas!por!divisiones!celulares!y!dan! origen! a! células! derivadas! o! iniciales,! a! partir! de! las! cuales! se! originan! nuevas! líneas! celulares.! Estos! meristemas! se! localizan! en! los! ápices! del! tallo!o!en!las!raíces!y!sus!ramificaciones.! Otras! zonas! meristemáticas! se! encuentran! en! los! meristemas! laterales! localizados! en! el! interior! del! tallo! o! en! la! raíz! y! se! denominan! como! el! cambium! vascular! y! el! cambium! de! corcho,! que! son! considerados! como! meristemas! laterales.! Como! resultado! de! la! actividad! meritemática! en! los! ápices! del! tallo! y! de! la! raíz,! nuevas! células! se! forman!en!la!planta,!la!cual!continúa!creciendo!en!altura!(crecimiento!axial),!y!en!muchos!casos!en!su!periferia!(crecimiento! radial)! durante! toda! su! vida.! Esta! forma! de! crecimiento! en! las! plantas! se! conoce! como! forma& abierta& de& crecimiento,! y! tiene!ventajas!obvias!para!organismos!que!carecen!de!sistema!locomotor!y!sujetos!a!depredación,!ya!que!éstos!tienen!que! crecer!continuamente!en!la!búsqueda!de!fuentes!nuevas!de!agua!y!minerales,!así!como!competir!por!la!luz.! Las! células! y! tejidos! vegetales! se! diferencian! para! ejercer! funciones! específicas,! pero! bajo! ciertas! circunstancias! ellas! retienen!la!habilidad!de!revertirse!a!un!estadio!temprano!y!marchar!en!una!nueva!dirección.!Esta!habilidad!se!conoce!como! diferenciación&abierta.!La!plasticidad!de!la!planta!es!posible!debido!a!la!presencia!de!crecimiento!y!diferenciación!abierta.! Hace!mucho!tiempo!que!los!botánicos!reconocieron!que!los!tejidos!principales!de!la!planta!están!organizados!en!grandes! unidades!que!se!encuentran!en!todas!las!partes!del!vegetal.!Estos!grupos!de!tejidos!se!denominan!sistema!de!tejidos,!y!su! presencia!en!la!raíz,!en!el!tallo!y!en!la!hoja!revela!tanto!una!similitud!básica!de!los!órganos!de!la!planta!como!la!continuidad! del! cuerpo! vegetal.! Los! tres! sistemas! de! tejidos! son:! (1)! el! sistema! fundamental,! (2)! el! sistema! vascular! y! (3)! el! sistema! epidérmico.! Los! sistemas! tisulares! se! inician! durante! el! desarrollo! del! embrión,! donde! están! representados! por! los! meristemas!primarios!–meristema!fundamental,!procámbium!y!protodermis,!respectivamente.! El! sistema! tisular! fundamental! está! compuesto! por! tres! tejidos! fundamentales:! el! parénquima,! el! colénquima! y! el! esclerénquima.!El!parénquima!es!con!mucho!el!más!abundante!de!los!tejidos!fundamentales.!El!sistema!tisular!vascular!está! compuesto! por! dos! tejidos! conductores;! el! xilema! y! el! floema.! El! sistema! tisular! esta! representado! por! la! epidermis,! la! cubierta!protectora!más!externa!del!cuerpo!vegetal,!y!más!tarde!por!la!peridermis!en!el!cuerpo!vegetal!secundario.! ! !

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PARTES!FLORALES!Y!CICLO!DE!VIDA! En! la! flor! joven,! el! receptáculo! actúa! como! un! ápice! vegetativo! de! un! tallo,! pero! en! este! caso! en! vez! de! producir! hojas,! produce!cuatro!especies!de!órganos!florales!llamados:!sépalos,!pétalos,!estambres!y!carpelos.!Cada!uno!de!estos!es!una! hoja!modificada!para!cumplir,!en!general,!una!función!de!protección.!!

! El! conjunto! de! piezas! iguales! constituye! un! verticilo;! y! así! se! dice! que! el! conjunto! de! sépalos! constituyen! el! cáliz! y! el! conjunto! de! pétalos! o! segundo! verticilo! rio,! la! corola;! los! estambres! ! en! conjunto! constituyen! el! androceo! y! los! carpelos,!hojas!caspelares!o!macrosporángios,!forman!el!último!verticilo,!o!sea!el!gineceo.!El!conjunto!de!cáliz!y!corola!se! conoce!como!periantio!o!perianto,!tal!como!aparecen!en!la!figura!inferior.!

El! androceo! y! el! gineceo! se! llaman! verticilos! fundamentales! porque! producen! los! gametos! masculino! y! femenino! respectivamente,!en!otras!palabras,!la!microspora!y!la!megaspora.! Al!faltar!uno!o!más!verticilos,!la!flor!se!dice!incompleta.!Si!es!que!lo!que!falta!es!el!gineceo!(flor!masculina)!o!el!androceo! (flor! femenina),! la! flor! es! por! lo! tanto! unisexual,! se! le! llama! flor! imperfecta,! perfecta! son! sólo! las! flores! hermafroditas! o! bisexuales.! &

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CICLO%DE%VIDA%DE%LAS%ANGIOSPERMAS% Las% distingue% del% resto% de% las% plantas% la% formación% de% un% endosperma% triploide.% En! las! angiospermas,! la! polinización!consiste!en!la!llegada!de!un!microgametofito!–un!grano!de!poleng!a!una!superficie!receptora!de!la!flor.!Como! en!el!caso!de!las!gimnospermas,!la!polinización!es!la!primera!de!las!etapas!de!una!serie!que!culmina!con!la!formación!de! una! semilla.! La! etapa! que! sigue! a! la! polinización! es! el! desarrollo! de! un! tubo! polínico! que! se! extiende! hasta! el! megagametofito!(una!megaspora!madura).!La!tercera!etapa!es!un!proceso!de!fecundación!propio!de!las!angiospermas.!! Un!grano!de!polen!maduro!consiste!de!dos!células,!una!dentro!de!la!otra.!La!célula!del!tubo!contiene!una!célula!generativa! dentro! de! ésta.! La! célula! generativa! se! divide! para! producir! dos! espermatozoides.! El! núcleo! de! la! célula! del! tubo! guía! la! germinación!del!polen!y!el!crecimiento!del!tubo!polínico!(o!de!polinización)!después!que!el!polen!aterriza!sobre!el!estigma! de!un!gametofito!femenino.!

En%la%figura%se%observa%dentro%del%megasporangio%(ovario)%la%presencia%de%la%célula%madre%de%la%megaspora%(2n),%la%cual%se% divide,% a% través% de% la% meiosis,% formando% cuatro% megasporas% (n).% Posteriormente% tres% de% ellas% degeneran,% y% la% cuarta,% multiplica%sus%núcleos%formando%ocho%de%ellos.%De%estos%ocho,%dos%se%fusionarán%con%un%núcleo%masculino%(núcleos%polares)% formando%la%endosperma%y%uno%se%fusionará%(óvulo)%con%otro%núcleo%masculino%formando%el%embrión.%

! La! doble! fecundación! fue! considerada! durante! mucho! tiempo! la! característica! más! distintiva! de! las! angiospermas.! En! las! etapas!de!la!fecundación,!que!ocurre!dentro!del!megagametofito!de!una!angiosperma,!participan!dos!gametos!masculinos,! !

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que!se!encuentran!dentro!de!un!único!microgametofito.!El!núcleo!de!un!gameto!masculino!se!combina!con!el!de!la!oosfera! para! producir! un! cigoto! diploide,! la! primea! célula! de! la! generación! esporofítica.! En! la! mayoría! de! las! angiospermas,! el! núcleo! del! otro! gameto! masculino! se! fusiona! con! otros! dos! núcleos! haploides! de! gametofito! femenino! para! formar! un! núcleo!triploide!(3n).!Dicho!núcleo,!a!su!vez,!se!divide!y!forma!un!tejido!triploide,!el!endosperma,!cuyas!reservas!nutren!al! embrión!del!esporofito!durante!su!desarrollo!inicial.!Este!proceso,!en!el!cual!ocurren!dos!fecundaciones,!se!denomina!doble& fecundación.&

BARRERAS%PARA%LA%FECUNDACIÓN% Muchas!de!las!flores!que!son!hermafroditas!tienen!la!capacidad!de!autofertilizarse,!sobretodo!si!las!anteras!y!el!estigma!se! encuentran! a! una! misma! altura,! por! lo! que! una! forma! de! evitarlo! es! a! través! de! una! separación! que! puede! ser! física! o! temporal.! 1.

2.

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La! parte! superior! del! estigma! se! encuentra! llena! de! papilas! estigmáticas,! es! aquí! donde! se! adhiere! el! polen! para! luego! extender! su! tubo! polínico.! Cada! papila! conecta! a! un! óvulo,! y! cuando! la! planta! se! encuentra! receptiva,!emite!un!líquido!mucilaginoso!para! que!el!polen!pueda!adherirse.! El! gineceo! varía! de! flor! a! flor,! presentando,! entre! otros,! distintos! tamaños! de! estilos! (tal! cual! se! observa! en! la! imagen! a! la! izquierda).! En! B! se! puede! apreciar! un! estilo! muy! pequeño! y! un! extenso! ovario.! En! cambio! en! D,! el! estilo! es! bastante! más! largo! y! el! ovario! más! pequeño.! Si! se! quisieran! cruzar! ambas! plantas!(B!y!D),!se!tendría!que!utilizar!el!polen! de! D! y! el! ovario! de! B,! ya! que! en! el! caso! contrario,!el!polen!de!B!no!lograría!alcanzar!el! ovario!de!D!debido!a!que!esta!diseñado!para! recorrer!distancias!más!cortas.! En! ciertos! casos! surgen! nuevas! especies! de! forma! casi! instantánea! debido! a! cambios! en! el!número!de!cromosomas.!Un!mecanismo!de! especiación! común! en! las! plantas! es! la! poliploidía,! esto! es,! la! adquisición! de! varias! copias! de! cada! cromosoma.! Ocasionalmente,! un! óvulo! fecundado! duplica! sus! cromosomas! pero! no! se! divide! en! dos! células! hijas.! De! esta! forma,! la! célula! resultante! se! torna! tetraploide,! con! cuatro! copias! de! cada! cromosoma.! Si! todas! las! divisiones! celulares! subsiguientes! son! normales,! este! cigoto! tetraploide! se! transformará! en! una! planta! constituida! por! células! tetraploides.! La! mayoría! de! estas! plantas!son!vigorosas!y!sanas,!y!muchas!completan!con!éxito!la!meiosis!para!formar!gametos!viables.!Los!gametos,! sin!embargo,!son!diploides!y!sólo!se!fusionarán!con!otros!gametos!diploides!para!engendrar!nuevos!especímenes! tetraploides.! En!cambio,!si!un!tetraploide!se!cruza!con!un!individuo!diploide!de!la!especia!“progenitora”,!el!resultado!no!es!tan! satisfactorio.!Por!ejemplo,!si!un!espermatozoide!diploide!de!una!planta!tetraploide!fecunda!un!óvulo!haploide!de! la!especie!progenitora,!los!descendientes!serán!triploides,!con!tres!copias!de!cada!cromosoma.!Muchos!individuos! triploides!tienen!problemas!durante!su!crecimiento!y!desarrollo.!Incluso!si!el!descendiente!triploide!se!desarrolla! 12!

3. 4.

5.

6.

de!forma!normal,!será!estéril:!cuando!una!célula!triploide!intenta!sufrir!meiosis,!el!número!impar!de!cromosomas! imposibilita!el!apareamiento!de!cromosomas.!La!meiosis!fracasa!y!no!se!forman!gametos!viables.! Hercogamia:!separación!espacial!de!las!anteras!y!el!estigma,!haciendo,!por!ejemplo,!el!estigma!más!largo!que!las! anteras.! Dicogamia:! separación! temporal! de! la! fase! masculina! y! femenina,! esto! lo! hace! teniendo! una! fase! donde! el! estigmas! es! trifurcados! (receptivos)! y! de! esta! forma! no! se! libera! polen,! y! otra! con! estigmas! no! receptivos! y! generando!liberación!de!polen.!! Heterostilia:!es!una!forma!única!de!polimorfismo!morfológico!en!las!flores!de!ciertas!especies,!donde!existen!dos!o! tres! tipos! de! flores.! En! cada! planta! individual,! cada! una! de! las! flores! comparten! el! mismo! morfo.! Estos! morfos! difieren! cualitativamente! entre! sí! en! las! longitudes! del! estigma! y! las! anteras.! El! fenotipo! de! cada! morfo! esta! genéticamente! determinado.! Cuando! una! especie! presenta! dos! morfos! florales! se! denomina! distílica! y! cuando! presenta!tres,!tristílica.!(figura:!amarillo!anteras,!verde!estigmas).!El!fundamento!es!ayudar!a!la!polinización!normal! entre!líneas!distintas!de!plantas,!esto!lo!logra!a!través!de!los!diferentes!sectores!en!los!que!deposita!el!polen!en!un! insecto.!Por!ejemplo,!si!una!abeja!entra!en!la!flor!(6)!el!polen!quedaría!en!su!abdomen!y!torax,!si!esta!misma!abeja! entra!en!otra!flor!de!la!misma!planta,!no!será!capaz!de!fertilizarla!con!eficacia,!en!cambio!si!entra!a!una!flor!como! la! (7)! o! la! (8),! la! fertilización! se! desarrolla! de! forma! más! eficiente.

! Sistema& de& incompatibilidad& genética:! hay! un! sector! o! varios! sectores! del! DNA! que! se! llaman! los! locus! de! incompatibilidad! y! pueden! presentar! distintos! alelos! (distintas! secuencias),! los! cuales! se! llaman! alelos! de! dominancia!(S1,!S2,!S3…!Sn).!Por!lo!que!un!individuo!podría!tener!el!S1!y!S2,!y!otro!tener!el!S3!y!S4,!etc,!pudiendo! tener!3,!40!o!más!alelos!distintos.!Hay!dos!sistemas!de!incompatibilidad:! a. Gametofitico& (GSI,% gametophytic% selfQincompatibility)& :! si! el! padre! es! S1S2! y! la! madre! S2S3,! cuando! se! generen!los!granos!de!polen!quedaran!haploides!conteniendo!el!alelo!S1!o!S2.!Si!el!grano!de!polen!S2!llega! a!la!madre,!esta!lo!reconocerá!(ya!que!también!tiene!el!alelo!S2)!y!degradará!su!tubo!polínico!no!dejando! que!se!produzca!la!fecundación.!Si!el!grano!de!polen!que!llega!es!S1,!entonces!la!madre!no!lo!reconoce!y!la! flor!es!polinizada.! b. Esporofitico&(SSI,%sporophytic%selfQincompatibility):!este!sistema!funciona!igual!que!el!gametofitico,!con!la! salvedad!de!que!una!vez!llegado!los!granos!de!polen!a!la!madre,!si!el!genoma!del!padre!comparte!algún! alelo!con!la!madre,!sin!importar!si!llega!S1!o!S2!(compartiendo!tan!sólo!el!alelo!S2!con!la!madre),!la!madre! destruirá! los! tubos! polinícos! de! cualquiera! de! los! dos.

! !

13!

FRUTO! Una! vez! que! se! produce! la! fertilización,! el! embrión! le! manda! una! señal! hormonal! al! ovario,! este! se! engruesa! y! forma! el! fruto.!Si!no!se!produce!fertilización,!estas!hormonas!pueden!engañar!al!ovario!y!aun!así!producir!el!fruto.! Este!proceso!se!puede!dividir!en!dos!fases:! 1.

2.

El!desarrollo!del!fruto,!engrosamiento!de!la!pared!del!ovario!(no!todos!los!frutos!son!producto!del!engrosamiento! de!la!pared!del!ovario,!pero!si!la!mayoría),!que!equivale!al!fruto.!Este!se!divide!en:!exocarpo!(la!capa!más!externa),! mesocarpo! (la! capa! media)! y! endocarpo! (la! capa! más! interna).!

! Desarrollo! de! las! semillas! y! del! embrión,! que! involucra! división! celular,! alargamiento! de! las! células,! generar! una! reserva!de!nutrientes!suficientes!para!que!ese!embrión!crezca!incluso!cuando!es!liberado!de!la!madre,!para!que!la! plántula!pueda!seguir!desarrollándose!y!generar!hojas!para!volverse!autónoma.!Además!involucra!una!importante!

deshidratación!(<20%!agua).

!

Existen! varios! tipos! de! frutos,! los! cuales! se! organizan! según! el! esquema! representado! inferiormente:! Baya! Sicono!

Carnosos!

Frutos!

Drupa! Folículo!

InTlorescencia! Sorosis!

Hesperidio!

Simple!

Dehiscentes!

Legumbre! Silicua! Cápsula! Secos!

Una!Tlor!

Aquenio!

Pomo! Peponido! Compuesto! Polidrupa! Eterio!

!

14!

Nuez! Indehiscentes!

Cariopsis! Samara! Lomento!

!

ESTRUCTURA!DE!LA!RAÍZ! En! la! mayoría! de! las! plantas! vasculares,! las! raíces! constituyen! la! parte! subterránea! del! esporofito,! y! están! implicadas! principalmente!en!la!fijación!y!la!absorción.!Otras!dos!funciones!asociadas!a!ellas!son!el!almacenamiento!y!la!conducción.!! La!mayoría!de!las!raíces!son!órganos!importantes!de!almacenamiento!y!algunas!como!las!de!las!zanahorias,!la!remolacha!y! la! patata,! están! específicamente! adaptadas! para! el! almacenamiento! de! alimentos.! Los! alimentos! manufacturados! por! encima! del! suelo,! en! las! partes! fotosintéticas! de! la! planta,! se! mueven! a! través! del! floema! hacia! los! tejidos! de! almacenamiento!de!la!raíz.!! El!agua!y!los!iones!inorgánicos!que!absorben!las!raíces!se!mueven! a!través!del!xilema!hacia!las!partes!aéreas!de!la!planta.!Además,! las! hormonas! (particularmente! citocininas! y! giberelinas)! sintetizadas! en! las! regiones! meristemáticas! de! las! raíces! son! transportadas!hacia!arriba!a!través!del!xilema!a!!las!partes!aéreas,! que!dependen!de!la!presencia!de!algunas!de!ellas!para!estimular! e!crecimiento!y!el!desarrollo.! La!epidermis!protege!a!los!tejidos!internos!y!cubre!la!totalidad!de! la!raíz!joven.!Las!células!epidérmicas!tienen!extensiones!tubulares! finas,! los! pelos! radicales.! A! través! de! estos! pelos,! la! planta! absorbe! la! mayor! parte! del! agua! y! de! los! minerales.! La! corteza,! formada!por!células!parenquimáticas!sin!cloroplastos!funcionales,! ocupa! casi! todo! el! volumen! de! la! raíz! joven.! La! endodermis! está! formada! por! una! sola! capa! de! células,! en! cuyas! paredes! se! deposita! suberina! (banda! de! Caspari),! una! sustancia! impermeable! que! impide! que! el! agua! y! los! nutrientes! disueltos! pasen! por! las! paredes! celulares! o! el! espacio! intercelular! (apoplasto).!A!causa!de!esta!barrera,!los!nutrientes!se!mueven!por!las!células!endodérmicas!a!través!de!los!plasmodesmos,! canales!que!atraviesan!las!paredes!y!conectan!los!citoplasmas!de!células!contiguas!(via!del!simplasto).!! El!agua!entra!principalmente!a!través!de!los!pelos!radicales!y!en!regiones!donde!hay!poco!grado!de!suberización!de!la!raíz.!

!

!

15!

El!cilindro!central!de!la!raíz!consiste!de!xilema!y!floema,!rodeados!por!una!o! más! capas! de! células! (periciclo),! de! donde! surgen! las! ramificaciones! de! la! raíz.! La!mayoría!de!las!eudicotiledoneas!y!gimnospermas!poseen!un!sistema!de! raíz!pivotante,!formado!por!una!raíz!vertical!principal!(la!raíz!pivotante)!que! se!desarrolla!a!partir!de!una!raíz!embrionaria.!La!raíz!principal!da!origen!a! raíces!laterales,!llamadas!también!raíces!secundarias.!! El!extremo!de!la!raíz!esta!cubierto!por!una!caliptra!(ápex!en!la!imagen),!una! masa!de!células!en!forma!de!dedal!que!protege!el!meristema!apical!situado! detrás!de!ella!y!ayuda!a!la!raíz!en!su!penetración!por!el!suelo.!A!medida!que! la!raíz!va!creciendo!en!longitud,!la!caliptra!avanza,!las!células!de!la!periferia! de! la! caliptra! se! desprenden.! Estas! células! desprendidas! forman! una! envoltura! mucilaginosa! alrededor! de! la! raíz! y! lubrica! su! paso! a! través! del! suelo.! Tan! rápidamente! como! las! células! de! la! caliptra! se! desprenden,! el! meristema!apical!agrega!nuevas!células.! El! espacio! situado! por! detrás! del! meristema! apical! donde! tiene! lugar! la! mayor!parte!de!la!división!celular!varia!de!unas!especies!a!otras!y!también! dentro! de! las! mismas! especies,! dependiendo! de! la! edad! de! la! raíz.! El! meristema! apical! y! la! porción! cercana! de! la! raíz! donde! se! produce! la! división!celular!forman!lo!que!se!denomina!zona!de!división!celular. ! Detrás!de!la!zona!de!división!celular,!pero!no!claramente!separada!de!ésta,! se! encuentra! la! zona! de! elongación! que! normalmente! sólo! mide! unos! pocos!milímetros!de!longitud.!El!alargamiento!de!las!células!en!dicha!región! es!el!responsable!de!la!mayor!parte!del!crecimiento!en!longitud!de!la!raíz.! Por! detrás! de! esta! zona! la! raíz! no! incrementa! su! longitud.! Así,! el! crecimiento! longitudinal! de! la! raíz! tiene! lugar! cerca! de! su! extremo! y! da! como!resultado!que!una!porción!muy!limitada!de!ella!sea!constantemente! empujada!a!través!del!suelo.!

! !

!

!

16!

ESTRUCTURA!DE!LA!HOJA! La! variabilidad! de! la! estructura! de! las! hojas! de! las! angiospermas! tiene! mucho! que! ver! con! el! hábitat! donde! viven! y! la! disponibilidad!de!agua!es!un!factor!especialmente!importante!que!afecta!su!forma!y!estructura.!Independientemente!de!la! variabilidad! que! exista! entre! los! distintos! tipos! de! hojas,! las! de! las! angiospermas! están! especializadas! como! órganos! fotosintéticos!y,!al!igual!que!las!raíces!y!los!tallos,!constan!de!sistemas!de!tejidos!epidérmico,!fundamental!y!vascular.! Cuando! el! suelo! se! reseca! o! queda! muy! salado,! las! plantas! tendrán! más! problemas! para! extraer! el! agua! de! este.! No! obstante,! las! plantas! no! se! encuentran! totalmente! a! merced! de! su! entorno.! Cuentan! en! su! epidermis,! la! cual! está! compuesta!de!forma!compacta,!con!una!cutícula!que!la!cubre!y!con!estomas.!Incluso!las!plantas!que!contaran!con!agua!en! abundancia!se!marchitarían!y!morirían!si!carecieran!de!cutícula.!Las!células!de!la!epidermis!secretan!esta!capa!translúcida!e! impermeable,!que!recubre!las!paredes!celulares!expuestas!al!aire.!La!cutícula!está!constituida!por!ceras,!pectina!y!fibras!de! celulosa!embebidas!en!la!cutina,!un!polímero!de!lípidos!insoluble.!La!cutícula!no!impide!que!los!rayos!solares!lleguen!a!los! tejidos!fotosintéticos.!Restringe!las!pérdidas!de!agua!y!también!la!difusión!hacia!el!interior!del!dióxido!de!carbono!necesario! para!la!fotosíntesis,!y!la!difusión!hacia!el!exterior!del!oxígeno!que!se!forma!como!subproducto.!!

ESTOMAS% Para! la! fotosíntesis! de! las! plantas! se! requiere! dióxido! de! carbono!y!se!libera!oxígeno!libre.!Ambos!gases!se!difunden! a!través!de!la!epidermis!recubierta!de!cutícula!en!aperturas! pequeñas! y! colapsables,! llamadas! estomas.! Asimismo,! sale! agua! al! exterior,! pero! cuando! el! suelo! contiene! suficiente! agua,!las!raíces!reemplazan!tales!pérdidas.!Los!estomas!de! la! mayoría! de! las! plantas! se! cierran! de! noche;! las! plantas! CAM!son!la!excepción!(se!vera!en!detalle!más!adelante).!A! medida! que! las! células! fabrican! ATP! por! la! respiración! aeróbica,! se! conserva! el! agua,! y! el! dióxido! de! carbono! se! recolecta!en!las!hojas.! Un! par! de! células! especializadas! del! parénquima! definen! cada!estoma;!se!conocen!como!células!oclusivas,!guardianas!o!guardas.!Cuando!se!inflan!por!la!entrada!de!agua,!se!doblan! ligeramente!y!se!separan.!La!brecha!que!queda!entre!ellas!se!denomina!estoma.!Cuando!el!par!pierde!agua,!la!pérdida!de! turgencia!origina!que!las!paredes!celulares!colapsen!una!contra!la!otra,!de!modo!que!la!brecha!se!cierra.! Existen!dos!modelos!básicos!de!estomas,!con!algunas!variantes:! (A) Estomas! con! células! guardianas! arriñonadas.! Estas! son! comunes! en! dicotiledóneas! y! monocotiledóneas! no! herbáceas!ni!palmas,!así!como!en!gimnospermas!y!helechos.! (B) Estomas!con!células!guardianas!en!forma!de!teléfono,!y!tienen!células!subsidiarias.!Son!comunes!en!herbáceas!y! palmas.!

! !

17!

! !Puede! haber! estomas! en! ambos! lados! de! la! hoja,! pero! normalmente!son!más!numerosos!en!la!cara!inferior!(abaxial).! En! algunas! plantas,! los! estomas! están! hundidos! en! depresiones! de! la! superficie! inferior! de! la! hoja.! Las! depresiones! también! pueden! contener! numerosos! pelos! epidérmicos!(tricomas).!La!conjunción!de!estos!dos!caracteres! puede!servir!para!reducir!las!pérdidas!de!agua!de!la!hoja.! Un!buen!número!de!factores!ambientales!afectan!la!apertura!y!cierra!de!los!estomas,!siendo!la!pérdida!de!agua!el!de!mayor! influencia.!Cuando!la!turgencia!de!una!hoja!cae!por!debajo!de!un!punto!crítico!que!varía!según!las!diferentes!especies,!la! apertura!estomática!se!hace!menor.!El!efecto!de!la!pérdida!de!agua!anula!los!otros!factores!que!afectan!al!estoma,!pero!se! pueden!dar!cambios!estomáticos!independientemente!de!la!ganancia!o!pérdida!total!de!agua!por!la!planta.!El!ejemplo!más! llamativo! se! encuentra! en! las! muchas! especies! en! que! los! estomas! se! abren! regularmente! por! la! mañana! y! se! cierran! al! atardecer,!aún!cuando!no!haya!cambios!en!el!agua!disponible!para!la!planta.! Durante!períodos!de!escasez!de!agua!en!muchas!plantas!hay!un!marcado!incremento!del!nivel!de!ácido!abscísico!(ABA,!una! fitohormona! de! la! que! se! hablará! más! adelante).! Cuando! las! hojas! se! “alimentan”! o! se! les! aplica! ABA! se! da! un! cierre! estomático! en! pocos! minutos;! más! aún,! el! efecto! del! ABA! en! el! movimiento! estomático! es! fácilmente! reversible.! La! evidencia! experimental! sugiere! que! la! pérdida! de! soluto! (K+)! de! las! células! oclusivas! empieza! cuando! el! ABA! de! origen! mesofílico! llega! a! los! estomas,! comunicándoles! que! las! células! mesofílicas! están! sufriendo! escasez! de! agua.! Aún! se! desconoce!cómo!el!ABA!actúa!sobre!las!células!oclusivas.! Otros!factores!ambientales!que!afectan!al!movimiento!estomático!incluyen!la!concentración!de!dióxido!de!carbono,!luz!y! temperatura.!En!la!mayoría!de!las!especies,!un!incremento!en!la!concentración!de!dióxido!de!carbono!produce!el!cierre!de! los!estomas.!La!magnitud!de!esta!respuesta!varía!mucho!según!la!especie!y!con!el!grado!de!escasez!de!agua!que!una!planta! dada!ha!sufrido!o!está!sufriendo.! En!la!mayoría!de!las!especies,!los!estomas!se!abren!con!la!luz!y!se!cierran!en!la!oscuridad.!Esto!se!puede!explicar!en!parte! por!la!utilización!fotosintética!del!dióxido!de!carbono,!que!causa!una!reducción!en!el!nivel!de!dióxido!de!carbono!en!la!hoja.! La! luz! puede,! no! obstante,! tener! un! efecto! más! directo! en! los! estomas.! Se! sabe! hace! tiempo! que! la! luz! azul! estimula! la! apertura!estomática!independientemente!del!dióxido!de!carbono.! Dentro!de!los!intervalos!normales!(de!10!a!25!ºC),!los!cambios!de!temperatura!tienen!poco!efecto!en!el!comportamiento!de! los!estomas,!pero!temperaturas!de!más!de!30!a!35ºC!pueden!provocar!un!cierre!estomático.!Sin!embargo,!esto!se!puede! evitar! manteniendo! la! planta! en! aire! que! carezca! totalmente! de! dióxido! de! carbono,! lo! que! sugiere! que! los! cambios! de! temperatura!funcionan!principalmente!afectando!la!concentración!de!dióxido!de!carbono!en!la!hoja.! El!uso!de!la!biotecnología!para!desarrollar!plantas!que!requieran!menos!agua!y!tengan!alto!rendimiento!en!condiciones!de! déficit! hídrico! permitiría! ahorrar! agua! en! la! agricultura.! El! objetivo! seria! reducir! la! tasa! de! transpiración! para! mejorar! la! eficiencia!de!uso!de!agua!(EUA)!y!aumentar!la!tolerancia!a!estrés.! ! !"# = ! ! Con!A!como!la!asimilación!de!dióxido!de!carbono!y!E!como!la!transpiración.!!

!

18!

Existen! factores! de! transcripción! de! la! familia! MYB! que! se! encuentran! relacionados! con! el! movimiento! estomático! en! respuesta! a! estímulos! ambientales.! En! la! planta! Arabidopsis% thaliana,! AtMYB60,! que! es! expresado! en! estomas,! más! específicamente!en!sus!células!guardas,!y!es!regulado!por!luz,!estrés!abiótico!y!ABA.!Los!mutantes!nulos!atmyb60g1!son!más! tolerantes!a!sequía!ya!que!reducen!la!apertura!estomática!máxima!y!disminuyen!la!marchitez!bajo!condiciones!de!estrés! por!agua.!Otra!forma!de!inhibir!estos!factores!de!transcripción!en!WT!es!con!exceso!de!ABA!y!sodio.!

MESOFILO% El!mesófilo!–el!tejido!fundamental!de!la!hojag!está!particularmente!especializado!en!la!fotosíntesis,!gracias!al!gran!volumen! de!espacios!intercelulares!así!como!a!los!numerosos!cloroplastos!que!posee.!Los!espacios!intercelulares!están!conectados! con!la!atmósfera!exterior!a!través!de!los!estomas!que!facilitan!un!rápido!intercambio!de!gases,!un!factor!muy!importante! para! la! eficiencia! de! la! fotosíntesis.! En! los! mesófitos! el! mesófilo! se! diferencia! en! un! parénquima! en! empalizada! y! en! un! parénquima!esponjoso.!Las!células!del!parénquima!en!empalizada!tienen!un!aspecto!columnar!y!su!eje!principal!forma!un! ángulo! recto! con! la! epidermis,! mientras! que! las! células! del! parénquima! esponjoso! tiene! una! forma! irregular.! Aunque! el! parénquima! en! empalizada! parezca! más! compacto! que! el! parénquima! esponjoso,! la! mayoría! de! las! paredes! celulares! verticales! de! las! células! en! empalizada! están! expuestas! a! espacios! intercelulares! y! en! algunas! hojas! la! superficie! de! la! empalizada! puede! ser! de! dos! a! cuatro! veces! mayor! que! la! superficie! esponjosa.! Los! cloroplastos! son! también! más! numerosos!en!las!células!en!empalizada!que!en!las!células!esponjosas.!En!consecuencia,!la!mayor!parte!de!la!fotosíntesis! que!se!produce!en!la!hoja!aparentemente!tiene!lugar!en!el!interior!del!parénquima!en!empalizada.!! El! parénquima! en! empalizada! se! localiza! habitualmente! en! el! lado! superior! de! la! hoja,! mientras! que! el! parénquima! esponjoso!suele!estar!en!el!lado!inferior,!aunque!en!algunas!plantas!el!parénquima!en!empalizada!se!encuentra!a!ambos! lados.!También!sucede,!por!ejemplo!en!gramíneas,!que!las!células!del!mesófilo!son!más!o!menos!similares!en!forma,!sin!que! exista!una!clara!diferencia!entre!ambos!tipos!de!parénquimas.!

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19!

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MOVIMIENTO!DEL!AGUA!EN!LA!PLANTA! El!agua,!que!es!el!componente!mayoritario!en!la!planta!(80g90%!del!peso!fresco!en!plantas!herbáceas!y!más!del!50%!de!las! partes!leñosas)!afecta,!directa!o!indirectamente,!a!la!mayoría!de!los!procesos!fisiológicos.! Una!planta!necesita!mucha!más!agua!que!un!animal!de!peso!comparable.!En!un!animal,!la!mayor!parte!del!agua!se!retiene! en!su!cuerpo!y!continuamente!se!recicla.!En!cambio,!más!del!90%!del!agua!que!entra!por!el!sistema!de!raíces!se!desprende! al!aire!en!forma!de!vapor!de!agua.!Esta!pérdida!de!agua!en!forma!de!vapor!recibe!el!nombre!de!transpiración.!! La!transpiración!es!una!consecuencia!necesaria!al!estar!los!estomas!abiertos!para!que!la!planta!capte!el!dióxido!de!carbono! necesario!para!la!fotosíntesis,!aunque!el!precio!que!paga!!la!planta!es!alto.!!

EL%AGUA%TIENE%UNA%ALTA%FUERZA%TENSIONAL% La!cohesión!confiere!al!agua!una!elevada!fuerza!tensional,!que!se!define!como!la!fuerza!máxima!por!unidad!de!área!que! puede! resistir! una! columna! continua! de! agua! sin! llegar! a! romperse.! Normalmente! no! pensamos! que! los! líquidos! tienen! fuerza!tensional;!sin!embargo,!esta!propiedad!es!necesario!para!que!la!columna!de!agua!pueda!ser!impulsada!hacia!arriba! por!un!tubo!capilar.!! La! fuerza! tensional! del! agua! puede! demostrarse! colocándola! en! una! jeringuilla! con! tapa.! Si! empujamos! el! émbolo! de! la! jeringuilla,! el! agua! se! comprime! y! se! genera! una! presión! hidrostática.! La! presión! se! mide! en! unidades! llamadas! pascales! (Pa),!o!más!adecuadamente,!megapascales!(MPa).!!

POTENCIAL!OSMÓTICO! LA%DIFUSIÓN%DE%LAS%PARTÍCULAS%EN%EL%AGUA% Las! moléculas! de! agua! en! una! solución! no! están! quietas,! están! en! continuo! movimiento,! chocando! unas! con! otras! e! intercambiando! energía! cinética.! Las! moléculas! se! entremezclan! como! resultado! de! la! agitación! térmica! a! azar.! Este! movimiento!al!azar!es!la!difusión.!Considerando!que!no!haya!otras!fuerzas!actuando!sobre!las!moléculas,!la!difusión!es!la! causa!del!movimiento!de!las!sustancias!desde!las!zonas!más!concentradas!a!las!menos!concentradas,!es!decir,!a!favor!del! gradiente!de!concentración.! Esto! se! ve! descrito! por! la! primera! ley! de! Fick:! !! = −!!

∆!! ! ∆!

La! velocidad! de! transporte! de! soluto! o! densidad! de! flujo! (Js),! es! la! cantidad! de! sustancia! s! que! atraviesa! una! unidad! de! superficie! por! unidad! de! tiempo.! El! coeficiente! de! difusión! (Ds)! es! la! constante! de! proporcionalidad! que! mide! la! facilidad! con! la! que! la! sustancia! s! atrvaiesa! un! medio.! El! coeficiente! de! difusión! es! característico! de! cada! sustancia! (las! moléculas! más! grandes!

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20!

tienen! coeficientes! de! difusión! menores)! y! depende! del! medio! (la! difusión! en! el! aire! es! mucho! más! rápida! que! en! un! líquido,! por! ejemplo).! El! signo! negativo! de! la! ecuación! indica! que! el! flujo! se! produce! a! favor! de! un! gradiente! de! concentración.! La! primera! ley! de! Fick! dice! que! una! sustancia! difundirá! tanto! más! rápidamente! cuanto! mayor! sea! su! gradiente! de! concentraciones!(∆!! )!o!cuanto!mayor!sea!el!coeficiente!de!difusión.!Esta!ecuación!es!aplicable!únicamente!al!movimiento! en!respuesta!a!un!gradiente!de!concentraciones,!y!no!al!movimiento!debido!a!otras!fuerzas!(por!ejemplo,!presión,!campos! eléctricos,!etc).! De!la!ecuación!anterior!también!se!puede!deducir!una!expresión!para!el!tiempo!que!tarda!una!sustancia!en!recorrer!una! determinada!distancia.!Si!las!condiciones!iniciales!son!tales!que!todas!las!moléculas!de!soluto!están!concentradas!en!una! posición!inicial,!para!cualquier!tiempo!posterior!al!frente!de!concentración!se!alejará!de!esta!posición!inicial.!A!medida!que! la! sustancia! difunde! desde! la! posición! inicial,! el! gradiente! de! concentración! se! hace! cada! vez! más! pequeño! (∆!! !!"#$"%&'(),!de!forma!que!el!movimiento!neto!se!ralentiza.! El!tiempo!medio!que!tarda!una!partícula!en!recorrer!una!distancia!L!es!igual!a!!! /!! ,!donde!!! !es!el!coeficiente!de!difusión,! que!depende!tanto!del!tipo!de!partícula!como!del!medio!en!el!que!difunde.!Así,!el!tiempo!medio!necesario!para!que!una! sustancia!difunda!a!través!de!una!distancia!determinada!aumenta!proporcionalmente!con!el!cuadrado!de!la!distancia.! En!otras!palabras,!la!difusión!es!rápida!en!distancias!cortas,!pero!extremadamente!lenta!en!distancias!largas.!

L A%OSMÓSIS % Las!membranas!de!las!células!vegetales!son!selectivamente!permeables,!es!decir,!permiten!que!el!agua!y!otras!sustancias! pequeñas! no! cargadas! atraviesen! la! bicapa,! mientras! restringen! mucho! el! movimiento! de! sustancias! grandes! y,! especialmente,! de! sustancias! cargadas.! Del! mismo! modo! que! la! difusión,! la! ósmosis! se! produce! espontáneamente! en! respuesta!a!fuerzas!impulsoras,!pero!ahora!considerando!el!impedimento!de!una!membrana!semipermeable,!por!lo!que!no! todos!los!solutos!disueltos!en!la!disolución!podrán!atravesarla.!! La!disolución!puede!exhibir!solamente!la!fracción!de!su!presión!osmótica!debida!a!los!solutos!para!los!que!la!membrana!es! impermeable.! Esta! fracción! de! la! presión! osmótica! total! de! la! disolución! es! la! que! se! conoce! como! tonicidad.! Evidentemente,!por!tanto,!la!tonicidad!de!una!disolución!no!se!puede!predecir!únicamente!por!su!composición!conocida! (como!ocurre!con!la!presión!osmótica),!ya!que!también!intervienen!las!propiedades!distintivas!de!la!membrana!limitante.!!

P OTENCIAL%OSMÓTICO % El! potencial! osmótico! (Ψ! )!indica! el! efecto! de! los! solutos! disueltos! en! el! agua! del! suelo.! La! definición! más! comúnmente! utilizada!es!la!medida!de!presión!con!la!que!las!moléculas!de!agua!pueden!difundir!fuera!de!la!solución!si!están!separadas! de! otra! solución! por! una! membrana! semipermeable.! Se! utiliza! como! valor! de! referencia! el! potencial! osmótico! del! agua! pura.!El!potencial!osmótico!es!siempre!negativo!ya!que!los!solutos!disueltos!disminuyen!la!energía!potencial!del!agua!(la! capacidad!del!agua!de!producir!trabajo,!que!se!traduce!como!la!capacidad!de!movimiento)!o!como!máximo!tiene!valor!cero.! Los! solutos! que! pueden! encontrarse! disueltos! en! el! agua! del! suelo,! y! que! afectan! al! potencial! del! agua,! son! las! sales! inorgánicas!y!algunas!moléculas!orgánicas!de!gran!tamaño.!!

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!

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21!

POTENCIAL!HÍDRICO! El! potencial! del! agua! del! suelo! se! define! como! la! cantidad! de! trabajo! que! debe! realizarse! por! unidad! de! una! cantidad! especidicada!de!agua!pura!para!transportar!de!forma!reversible!e!isotérmica!una!cantidad!infinitesimal!de!agua,!desde!una! fuente!especificada!a!un!destino!especificado.!Si!la!cantidad!especificada!es!un!volumen,!el!potencial!se!expresa!como!una! presión! (Pa),! si! la! cantidad! especificada! es! un! peso,! el! potencial! se! expresa! como! una! altura! de! agua! (m)! y! si! la! cantidad! especificada! es! masa,! el! potencial! se! expresa! normalmente! en! J/Kg.! Dentro! de! las! distintas! alternativas! nosotros! utilizaremos!la!primera.!!

! El!potencial!del!agua,!se!ha!definido!como!una!diferencia!de!potencial!con!el!estado!de!referencia!del!agua.!Es!de!utilidad! para!describir!la!disponibilidad!de!agua!para!las!plantas!y!para!describir!las!fuerzas!conductoras!que!causan!el!movimiento! del!agua!en!el!suelo.! Las!condiciones!que!definen!el!estado!de!referencia!del!agua!son!el!agua!pura!(sin!sales!disueltas),!libre!(de!las!fuerzas!de! adsorción),! a! una! temperatura! y! elevación! específicas,! y! expuestas! a! la! presión! atmosférica.! El! potencial! del! agua! en! el! estado!de!referencia!es!cero.! Los!factores!que!afectan!al!potencial!del!agua!son:! • • • •

Los!solutos!disueltos!en!el!agua!del!suelo.! La!adsorción!del!agua!por!parte!de!las!partículas!del!suelo.! La!elevación!del!agua!del!suelo!en!el!campo!gravitatorio!de!la!Tierra.! La!presión!aplicada!(positiva!o!negativa).!

El! potencial! total! del! agua! en! el! suelo! es! la! suma! de! los! potenciales! debidos! a! la! gravedad! (g),! presión! (p),! mátrico! (m),! osmótico!(o)!y!otros!potenciales!inducidos!por!factores!diversos!como!la!sobrecarga!de!un!suelo!o!la!presión!del!aire.!Los! distintos!componentes!del!potencial!del!agua!en!el!suelo!se!presentan!en!la!tabla!inferior:!

! El! potencial! pneumático,! que! representa! la! diferencia! de! la! presión! de! la! fase! gaseosa! con! la! presión! atmosférica,! se! considera!normalmente!negligible,!por!lo!que!no!se!ha!considerado!en!el!análisis!de!los!componentes!del!potencial!total!del! agua!(potencial!hídrico)!en!el!suelo.!!

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22!

El! potencial! de! presión! puede! ser! importante,! por! ejemplo,! cuando! el! punto! de! medida! está! por! debajo! de! un! nivel! 1 freático .!La!altura!de!la!capa!freática!por!encima!del!punto!de!medida!es!la!que!ejerce!el!potencial!de!presión!que!en!este! caso!sería!positivo.! La!forma!simplificda!de!expresar!el!potencial!del!agua!en!el!suelo!en!la!zona!no!saturada!del!suelo!donde!se!desarrollan!y! crecen!raíces!es!la!siguiente:! Ψ! = Ψ! + Ψ! + Ψ! + Ψ! ! donde!Ψ! , Ψ! , Ψ! , Ψ! !son!respectivamente,!los!potenciales!hidrostático,!osmótico,!mátrico!y!gravitacional.!

POTENCIAL!DE!PRESIÓN! A!diferencia!de!las!células!animales,!las!células!vegetales!están!rodeadas!por!una!pared!relativamente!rígida.!A!medida!que! el! agua! ingresa! en! una! planta! debido! a! su! potencial! de! soluto! negativo,! la! entrada! de! más! agua! es! resistida! en! forma! creciente!mediante!un!potencial!de!presión!opuesto!(llamado!presión!de!turgencia!en!las!plantas).!(El!potencial!de!presión! es! una! presión! hidráulica! análoga! a! la! presión! del! aire! en! el! neumático! de! un! automóvil;! es! una! presión! mecánica! que! puede!ser!medida!con!un!medidor!de!presión).!A!medida!que!entra!más!y!más!agua,!el!potencial!de!presión!se!hace!cada! vez!mayor.! Debido! a! la! rigidez! de! la! pared! celular,! las! células! vegetales! no! estallan! del! modo! en! que! las! células! animales! lo! hacen! cuando!se!sitúan!en!agua!pura;!en!cambio,!el!agua!ingresa!en!las!células!de!la!planta!por!ósmosis!hasta!que!el!potencial!de! presión!equilibra!en!forma!exacta!el!potencial!del!soluto.!En!este!punto,!la!célula!se!halla!turgente;!es!decir,!presenta!un! potencial!de!presión!significativamente!positivo.!! El! potencial! hidrostático! (o! potencial! de! presión)! es! importante! también! en! los! suelos! con! presencia! de! capa! freática! y! cuando!nos!referimos!a!una!zona!por!debajo!de!esta!capa!(zona!saturada):! Ψ! =

! ! !!

P!es!la!presión!en!altura!de!agua!desde!el!nivel!freático!hasta!la!profundidad!a!la!que!se!quiere!determinar!el!potencial!del! agua.! El! potencial! de! presión! puede! ser! positivo! o! negativo.! Se! considera! negativo! cuando! tiene! una! presión! más! baja! que! la! atmosférica!(en!ese!caso!se!denomina!tensión!o!succión).!!

POTENCIAL!DE!GRAVEDAD! El!potencial!de!gravedad!(Ψ! ),!hace!referencia!a!la!energía!potencial!del!agua!y!depende!únicamente!de!la!posición!relativa! (elevación)!respecto!a!un!nivel!de!referencia:! Ψ! = !ℎ! donde!g!es!la!aceleración!debida!a!la!gravedad!(9,8!m/s).! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1!Nivel&freático:!Plano!horizontal!definido!por!el!límite!de!la!capa!de!tierra!totalmente!saturada!con!agua.!Debajo!del!nivel!freático,! todos!los!espacios!están!llenos!de!agua;!arriba!de!ella,!algunos!espacios!están!vacíos!permitiendo!que!el!agua!escurra!a!través!de!los! mismos.!Determina!la!posición!del!nivel!estático!y!está!relacionada!con!la!elevación!de!la!superficie!de!pantanas,!lagos!y!corrientes! permanentes!e!incluso!con!la!amplitud!de!contaminación!de!aguas!subterráneas!en!tierra.!La!tierra!con!un!alto!nivel!freático,!es! más!susceptible!a!la!contaminación!que!aquellos!que!están!debajo!de!la!superficie!del!terreno.!!

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23!

! POTENCIAL!MÁTRICO! La!disminución!de!la!energía!potencial!del!agua!en!el!suelo!es!debida!a!las!fuerzas!físicas!que!retienen!el!agua!a!la!matriz!del! suelo!(conjunto!de!partículas!y!espacio!poroso)!y!se!denominan!potencial!mátrico.! El!agua!es!retenida!por!adsorción!en!las!superficies!de!las!partículas!del!suelo!y!por!capilaridad!en!los!poros.!La!adsorción!de! agua!en!la!superficie!de!los!sólidos!es!principalmente!de!naturaleza!electrostática.!Las!fuerzas!de!naturaleza!electrostática! junto! a! la! tensión! superficial! son! las! responsables! del! fenómeno! de! capilaridad.! La! adsorción! del! agua! por! parte! de! las! partículas!del!suelo!(superficie!de!las!arcillas)!también!se!debe,!aunque!con!menos!importancia,!a!las!fuerzas!de!Londongvan! der!Waals!y!a!los!puentes!de!hidrógeno,!por!su!carácter!dipolar.! El! potencial! mátrico! es! la! principal! fuerza! conductora! del! movimiento! del! agua! en! el! suelo,! y! condiciona! la! dirección! y! magnitud!del!flujo!de!agua.!Su!valor!siempre!es!negativo!o!como!máximo!vale!cero.!El!potencial!mátrico,!Ψ! ,!en!los!suelos! 2 agrícolas! va! de! cero! hasta! valores! que! pueden! estar! por! debajo! del! denominado! punto% de% marchitez% permanente ,! establecido!en!g1.500!kPa.!

C APACIDAD%DE%CAMPO % Un! suelo! se! encuentra! a! capacidad! de! campo! cuando,! tras! una! lluvia! o! riego! abundante,! drena! el! exceso! de! agua! y! el! movimiento!descendente!se!reduce!sustancialmente.!Esta!situación!se!alcanza!en!la!mayor!parte!de!los!suelos!a!los!dos!o! tres!días.!!

&

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

&

2!Punto& de& marchitez& permanente:& es! el! contenido! de! humedad! retenido! por! las! partículas! de! suelo! que! las! plantas! no! pueden! utilizar! para! satisfacer! sus! necesidades! y! recuperar! la! turgencia,! lo! que! provoca! una! marchitez! irreversible,! pues! no! pueden! recuperarse!aunque!se!sometan!a!un!ambiente!húmedo.!

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24!

XILEMA! En!la!mayoría!de!las!planta,!el!xilema!constituye!la!parte!más!larga!de!la!ruta!del!transporte!de!agua.!En!una!planta!de!1!m! de!altura,!más!del!99,5%!de!la!ruta!de!transporte!de!agua!tiene!lugar!a!través!del!xilema!y!en!los!árboles!altos!el!xilema! representa!una!fracción!incluso!mayor.!Comparada!con!la!compleja!ruta!a!través!de!los!tejidos!radicales,!la!del!xilema!es! una!ruta!sencilla!de!baja!resistencia.!! Las!células!conductoras!en!el!xilema!tienen!una!anatomía!especializada!que!les!permite!transportar!grandes!cantidades!de! agua!con!gran!eficiencia.!Hay!dos!tipos!principales!de!elementos!traqueales!en!el!xilema:!las!traqueidas!y!los!elementos!de! los!vasos.!Los!elementos!de!los!vasos!están!presentes!sólo!en!las!angiospermas,!en!un!pequeño!grupo!de!gimnospermas! llamadas! Gnetales! y! posiblemente! en! algunos! helechos.! Las! traqueidas! están! presentes! tanto! en! angiospermas! como! en! gimnospermas,!así!como!en!helechos!y!otras!plantas!vasculares.! La!maduración!de!traqueidas!y!elementos!de!los! vasos!implica!la!“muerte”!de!la!célula,!de!forma! que!las!células!conductoras!de!agua!funcionales! no! tienen! ni! membranas! ni! orgánulos.! Lo! que! queda! son! paredes! celulares! gruesas,! lignificadas,! que! forman! tubos! huecos! a! través! de! los! cuales! el! agua! puede! fluir! con! relativamente!poco!resistencia.! Las! traqueidas! son! células! largas! con! forma! de! huso! que! se! disponen! solapadas! en! filas! verticales.! El! agua! fluye! entre! las! traqueidas! a! través! de! numerosas! punteaduras! en! las! paredes! laterales.! Estas! punteaduras! son! regiones! microscópicas! que! carecen! de! pared! secundaria,! y! cuya! pared! primaria! es! fina! y! porosa.! Las! punteaduras! de! una! traqueida! suelen!localizarse!enfrentadas!a!las!punteaduras! de! la! traqueida! adyacente,! formando! pares! de! punteaduras.! Estos! pares! de! punteaduras! constituyen! un! camino! de! baja! resistencia! para! el! movimiento! de! agua! entre! traqueidas.! La! capa! porosa! situada! entre! pares! de! punteaduras,! formada! por! dos! paredes! primarias! con! una! lámina! media,! se! conoce! como!membrana!de!punteadura.! Los! elementos! de! los! vasos! tienden! a! ser! más! cortos! y! anchos! que! las! traqueidas,! y! tienen! paredes! perforadas! en! sus! extremos! que! forman! las! llamadas! placas! perforadas.! Como! las! traqueidas,! los! elementos! de! los! vasos! tienen! punteaduras! en! las! paredes! laterales.! A! diferencia! de! las! traqueidas,! los! extremos!

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25!

perforados! de! los! elementos! de! los! vasos! les! permiten! apilarse! unos! sobre! otros! (extremo! sobre! extremo)! en! hileras! formando!una!unidad!más!larga!denominada!vaso.!Los!vasos!varían!en!longitud,!tanto!dentro!de!una!misma!especie!como! entre! especies! diferentes.! La! longitud! máxima! de! los! vasos! oscila! entre! 10! cm! y! muchos! metros.! Debido! a! sus! paredes! perforadas! terminales,! los! vasos! proporcionan! una! ruta! muy! eficiente! y! de! baja! resistencia! al! movimiento! de! agua.! Los! elementos!de!los!vasos!que!ocupan!el!extremo!de!un!vaso!no!tienen!la!pared!terminal!perforada!y!se!comunican!con!los! vasos!vecinos!por!medio!de!pares!de!punteaduras.! s!

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26!

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T RANSPIRACIÓN ! Anteriormente!se!señalo!que!la!difusión!en!los!líquidos!es!tan!lenta!que!es!sólo!efectiva!a!dimensiones!celulares.!¿Cuánto! tardaría!una!molécula!de!agua!en!difundir!desde!las!superficies!celulares!del!interior!de!la!hoja!a!la!atmósfera!exterior?!El! tiempo! medio! necesario! para! que! una! molécula! difunda! una! distancia! L! es! igual! a!L! /D! ,! donde!D! !es! el! coeficiente! de! difusión.!La!distancia!que!debe!recorrer!una!molécula!de!agua!para!difundir!desde!el!punto!de!evaporación!dentro!de!la! hoja! hasta! el! aire! exterior! es! aproximadamente! de! 1! mm,! y! el! coeficiente! de! difusión! del! agua! en! el! aire! es! de!2,4 ∗ 10!! !m! s !! .! Por! tanto,! el! tiempo! medio! necesario! para! que! una! molécula! de! agua! escape! de! la! hoja! es! de! aproximadamente!0,042!s.!Así!pues,!la!difusión!es!adecuada!para!explicar!el!movimiento!del!vapor!de!agua!a!través!de!la! fase!gaseosa!de!la!hoja.!! La! transpiración! desde! la! hoja! depende! sobre! todo! de! dos! factores:! (1)! la! diferencia! de! concentración! de! vapor! de! agua! entre!los!espacios!aéreos!de!la!hoja!y!la!atmósfera!exterior!y!(2)!la!resistencia!a!la!difusión!(r)!de!esta!ruta.!Analizaremos!en! primer!lugar!cómo!las!diferencias!de!concentración!de!vapor!de!agua!controlan!la!velocidad!de!la!transpiración.! El!agua!llega!a!las!hojas!por!medio!del!xilema!en!los!vasos!de!la!hoja!y!luego!se!transporta!hacia!las!células!del!mesófilo!y!a! sus! paredes! celulares.! Este! movimiento! depende! de! la! adhesión! del! agua! a! las! microfibrillas! de! celulosa! y! a! otros! componentes!hidrófilos!de!las!paredes!de!la!célula!vegetal.!Al!comienzo,!el!agua!se!evapora!de!una!delgada!lamina!de!agua! que!reviste!los!espacios!aéreos!que!rodean!a!las!células!del!mesófilo.!En!condiciones!de!equilibrio,!el!potencial!hídrico!del! xilema!es!igual!al!potencial!hídrico!de!las!células!vivas!que!lo!rodean.! Mientras!que!el!volumen!del!espacio!aéreo!intercelular!dentro!de!la!hoja!es!bastante!pequeño,!la!superficie!húmeda!desde! la! cual! el! agua! se! evapora! es! comparativamente! mayor.! A! diferencia! del! volumen! de! los! espacios! aéreos,! el! área! de! la! superficie!interna!desde!la!que!el!agua!se!evapora!puede!ser!entre!7!y!30!veces!mayor!que!el!área!exterior!de!la!hoja.!Esta! alta!proporción!de!la!superficie!con!respecto!al!volumen!hace!que!el!vapor!alcance!el!equilibrio!rápidamente!en!el!interior! de!la!hoja.!Por!tanto,!podemos!asumir!que!el!espacio!aéreo!en!la!hoja!está!próximo!al!potencial!hídrico!en!equilibrio!con!la! superficie!de!la!pared!celular!desde!la!cual!se!evapora!el!agua!líquida.!! A!medida!que!pasa!más!agua!al!aire,!la!interface!airegagua!se!profundiza!en!la!pared!celular!y!se!hace!más!curva.!A!medida! que!se!evaporan!más!moléculas!de!agua,!el!grado!de!curvatura!y!la!tensión!superficial!de!las!moléculas!de!agua!aumenta,!y! la!presión!en!la!interface!airegagua!se!hace!cada!vez!más!negativa.!Las!moléculas!de!agua!de!las!zonas!más!hidratadas!de!la! hoja!son!atraídas!hacia!esta!zona!y!así!disminuye!la!tensión.!Estas!fuerzas!de!atracción!se!transfieren!al!xilema!porque!las! moléculas! de! agua! están! unidas! entre! sí! de! forma! cohesiva! por! uniones! de! hidrógeno.! Así,! la! atracción! por! transpiración! depende!de!algunas!propiedades!especiales!del!agua!como!la:!adhesión,!cohesión!y!tensión!superficial.! Un! aspecto! importante! de! esta! relación! es! que! en! el! rango! de! los! potenciales! hídricos! experimentados! por! las! hojas! en! transpiración,!la!concentración!del!vapor!de!agua!en!el!equilibrio!está!próxima!a!la!concentración!de!saturación!del!vapor! de!agua.!! El!papel!de!la!presión!negativa!coincide!con!lo!que!hemos!estudiado!acerca!de!la!ecuación!del!potencial!de!agua!porque!la! presión! (tensión)! negativa! disminuye! el! potencial! hídrico! (potencial! del! agua).! El! agua! se! traslada! desde! una! zona! con! potencial!alto!hacia!una!zona!con!potencial!bajo;!por!lo!tanto,!el!aumento!de!la!presión!negativa!en!la!interfase!airegagua! produce!el!paso!de!agua!desde!las!células!del!xilema!hacia!las!células!del!mesófilo,!que,!a!su!vez,!ceden!agua!a!los!espacios! aéreos,! donde! el! agua! se! difunde! a! través! de! los! estomas! debido! a! diferencias! de! concentración! de! vapor! de! agua! (causando!diferencias!de!potencial)!del!interior!de!la!hoja!y!el!aire.! El!segundo!factor!importante!que!gobierna!la!pérdida!de!agua!desde!la!hoja!es!la!resistencia!a!la!difusión!de!la!ruta!de!la! transpiración,!que!consta!de!dos!componentes:! !

27!

1. 2.

La! resistencia! estomática! de! la! hoja! (r! ),! que! es! la! resistencia! asociada! a! la! difusión! a! través! de! los! poros! estomáticos,! La!resistencia!debida!a!la!capa!estacionaria!de!aire!próxima!a!la!superficie!de!la!hoja,!a!través!de!la!cual!el!vapor!de! agua! debe! difundir! para! alcanzar! el! aire! en! régimen! turbulento! a! la! atmósfera.! Esta! segunda! resistencia,!r! ,! se! conoce! como! la! resistencia! de! la! capa! estacionaria! de! la! hoja.! Se! analizará! este! tipo! de! resistencia! antes! de! considerar!la!resistencia!estomática.!

V IENTO % El!grosor!de!la!capa!estacionaria!está!determinado!principalmente!por!la!velocidad!del!viento.!Cuando!el!aire!que!rodea!una! hoja!está!en!reposo,!la!capa!estacionaria!de!aire!en!la!superficie!de!la!hoja!puede!ser!tan!gruesa!que!llegue!a!ser!el!principal! factor!que!limita!la!pérdida!de!vapor!de!agua!desde!la!hoja.!En!estas!condiciones,!un!aumento!en!la!apertura!estomática! tiene!un!efecto!mínimo!en!la!intensidad!de!transpiración.! Cuando!la!velocidad!del!viento!es!alta,!el!aire!en!movimiento!reduce!el!grosor!de!la!capa!estacionaria!en!la!superficie!de!la! hoja,!reduciendo!la!resistencia!de!esta!capa.!Bajo!estas!condiciones,!es!la!resistencia!estomática!la!que!ejerce!el!principal! control!sobre!la!pérdida!de!agua!de!la!hoja.!

A SPECTOS%ANATÓMICOS % Diversos! aspectos! anatómicos! y! morfológicos! de! la! hoja! pueden! alterar! el! grosor! de! la! capa! estacionaria.! Los! pelos! en! la! superficie! de! las! hojas! pueden! servir! como! cortavientos! microscópicos.! Algunas! plantas! tienen! estomas! hundidos,! proporcionando!una!región!protegida!del!exterior!del!poro!estomático.!El!tamaño!y!forma!de!las!hojas!también!influye!en!el! modo!en!que!el!viento!barre!la!superficie!de!la!hoja.!Aunque!éstos!y!otros!factores!pueden!influir!en!la!capa!estacionaria,! no!son!características!que!puedan!ser!alteradas!en!un!rango!de!hojas!o!de!días.!Para!la!regulación!a!corto!plazo,!el!control! de!la!apertura!estomática!por!las!células!guarda!juega!el!papel!principal!en!la!regulación!de!la!transpiración!de!la!hoja.!

TEMPERATURA! Las! plantas! tienden! a! calentarse! debido! al! aporte! de! energía! radiante! del! sol.! El! elevado! calor! de! vaporización! del! agua! permite!a!las!plantas!enfriarse!al!evaporar!el!agua!de!la!superficie!de!sus!hojas,!esto!implica!que!a!mayores!temperaturas!la! planta!tenderá!a!incrementar!la!transpiración!evitando!así!llegar!a!temperaturas!que!podrían!causar!su!muerte.!Debido!a! esto!la!transpiración!es!un!componente!importante!de!la!regulación!de!la!temperatura!de!las!plantas.!

H UMEDAD%RELATIVA 3% La!transpiración,!o!difusión!de!agua!a!través!de!los!estomas,!es!tanto!más!intensa!cuanto!más!lejos!está!el!aire!de!su!punto! de! saturación.! En! otras! palabras,! la! difusión! será! más! rápida! cuanto! mayor! sea! la! diferencia! entre! la! presión! del! vapor! dentro!de!las!hojas!(en!los!espacios!intercelulares!o!cámaras!subestomáticas)!y!la!presión!del!vapor!en!la!atmósfera.!El!aire! dentro!de!las!hojas!siempre!tiene!una!humedad!relativa!cercana!al!100%,!pues!las!paredes!de!las!células!del!mesófilo!están! siempre!húmedas!y!causan!la!saturación!de!dicho!aire.& &

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 3!Humedad! relativa:! se! define! como! la! razón! entre! la! presión! parcial! del! vapor! de! agua! y! la! presión! de! vapor! saturado! a! una! temperatura!dada.!En!consecuencia,!cuando!la!humedad!es!cercana!al!100%,!el!aire!retiene!casi!todo!el!vapor!de!agua!que!puede.!

!

28!

NUTRICIÓN!MINERAL! Los!nutrientes!minerales!son!elementos!incorporados!principalmente!en!forma!de!iones!inorgánicos.!Aunque!los!nutrientes! minerales!siguen!un!ciclo!a!través!de!todos!los!organismos,!entran!en!la!biosfera!a!través!del!sistema!radical!de!la!planta,! por!lo!que!en!cierto!modo!las!plantas!son!los!“mineros”!de!la!corteza!terrestre.!La!gran!área!superficial!de!las!raíces!y!su! capacidad!para!absorber!nutrientes!minerales!a!bajas!concentraciones!en!el!suelo!hacen!de!la!absorción!mineral!un!proceso! muy!eficaz.!Tras!su!absorción!por!las!raíces,!los!nutrientes!minerales!son!distribuidos!a!diferentes!partes!de!la!planta!para! su! utilización! en! importantes! funciones! biológicas.! Otros! organismos,! como! hongos! micorrízicos! y! bacterias! fijadoras! de! nitrógeno,!participan!con!frecuencia!con!los!sistemas!radicales!en!la!adquisición!de!nutrientes.! El!estudio!del!modo!de!asimilación!de!los!nutrientes!minerales!por!parte!de!las!plantas!se!denomina!nutrición!mineral.!Esta! área! de! investigación! constituye! el! centro! de! la! agricultura! moderna! y! la! protección! del! medio! ambiente.! Los! altos! rendimientos!agrícolas!dependen!en!gran!medida!de!la!fertilización!con!nutrientes!minerales.!De!hecho,!los!rendimientos! de!la!mayoría!de!los!cultivos!aumentan!linealmente!con!la!cantidad!de!fertilizante!que!absorben.!Para!satisfacer!la!creciente! demanda!de!alimento,!la!demanda!mundial!de!elementos!minerales!en!fertilizantes!primarios!(nitrógeno,!fósforo!y!potasio)! pasó! de! los! 112! millones! de! toneladas! métricas! en! 1980! a! los! 143! millones! de! toneladas! métricas! en! 1990,! y! se! ha! mantenido!constante!en!la!última!década.! No!obstante,!los!cultivos!vegetales!emplean!menos!de!la!mitad!del!fertilizante!que!se!les!aplica.!El!resto!de!minerales!se! lixivian!a!las!aguas!superficiales!o!subterráneas,!y!se!unen!a!las!partículas!del!suelo!o!contribuyen!a!la!contaminación!del! aire.!Como!consecuencia!de!la!lixiviación!de!fertilizantes,!muchas!aguas!en!los!Estados!Unidos!sobrepasan!los!estándares! federales! de! contenido! en! nitrógeno! del! agua! potable.! Las! plantas! son! el! método! tradicional! de! reciclaje! de! los! residuos! minerales! y! constituyen! una! forma! útil! de! eliminar! minerales! perjudiciales! de! residuos! tóxicos.! Debido! a! la! naturaleza! compleja! de! las! relaciones! plantagsuelogatmósfera,! las! investigaciones! en! esta! área! implican! a! químicos! atmosféricos,! edafólogos,!hidrólogos,!microbiólogos!y!ecólogos,!así!como!a!fisiólogos!vegetales.!

PERFIL!DE!SUELO! La!estructura!del!suelo!es!como!el!estado!del!mismo,!que!resulta!de!la!granulometría!de!los!elementos!que!lo!componen!y! del!modo!como!se!hallan!éstos!dispuestos.!La!evolución!natural!del!suelo!produce!una!estructura!vertical!estratificada!(no! en! el! sentido! que! tiene! estratificación! en! ecología)! a! la! que! se! conoce! como! perfil.! Las! capas! que! se! observan! se! llaman! horizontes!y!su!diferenciación!se!debe!tanto!a!su!dinámica!interna!como!al!transporte!vertical.! El!transporte!vertical!tiene!dos!dimensiones!con!distinta!influencia!según!los!suelos:! • •

La!lixiviación!o!lavado!la!produce!el!agua!que!se!infiltra!y!penetra!verticalmente!desde!la!superficie,!arrastrando! sustancias!que!se!depositan!sobre!todo!por!adsorción.! La! otra! dimensión! es! el! ascenso! vertical! por! capilaridad,! importante! sobre! todo! en! los! climas! donde! alternan! estaciones!húmedas!con!estaciones!secas.!

Se!llama!roca!madre!a!la!que!proporciona!su!matriz!mineral!al!suelo.!Se!distinguen!suelos!autóctonos,!que!se!asientan!sobre! su!roca!madre!y!representan!la!situación!más!común.!debemos!de!tener!en!cuenta!que!el!suelo!es!parte!de!nuestra!vida!

HORIZONTES%DEL%SUELO % Se! llama! horizontes! del! suelo! a! una! serie! de! estratos! horizontales! que! se! desarrollan! en! el! interior! del! mismo! y! que! presentan! diferentes! caracteres! de! composición,! textura,! adherencia,! etc.! El! perfil! del! suelo! es! la! ordenación! vertical! de! todos!estos!horizontes.!

!

29!

Clásicamente,!se!distingue!en!los!suelos!completos!o!evolucionados!tres!horizontes!fundamentales!que!desde!la!superficie! hacia!abajo!son:! 1. 2.

3.

4.

5.

Horizonte! O,! o! capa! superficial! del! horizonte! A:! es! la! parte! más! superficial!del!suelo,!formado!por!hojas,!ramas!y!restos!vegetales.! Horizonte!A,!o!zona!de!lavado!vertical:!es!el!más!superficial!y!en!él! enraíza!la!vegetación!herbácea.!Su!color!es!generalmente!oscuro! por! la! abundancia! de! materia! orgánica! descompuesta! o! humus! elaborado,! determinando! el! paso! del! agua! arrastrándola! hacia! abajo,!de!fragmentos!de!tamaño!fino!y!de!compuestos!solubles.! Horizonte! B! o! zona! de! precipitado:! carece! prácticamente! de! humus,! por! lo! que! su! color! es! más! claro! (pardo! o! rojo),! en! él! se! depositan!los!materiales!arrastrados!desde!arriba,!principalmente,! materiales! arcillosos,! óxidos! e! hidróxidos! metálicos,! etc.,! situándose!en!este!nivel!los!encostramientos!calcáreos!áridos!y!las! corazas!lateríticas!tropicales.! Horizonte!C!o!subsuelo:!está!constituido!por!la!parte!más!alta!del! material! rocoso! in! situ,! sobre! el! que! se! apoya! el! suelo,! más! o! menos! fragmentado! por! la! alteración! mecánica! y! la! química! (la! alteración! química! es! casi! inexistente! ya! que! en! las! primeras! etapas! de! formación! de! un! suelo! no! suele! existir! colonización! orgánica),! pero! en! él! aún! puede! reconocerse! las! características! originales!del!mismo.! Horizonte! D,! horizonte! R,! roca! madre! o! material! rocoso:! es! el! material!rocoso!subyacente!que!no!ha!sufrido!ninguna!alteración! química!o!física!significativa.!Algunos!distinguen!entre!D,!cuando!el!suelo!es!autóctono!y!el!horizonte!representa!a! 80 Ch a p ter 5 la!roca!madre,!y!R,!cuando!el!suelo!es!alóctono!y!la!roca!representa!sólo!una!base!física!sin!una!relación!especial! con!la!composición!mineral!del!suelo!que!tiene!encima.!

In the desert, the roots of mesquite (genus Prosopis) may extend down more than 50 m to reach groundwater. Annual LARGO%DE%RAÍCES%EN%DIFERENTES%PLANTAS % usually grow between 0.1 and crop plants have roots that 2.0 m in depth and extend laterally to distances of 0.3 to 1.0 La!habilidad!de!las!plantas!para!obtener!tanto!agua!como!nutrientes!del! m. In orchards, the major root systems of trees planted 1 m suelo! esta! relacionado!apart con!reach la! acapacidad! de! un!The sistema! total length of 12 desarrollar! to 18 km per tree. annual production of roots in natural ecosystems may easily surradicular!amplio.!En!el!desierto,!las!raíces!de!Prosopis!puede!extenderse! that of shoots, so in many respects, the aboveground más! de! 50! metros! hacia! abajo! para! alcanzar! los! canales! de! agua! portions of a plant represent only “the tip of an iceberg.” subterráneos.! Las! plantas! anuales! tienen! raíces! que! the crecen! Plant roots may grow continuously throughout year. Their however, depends ony!the of generalmente! entre! 0,1! a! proliferation, 2! metros! en! profundidad! se!availability extienden! water and minerals in the immediate microenvironment lateralmente! distancias!surrounding de! 0,3! a! the 1,0!root, metros.! La! producción! de! the so-called rhizosphere.anual! If the rhizosphere ispodría! poor in sobrepasar! nutrients or too dry,los! roottallos,! growthasi! is raíces! en! ecosistemas! naturales! el! de! slow. As rhizosphere conditions improve, root growth que! en! muchos! aspectos,! la! porción! superior! de! la! planta! representa! increases. If fertilization and irrigation provide abundant solamente!la!punta!del!iceberg.! nutrients and water, root growth may not keep pace with shoot growth. Plant growth under such conditions becomes carbohydrate limited, and a relatively small root Las!raíces!de!la!planta!pueden!crecer!continuamente!a!lo!largo!del!año.! system meets the nutrient needs of the whole plant (Bloom Su! proliferación,! sin! embargo,! depende! de! la!below disponibilidad! de!are agua! et al. 1993). Roots growing the soil surface stud-y! Web Topic 5.2) ied by special inmediato! techniques (see minerales! en! el! microambiente! alrededor! de!. las! raíces,!

también! llamado! rizosfera.! la! rizosfera! es!Form pobre! Root Si! Systems Differ in buten! Arenutrientes! Based on o! es! Common Structures muy! seca,! el! crecimiento! de! las! raíces! es! lento.! A! medida! que! las!

!

The form of the root system differs greatly among plant species. In monocots, root development starts with the emergence of three to six primary (or seminal) root axes 30! the plant from the germinating seed. With further growth, extends new adventitious roots, called nodal roots or brace roots. Over time, the primary and nodal root axes grow and branch extensively to form a complex fibrous root system (Figure 5.6). In fibrous root systems, all the roots generally

(A) Dry soil

(B) Irrigated soil

30 cm

FIGURE 5.6 Fibrous root systems of wheat (a monocot). (A) The root system of a mature (3-month-old) wheat plant growing in dry soil. (B) The root system of a wheat plant growing in irrigated soil. It is apparent that the morphology of the root system is affected by the amount of water present in the soil. In a fibrous root system, the primary root axes are no longer distinguishable. (After Weaver 1926.)

that it lubricates the penetration of the root through the soil, protects the root apex from desiccation, promotes the transfer of nutrients to the root, or affects the interaction between roots and soil microorganisms (Russell 1977). The root cap is central to the perception of gravity, the signal

condiciones! van! mejorando,! el! crecimiento! aumenta.! Si! la! fertilización! y! la! irrigación! proveen! nutrientes! y! agua! en! abundancia,!el!crecimiento!de!las!raíces!puede!que!no!mantenga!el!ritmo!del!crecimiento!del!tallo.!El!crecimiento!de!las! plantas! en! tales! condiciones! se! ve! limitado! por! carbono,! y! un! sistema! radicular! relativamente! pequeño! se! topa! con! las! necesidades!de!toda!la!planta.! Las! plantas! han! generado! adaptaciones! al! clima! en! el! que! viven,! siendo! uno! de! ellos! el! largo! óptimo! de! sus! raíces.! Las! plantas!adaptadas!al!climas!desérticos!tenderán!a!generar!raíces!más!largas!para!poder!alcanzar!las!aguas!subterráneas,!en! cambio!las!que!viven!en!lugares!más!húmedos!tendrán!raíces!más!cortas!ya!que!las!capas!superiores!del!suelo!dispondrán! de!agua!suficiente.!

!

NIVEL!ÓPTIMO!DE!UN!NUTRIENTE! Los!requerimientos!de!elementos!minerales!va!cambiando!durante!el!crecimiento!y!desarrollo!de!la!planta.!En!plántulas,!los! niveles!de!nutrientes!en!ciertos!estados!de!crecimiento!influencian!la!producción!de!tejidos!económicamente!importantes! (granos,!etc).!Para!optimizar!la!producción,!los!granjeros!analizan!los!niveles!de!nutrientes!en!el!suelo!y!en!los!tejidos!para! determinar!los!fertilizantes!a!utilizar.! El!análisis!del!suelo!es!una!determinación!química!de!los!nutrientes!contenidos!en!una!muestra!de!la!zona!cercana!a!la!raíz.! La! química! y! la! biología! de! los! suelos! es! compleja,! y! los! resultados! de! los! análisis! con! el! método! de! muestreo,! las! condiciones!de!almacenamiento,!y!las!técnicas!de!extracción.!Quizás!más!importante!aún!es!el!análisis!particular!que!refleja! los!niveles!de!nutrientes!potencialmente!disponibles!para!las!raíces!de!la!planta,!ya!que!los!análisis!del!suelo!no!te!entregan! cuanta! cantidad! necesita! o! es! capaz! de! absorber! la! planta! de! un! mineral! determinado.! Esta! información! adicional! se! encuentra!mejor!determinada!por!los!análisis!de!los!tejidos.!

!

31!

Un! uso! adecuado! del! análisis! de! los! tejidos! vegetales! implica! una! comprensión! de! la! relación! entre! el! crecimiento! de! la! planta! (o! rendimiento)! y! la! concentración! mineral! de! las! muestras! de! tejidos! vegetales.! Como! muetran! los! datos! de! la! Figura!5.3,!cuando!la!concentración!de!nutrientes!en!una!muestra!de!tejido!es!baja,!el!crecimiento!se!reduce.!En!esta!zona! de!carencia!de!la!curva,!un!aumento!en!la!disponibilidad!del!nutriente!está!directamente!relacionado!con!un!aumento!del! crecimiento! o! la! producción.! A! medida! que! se! incrementa! la! disponibilidad! del! nutriente,! el! crecimiento! aumenta! hasta! alcanzar! un! punto! en! el! que! la! adición! del! nutriente! deja! de! provocar! el! aumento! del! crecimiento! o! del! rendimiento,! aunque!se!aprecia!un!incremento!en!la!concentración!en!el!tejido.!Esta!región!de!la!curva!se!denomina!zona!óptima.! La!transición!entre!la!zona!de!carencia!y!la!zona!óptima!se!denomina!concentración!crítica!del!nutriente,!y!puede!definirse! como! el! contenido! mínimo! de! un! nutriente! en! un! tejido! que! tiene! relación! directa! con! el! crecimiento! o! la! producción! máxima.!A!medida!que!el!contenido!de!nutriente!en!el!tejido!sobrepasa!la!zona!de!crecimiento!adecuado,!el!crecimiento!o! el!rendimiento!se!reduce!debido!a!la!toxicidad!(esta!es!la!zona!tóxica).! Para! evaluar! la! relación! entre! el! crecimiento! y! el! contenido! de! un! nutriente! en! un! tejido,! los! investigadores! cultivan! las! plantas!en!suelos!o!en!soluciones!nutritivas!de!todos!los!nutrientes,!excepto!el!que!se!está!estudiando,!están!presentes!en! cantidades! adecuadas.! Al! inicio! del! experimento,! este! nutriente! limitante! se! añade! a! concentraciones! crecientes! a! diferentes! grupos! de! plantas! y! las! concentraciones! del! nutriente! en! tejidos! específicos! se! correlacionan! con! medidas! concretas!de!crecimiento!o!de!rendimiento.!Se!establecen!varias!curvas!por!elemento,!una!para!cada!tejido!y!edad.! Como! los! suelos! agrícolas! suelen! tener! concentraciones! limitadas! de! nitrógeno,! fósforo! y! potasio,! muchos! agricultores! utilizan!de!forma!rutinaria,!como!mínimo,!curvas!para!estos!elementos.!Así,!si!se!sospecha!una!carencia!de!un!nutriente,!se! puede!corregir!antes!de!que!afecte!al!crecimiento!o!a!la!producción.!El!análisis!vegetal!ha!sido!muy!útil!en!el!desarrollo!de! los!programas!de!fertilización!para!mantener!la!producción!y!asegurar!la!buena!calidad!de!muchos!cultivos.!

!

!

32!

LEY%DEL%MÍNIMO%DE%LIEBIG% Es! un! principio! desarrollado! en! la! ciencia! agrícola! por! Carl! Sprengel! (1828)! y! más! tarde! popularizado! por! Justus! von! Liebig.! Afirma! que! el! crecimiento! no! es! controlado!por!el!monto!total!de!los!recursos!disponibles,!sino!por!el!recurso!más! escaso.! Este!concepto!se!aplicó!originalmente!al!crecimiento!de!plantas!y!cultivos,!donde!se! encontró! que! el! aumento! de! la! cantidad! de! nutriente! mas! abundante! no! hacía! aumentar! el! crecimiento! de! las! plantas.! Sólo! mediante! el! aumento! de! la! cantidad! del! nutriente! limitante! (el! más! escaso)! se! podía! mejorar! el! crecimiento! de! una! planta!o!cultivo.!Este!principio!puede!ser!resumido!en!el!aforismo:!"la!disponibilidad! del! nutriente! más! abundante! en! el! suelo! es! como! la! disponibilidad! del! nutriente! menos!abundante!en!el!suelo."! Liebig!usó!la!imagen!de!un!barril,!que!ahora!se!llama!el!barril!de!Liebig!para!explicar! su! ley.! Así! como! la! capacidad! de! un! barril! con! duelas! de! distinta! longitud! está! limitada!por!la!más!corta,!el!crecimiento!de!una!planta!se!ve!limitado!por!el!nutriente!más!escaso.!

DIFERENTES%ZONAS%DE%LA%RAÍZ%ABSORBEN%DIFERENTES%IONES%MINERALES% El! punto! exacto! de! entrada! de! minerales! en! el! sistema! radical! es! un! tema! que! ha! suscitado! gran! interés.! Algunos! investigadores! han! afirmado! que! la! absorción! de! nutrientes! tiene! lugar! únicamente! por! la! región! apical! de! los! ejes! principales!o!secundarios;!mientras!que!otros!creen!que!la!absorción!tiene!lugar!por!toda!la!superficie!de!la!raíz.!! Las!altas!tasas!de!absorción!de!nutrientes!en!la!zona!de!la!raíz! apical! resulta! de! la! gran! demanda! de! nutrientes! en! estos! tejidos!y!la!gran!disponibilidad!de!nutrientes!en!el!suelo!que!lo! rodea.! Por! ejemplo,! la! elongación! celular! depende! de! la! acumulación! de! solutos! como! el! potasio,! cloro,! y! nitrato! para! incrementar! la! presión! osmótica! en! la! célula.! El! amonio! es! la! fuente!de!nitrógeno!preferida!para!apoyar!la!división!celular!en! el!meristema!debido!a!que!los!tejidos!meristemáticos!tienen!en! general! deficiencias! en! carbohidratos,! y! la! asimilación! del! amonio! consume! menos! energía! que! la! de! otros! nitratos.! La! raíz!apical!y!los!pelos!radicales!crecen!en!suelos!frescos,!donde! los! nutrientes! aun! no! se! han! agotado.! El! agua! entra! principalmente! a! través! de! los! pelos! radicales! y! en! regiones! donde!hay!poco!grado!de!suberización!de!la!raíz.!

NUTRIENTES!ESENCIALES,!CARENCIAS!Y!DESÓRDENES!VEGETALES! Sólo! algunos! elementos! son! considerados! esenciales! para! el! crecimiento! vegetal.! Se! define! un! elemento! esencial! como! aquél!cuya!ausencia!impide!a!la!planta!completar!su!ciclo!vital!o!aquél!que!tiene!un!papel!fisiológico!claro.!La!disponibilidad! de!estos!elementos!esenciales!y!la!energía!de!la!luz!del!sol!permiten!a!las!plantas!la!síntesis!de!todos!los!compuestos!que! son!necesarios!para!su!crecimiento!normal.!En!la!Tabla!5.1!se!muestran!los!elementos!que!se!consideran!esenciales!para!la! mayoría! de! las! plantas! superiores,! pero! no! todas.! Los! tres! primeros! elementos! (hidrogeno,! carbono,! oxígeno)! no! se! consideran!nutrientes!minerales!porque!se!obtienen!principalmente!a!partir!del!agua!y!del!dióxido!de!carbono.!! ! !

33!

of plants, the symptoms of specific nutritional deficiencies, tion and reduction. and the use of fertilizers to ensure proper plant nutrition. Then we will examine how soil and root structure influence 2. The second group is important in energy storage the transfer of inorganic nutrients from the environment reactions or in maintaining structural integrity. into a plant. Finally, we will introduce the topic of mycorElements in this group are often present in plant tissues as phosphate, borate, and silicate esters in which rhizal associations. Chapters 6 and 12 address additional the elemental group is bound to the hydroxyl group aspects of solute transport and nutrient assimilation, Crespectively. LASIFICACIÓN%DE%LOS%NUTRIENTES%ESENCIALES % of an organic molecule (i.e., sugar–phosphate). Los! elementos! esenciales! se! clasifican! normalmente! en! macronutrientes! y! micronutrientes,! de! acuerdo! con! su! 3. The third group is present in plant tissue as either concentración!relativa!en!el!tejido!vegetal.!En!algunos!casos,!las!diferencias!en!el!contenido!tisular!de!macronutrientes!y! free ions or ions bound to substances such as the pecESSENTIAL NUTRIENTS, DEFICIENCIES, micronutrientes!no!son!tan!grandes!como!las!que!se!muestran!en!la!Tabla!5.1.!Por!ejemplo,!algunos!tejidos!vegetales!como! tic acids present in the plant cell wall. Of particular AND PLANT DISORDERS their roles as enzyme and in el! mesofilo,! tienen! casi! tanto! hierro! o! manganeso! como! azufre!importance o! magnesio.!are Con! frecuencia! muchos!cofactors elementos! están! Only certain elements have been determined to be essenthe regulation of osmotic potentials. presentes!en!concentraciones!mayores!que!las!cantidades!mínimas!necesarias!para!la!planta.! tial for plant growth. An essential element is defined as 4. The fourth group has important roles in reactions one whose absence prevents a plant from completing its Algunos!investigadores!han!argumentado!que!una!clasificación!en!macronutrientes!y!micronutrientes!es!difícil!de!justificar! involving electron transfer. life cycle (Arnon and Stout 1939) or one that has a clear fisiológicamente.!Mengel!y!Kirkby!(1987)!han!propuesto!que!los!elementos!esenciales!deberían!clasificarse!de!acuerdo!con! physiological role (Epstein 1999). If plants are given these Naturally occurring elements, other than those listed in su!papel!biológico!y!su!función!fisiológica.!Esta!clasificación!se!muestra!en!la!Tabla!5.2,!en!la!que!los!nutrientes!vegetales!se! essential elements, as well as energy from sunlight, they Table 5.1, can also accumulate in plant tissues. For examcan synthesize all the compounds they need for normal ple, aluminum is not considered to be an essential element, han!dividido!en!cuatro!grupos!básicos:! growth. Table 5.1 lists the elements that are considered to but plants commonly contain from 0.1 to 500 ppm alube essential for most, if not all, higher plants. The first three minum, and addition of low levels of aluminum to a nutri1. El! primer! grupo! incluye! los! elementos! que! forman! los! compuestos! orgánicos! (con! carbono)! de! la! planta.! Las! elements—hydrogen, carbon, and oxygen—are not conent solution may stimulate plant growth (Marschner 1995). plantas!asimilan!estos!nutrientes!en!reacciones!bioquímicas!que!incluyen!la!carboxilación!y!la!oxidacióngreducción.! sidered mineral nutrients because 2. El! segundo! grupo! tiene! una! they are obtained primarily from gran! importancia! en! el!! TABLE 5.1 water or carbon dioxide. Adequate tissue levels of elements that may be required by plants almacenamiento! de! energía! Essential mineral elements are Concentration Relative number of o!en!mantener!la!integridad! usually classified as macronutrients Chemical in dry matter atoms with respect or micronutrients, according to estructural.! Elementos! en! Element symbol (% or ppm)a to molybdenum their relative in plant este! concentration grupo! están! presentes! Obtained from water or carbon dioxide tissue. In some cases, the differen! los! tejidos! como! fosfato,! Hydrogen H 6 60,000,000 ences in tissue content of macronuborato,! y! esteres! de! silicato! Carbon C 45 40,000,000 trients and micronutrients are not Oxygen O 45 30,000,000 los! indicated que! el! grupo! as great en! as those in Table Obtained from the soil esta! plant unido! 5.1. For elemental! example, some tis-al! sues, such as the leaf mesophyll, grupo! hidroxilo! de! una! Macronutrients have almost as muchogánica! iron or manNitrogen N 1.5 1,000,000 molécula! (ej:! ganese as they do sulfur or magnePotassium K 1.0 250,000 fosfatogazucar).! Calcium Ca 0.5 125,000 sium. Many elements often are pre3. El!ercer!grupo!esta!presente! Magnesium Mg 0.2 80,000 sent in concentrations greater than en!minimum los! tejidos! de! la! planta! Phosphorus P 0.2 60,000 the plant’s requirements. Sulfur S 0.1 30,000 como! iones! libres! o! Sometanto! researchers have argued Silicon Si 0.1 30,000 that a classification macro- a! como! iones!intounidos! Micronutrients nutrients and micronutrients is substratos! como! ácidos! Chlorine Cl 100 3,000 difficult to justify physiologically. peptídicos! presentes! en! la! Iron Fe 100 2,000 Mengel and Kirkby (1987) have pared! Su! rol!elemás! Boron B 20 2,000 proposed that celular.! the essential Manganese Mn 50 1,000 es! accordcomo! ments beimportante! classified instead Sodium Na 10 400 cofactores! de! enzimas! y! de! ing to their biochemical role and Zinc Zn 20 300 physiological function. 5.2 regulación! del! Table potencial! Copper Cu 6 100 shows osmótico.! such a classification, in Nickel Ni 0.1 2 which plant nutrients have been Molybdenum Mo 0.1 1 4. El! cuarto! grupo! tiene! roles! divided into four basic groups: Source: Epstein 1972, 1999. importantes! en! las! 1. The first group of essential elea The values for the nonmineral elements (H, C, O) and the macronutrients are percentages. The reacciones! ments forms the relacionadas! organic (car- a! la! values for micronutrients are expressed in parts per million. transferencia!de!electrones.!!

Los! elementos! que! se! encuentren! de! forma! natural,! además! de! los! nombrados! en! la! Tabla! 5.1,! también! pueden! ser! acumulados!en!tejidos!celulares.!Por!ejemplo,!el!aluminio!no!es!considerado!como!un!elemento!esencial,!pero!las!plantas!

!

34!

contienen!generalmente!entre!0,1!a!500!ppm!de!este,!y!la!adición!de!bajos!niveles!de!aluminio!a!la!solución!de!nutrientes! puede!estimular!el!crecimiento!de!la!planta.! El!cobalto!es!parte!de!la!cobalamina!(vitamina!B12!y!sus!derivados),!un!componente!de!varias!enzimas!en!los!organismos! fijadores!de!nitrógeno.!Así,!una!carencia!de!cobalto!bloquea!el!desarrollo!y!función!de!los!nódulos!fijadores!de!nitrógeno!a! las! que! se! les! aporta! amonio! o! nitrato,! no! requieren! cobalto.! Normalmente! los! cultivos! vegetales! contienen! cantidades! relativamente!pequeñas!de!los!elementos!esenciales.!

! !

35!

cells. Citric acid may play a major role in iron chelation and its long-distance transport in the xylem.

Even though each essential element participates in many different metabolic reactions, some general statements about the functions of essential elements in plant metaboMineral Deficiencies Disrupt Plant Metabolism lism are possible. In general, the essential elements function and Function in plant structure, metabolic function, and osmoregulation Inadequate supply of an essential element results in a of plant cells. More specific roles may be related to the abilnutritional disorder manifested by characteristic deficiency ity of divalent cations such %as calcium or magnesium to LAS%CARENCIAS%MINERALES%INTERRUMPEN%EL%METABOLISMO%Y%LAS%FUNCIONES%VEGETALES symptoms. In hydroponic culture, withholding of an essenmodify the permeability of plant membranes. In addition, El! aporte! inadecuado! de! un! elemento! esencial! provoca! un! desorden! nutricional! que! se! manifiesta! en! síntomas! tial element can be readily correlated with a given set of research continues to reveal specific roles of these elements característicos!de!dicha!carencia.!En!los!cultivos!hidropónicos!es!posible!asociar!la!carencia!de!un!elemento!esencial!con!un! symptoms for acute deficiencies. Diagnosis of soil-grown in plant metabolism; for example, calcium acts as a signal conjunto!de!síntomas!de!deficiencia!aguda.!En!las!plantas!que!crecen!en!el!suelo!(en!contraposición!a!las!hidropónicas),!el! plants can be more complex, for the following reasons: to regulate key enzymes in the cytosol (Hepler and Wayne 1985; Sanders et al. 1999). Thus, most essential elements diagnóstico!puede!ser!más!complejo,!debido!a!las!siguientes!razones:! have multiple roles in plant metabolism. When relating acute deficiency symptoms to a particu• Se!pueden!producir!carencias!crónicas!y!agudas!de!varios!elementos!simultáneamente.! lar essential element, an important clue is the extent to La!carencia!o!el!exceso!de!un!elemento!puede!inducir!una!carencia!o!una!acumulación!excesiva!de!otro.! O (A) • O O which an element can be recycled from older to younger –• Algunos!virus!inducen!enfermedades!en!las!plantas!cuyos!síntomas!son!similares!a!los!que!producen!las!carencias! O C CH2 CH2 C O– leaves. Some elements, such as nitrogen, phosphorus, and O– CH2 C nutritivas.! O potassium, can readily move from leaf to leaf; others, such NCH2CH2NCH2CH2N O – as boron, iron, and calcium, are relatively immobile in most O C CH2 O–en! una! planta! son! la! expresión! de! desórdenes! metabólicos! consecuencia! del! CH2 C Los! síntomas! de! las! carencias! de! nutrientes! plant species (Table 5.4). If an essential element is mobile, aporte!insuficiente!de!un!elemento!esencial.!Estos!desórdenes!están!relacionados!con!algunas!funciones!desarrolladas!por! deficiency symptoms tend to appear first in older leaves. O (B) anTabla! immobile essential element willelementos! become los! elementos! esenciales! en! el! metabolismo! normal! de! una!Deficiency planta.! En!ofla! 5.2! se! muestran! algunos! C O– evident first in younger leaves. Although the precise mechesenciales! y! su! papel! en! las! células! vegetales.! Aunque! cada! elemento! esencial! participa! en! diferentes! reacciones! CH2 anisms of nutrient mobilization are not well understood, metabólicas,!se!pueden!establecer!ciertas!funciones!primordiales.! O

CH2CH2

CH2CH2

N

O

Al! hablar! síntomas! de! deficiencias! – – Fe3+ O C de! CHlos! N N agudas! CH2 C de!Olos! 2 – O elementos! esenciales,! una! pista! importante! es! la! extensión! CH2 CH2 C del! reciclaje! del! elemento! desde! hojas! viejas! a! las! más! O jóvenes.!Algunos!elementos,!como!el!nitrógeno,!el!fósforo,!y! C O– el! potasio,! pueden! rápidamente! moverse! de! hoja! en! hoja;! O otros,! como! el! boro,! hierro,! y! el! calcio,! son! relativamente! inmóviles!en!la!mayor!parte!de!las!especies!(Tabla!5.4).!Si!un! FIGURE 5.2 Chemical structure of the chelator DTPA by 3+ ion (B). Iron binds to itself (A) andesencial! chelated tiene! to an Femovilidad,! elemento! los! síntomas! de! DTPA through interaction with three nitrogen atoms and deficiencia! ! tienden! a! aparecer! en! las!groups hojas! más! the three ionized oxygen atoms of primero! the carboxylate (Sievers and Bailar 1962). resulting inmóviles! ring structure viejas.! La! deficiencia! de!The elementos! se! vera! de! clamps the metallic ion and effectively neutralizes its reacforma!evidente!primero!en!las!hojas!más!jóvenes.!Aunque!el! tivity in solution. During the uptake of iron at the root surmecanismo! preciso! la! movilización! los!is nutrientes! face, Fe3+ appears to de! be reduced to Fe2+, de! which released no! from the DTPA–iron complex. The chelator can then bind to se! entiende! completamente,! las! fitohormonas,! tales! como! other available Fe3+ ions. citoquininas,!se!cree!que!participan.!!

TABLE 5.4 Mineral elements classified on the basis of their mobility within a plant and their tendency to retranslocate during deficiencies Mobile

Immobile

Nitrogen Potassium Magnesium Phosphorus Chlorine Sodium Zinc Molybdenum

Calcium Sulfur Iron Boron Copper

Note: Elements are listed in the order of their abundance in the plant.

A!continuación!se!hablará!del!efecto!en!la!deficiencia!de!algunos!de!los!elementos!esenciales.!

Grupo 1: Carencias de nutrientes que forman parte de los compuestos orgánicos En! este! primer! grupo! se! encuentran! el! nitrógeno! y! el! azufre.! La! disponibilidad! de! nitrógeno! en! los! suelos! limita! la! producción! vegetal! en! la! mayoría! de! los! ecosistemas! agrícolas! y! naturales.! Por! el! contrario,! los! suelos,! generalmente,! contienen!azufre!en!exceso.!Sin!embargo,!el!nitrógeno!y!el!azufre!comparten!la!propiedad!de!contar!con!un!amplio!rasgo!de! estados!de!oxidacióngreducción.!Algunas!de!las!reacciones!más!energéticas!de!los!organismos!vivos!transforman!las!formas! inorgánicas!del!suelo!con!elevados!estados!de!oxidación,!en!formas!altamente!reducidas!en!compuestos!orgánicos!como!los! aminoácidos.! •

!

Nitrógeno:! El! nitrógeno! es! el! elemento! mineral! de! que! las! plantas! necesitan! mayor! cantidad.! Actúa! como! constituyente! de! muchos! componentes! celulares,! como! aminoácidos! y! ácidos! nucleicos.! Así,! una! carencia! de! nitrógeno! inhibe! rápidamente! el! crecimiento! vegetal.! Si! dicha! carencia! persiste,! la! mayoría! de! las! especies! muestran!clorosis!(amarilleo!de!las!hojas),!especialmente!en!las!hojas!más!viejas!cerca!de!la!base!de!la!planta.!En! condiciones!de!carencia!aguda!de!nitrógeno,!estas!hojas!llegan!a!estar!completamente!amarillas!y!acaban!cayendo! 36!

de! la! planta.! Las! hojas! más! jóvenes! no! suelen! mostrar! estos! síntomas! incialmente,! porque! el! nitrógeno! puede! movilizarse! desde! las! hojas! más! viejas.! Así,! una! planta! con! carencia! de! nitrógeno! puede! tener! un! color! verde! brillante!en!las!hojas!superiores!y!un!color!amarillo!en!las!hojas!inferiores.! Cuando! la! carencia! de! nitrógeno! se! desarrollo! lentamente,! las! plantas! pueden! presentar! tallos! muy! delgados! y! leñosos.! Este! aspecto! carencial! puede! ser! debido! a! la! producción! de! un! exceso! de! carbohidratos! que! no! son! utilizados! en! la! síntesis! de! aminoácidos! u! otros! compuestos! de! nitrógeno.! Los! carbohidratos! no! utilizados! en! el! metabolismo!del!nitrógeno!se!pueden!destinar!a!la!síntesis!de!antocianina,!lo!que!provoca!la!acumulación!de!este! pigmento.!Esto!se!aprecia!por!una!coloración!morada!de!hojas!pecíolos!y!tallos!de!algunas!plantas!como!el!tomate! y!ciertas!variedades!de!maíz.!

Grupo 2: Carencias de nutrientes que son importantes en el almacenamiento de energía o en la integridad estructural Este!grupo!incluye!el!fósforo,!el!silicio!y!el!boro.!El!fósforo!y! el! silicio! se! encuentran! en! los! tejidos! vegetales! en! concentraciones! que! aseguran! su! clasificación! como! macronutrientes,! mientras! que! el! boro! es! mucho! menos! abundante! y! se! le! considera! un! micronutriente.! Estos! elementos! se! encuentran! normalmente! en! la! planta! en! forma!de!ésteres!unidos!a!moléculas!orgánicas.! •

!

3g

Fósforo:! El! Fósforo! (como! fosfato! PO4 )! es! un! componente! fundamental! de! compuestos! importantes! de! las! células! vegetales,! como! los! intermediarios!azúcargfosfato!de!la!respiración!y!la! fotosíntesis,!y!los!fosfolípidos!que!forman!parte!de! las! membranas! vegetales.! También! es! un! componente! de! los! nucleótidos! utilizados! en! el! metabolismo! energético! vegetal! (como! el! ATP)! y! en! las! moléculas! de! DNA! y! RNA.! Los! síntomas! característicos! de! la! carencia! de! fósforo! son! el! crecimiento! raquítico! de! las! plantas! jóvenes! y! la! presencia! de! una! coloración! verde! oscura! en! las! hojas,!que!pueden!estar!malformadas!y!presentar! pequeñas! manchas! de! tejido! muerto! llamadas! “manchas!necróticas”.! Al! igual! que! en! la! carencia! de! nitrógeno,! se! pueden! formar! antocianinas! en! exceso,! lo! que! provoca!una!coloración!púrpura!en!las!hojas.!Pero,! a! diferencia! de! lo! que! ocurre! en! la! carencia! por! nitrógeno,!esta!coloración!no!está!asociada!con!la! clorosis.! De! hecho,! es! posible! que! aparezca! una! coloración! verde! oscurogmorada.! Otros! síntomas! adicionales! de! la! carencia! de! fósforo! son! la! producción! de! tallos! finos! (pero! no! leñosos)! y! la! muerte!de!las!hojas!más!viejas.!La!maduración!de! la!planta!puede!retrasarse.! 37!

Grupo 3: Carencias de nutrientes minerales que permanecen en forma iónica Este!grupo!incluye!algunos!de!los!elementos!minerales!más!familiares:!los!macronutrientes!potasio,!calcio,!magnesio,!y!los! micronutrientes!cloro,!manganeso!y!sodio.!Se!pueden!encontrar!en!solución!en!el!citosol!o!en!las!vacuolas,!o!pueden!estar! unidos!electrostáticamente!o!como!ligandos!a!grandes!compuestos!que!contienen!carbono.! •

•

Potasio:! El! potasio,! presente! en! las! plantas! como! catión! K+,! tiene! un! papel! importante! en! la! regulación! del! potencial! osmótico! de! las! células! vegetales.! También! es! un! activador! de! muchas! enzimas! implicadas! en! la! respiración! y! en! la! fotosíntesis.! El! primer! síntoma! observable! de! la! carencia! de! potasio! es! la! presencia! de! un! moteado!o!clorosis!marginal,!que!produce!una!necrosis!que!se!desarolla!primero!en!el!extremo!y!los!márgenes!de! la!hoja!y!entre!los!nervios.!En!muchas!monocotiledóneas,!esas!lesiones!necróticas!pueden!formarse!inicialmente! en!el!extremo!de!la!hoja!y!en!los!márgenes!y!extenderse!hacia!la!base!de!la!hoja.! Debido!a!que!el!potasio!puede!movilizarse!a!las!hojas!más!nuevas,!los!síntomas!aparecen!inicialmente!en!las!hojas! más! maduras! y! hacia! la! base! de! la! planta.! Puede! que! las! hojas! se! doblen! y! arruguen.! Los! tallos! con! deficiencia! serán!más!delgados!y!débiles,!con!regiones!internodales!anormalmente!cortas.!! Magnesio:!En!las!células!de!la!planta,!los!iones!de!magnesio!tienen!un!rol!específico!en!la!activación!de!enzimas! relacionadas!con!la!respiración,!fotosíntesis,!y!en!la!síntesis!de!DNA!y!RNA.!El!magnesio!es!también!parte!del!anillo! de!las!moléculas!de!clorofila.!Un!síntoma!característico!de!la!deficiencia!de!este!es!la!clorosis!entre!las!venas!de!la! hoja,! sucede! primero! en! las! hojas! viejas! debido! a! su! movilidad.! Este! patrón! de! clorosis! sucede! debido! a! que! la! clorofila! cerca! de! los! haces! vasculares! no! se! ve! afectada! por! periodos! de! tiempo! más! largo! que! las! que! están! alejadas.! Si! la! deficiencia! es! muy! alta,! las! hojas! pueden! ponerse! amarillas! o! blancas.! Otro! síntoma! puede! ser! la! abscisión!prematura!de!a!hoja.!

Grupo 4: Carencias de nutrientes minerales que están implicados en reacciones redox Este!grupo!de!cinco!micrionutrientees!incluye!los!metales!hierro,!cinc,!cobre,!níquel!y!molibdeno.!Todos!ellos!pueden!sufrir! oxidaciones! y! reducciones! reversibles! y! tienen! importantes! funciones! en! la! transferencia! de! electrones! y! en! la! transformación!de!energía.!Normalmente!se!encuentran!en!asociación!con!grandes!moléculas!como!citocromos,!clorofilas!y! proteínas!(normalmente!enzimas).! •

Hierro:! El! hierro! tiene! un! papel! importante! como! componente! de! las! enzimas! implicadas! en! la! transferencia! de! electrones!(reacciones!redox),!como!los!citocromos.!En!esta!función,!el!hierro!se!oxida!reversiblemente!de!Fe2+!a! Fe3+!durante!la!transferencia!de!electrones.!Al!igual!que!en!la!carencia!de!magnesio,!un!síntoma!característico!de! la!carencia!de!hierro!es!la!clorosis!intervenal.!Pero!a!diferencia!de!lo!que!ocurre!en!la!carencia!de!magnesio,!este! síntoma!aparece!inicialmente!en!las!hojas!más!jóvenes!debido!a!que!el!hierro!no!se!moviliza!rápidamente!desde! las!hojas!más!viejas.!En!condiciones!extremas!o!prolongadas!de!carencia,!los!nervios!pueden!llegar!a!ser!cloróticos,! lo!que!hace!que!toda!la!hoja!sea!blanca.! La!clorosis!de!las!hojas!se!produce!porque!el!hierro!es!necesario!para!la!síntesis!de!algunos!complejos!proteínag clorofila!en!los!cloroplastos.!La!baja!movilidad!del!hierro!es!debida,!probablemente,!a!su!precipitación!en!las!hojas! más! viejas! como! óxidos! insolubles! o! fosfatos,! o! a! la! formación! de! complejos! con! fitoferritina,! una! proteína! de! unión!de!hierro!presente!en!las!hojas!y!otras!partes!de!la!planta.!La!precipitación!del!hierro!reduce!la!movilización! del!metal!por!el!floema!para!su!transporte!a!grandes!distancias.!

DISPONIBILIDAD!DE!NUTRIENTES! El! suelo! es! un! sustrato! físico,! químico! y! biológico! complejo.! Se! trata! de! un! material! heterogéneo! que! contiene! una! fase! sólida,! una! fase! líquida! y! una! fase! gaseosa.! Todas! ellas! interaccionan! con! los! elementos! mineralesg! Las! partículas! inorgánicas!de!la!fase!sólida!actúan!como!reserva!de!potasio,!calcio,!magnesio!y!hierro.!También!se!encuentran!asociados!a! esta!fase!sólida!algunos!compuestos!orgánicos!que!contienen!nitrógeno,!fósforo!y!azufre,!entre!otros!elementos.!La!fase! !

38!

líquida!del!suelo!constituye!la!solución!que!contiene!iones!minerales!disueltos!y!actúa!como!un!medio!para!el!movimiento! de!iones!hacia!la!superficie!radical.!Los!gases!como!el!oxígeno,!el!dióxido!de!carbono!y!el!nitrógeno!están!disueltos!en!la! solución! del! suelo,! pero! en! las! raíces,! los! gases! son! intercambiados! principalmente! a! través! de! los! espacios! aéreos! que! existen!entre!las!partículas!del!suelo.! Desde! una! perspectiva! biológica,! el! suelo! constituye! un! ecosistema! diverso! en! el! que! las! raíces! y! los! microorganismos! compiten! por! los! nutrientes! minerales.! A! pesar! de! esta! competencia,! las! raíces! y! los! microorganismos! pueden! formar! alianzas!con!beneficios!para!ambas!especies!(simbiosis).!!

INTERCAMBIO%CATIÓNICO % Los!nutrientes!inorgánicos!que!toman!las!plantas!a!través!de!sus!raíces!están!presentes!en!la!solución!del!suelo!como!iones.! La!mayoría!de!los!metales!forman!iones!cargados!positivamente,!esto!es,!cationes!Ca+2,!K+!y!Na+.!Las!partículas!de!arcilla! constituyen! una! reserva! de! dichos! cationes! para! la! planta.! En! varios! puntos! de! su! red! cristalina! hay! un! exceso! de! carga! negativa,!donde!los!cationes!pueden!fijarse!y!evitar!así!ser!arrastrados!por!la!acción!lixiviante!del!agua!que!se!infiltra!en!el! suelo.! Los! cationes! apresados! de! esta! manera! por! las! partículas! de! arcilla! pueden! ser! reemplazados! por! otros! cationes! (en! un! proceso!llamado!intercambio!catiónico)!y!ser!liberados!a!la!solución!del!suelo!para!ser!tomados!por!la!planta.!Esta!es!una!de! las!razones!de!que!las!partículas!de!arcilla!sean!un!componente!esencial!de!los!suelos!productivos.! Los!principales!iones!cargados!negativamente,!o!aniones,!que!se!encuentran!en!el!suelo!son!NO3g,!SO4g2,!HCO3g!y!OHg.!Los! aniones! son! lixiviados! del! suelo! más! rápidamente! que! los! cationes! ya! que! no! se! pueden! fijar! a! partículas! de! arcilla.! El! fosfato,! que! no! puede! ser! arrastrado,! es! una! excepción! ya! que! forma! precipitados! insolubles! y! es! absorbido! específicamente!o!se!mantiene!en!la!superficie!de!compuestos!que!contienen!hierro,!aluminio!o!calcio.!

!

EFECTOS%DEL%PH%SOBRE%LOS%NUTRIENTES% La!disponibilidad!de!nutrientes!iónicos,!sean!de!fuentes!naturales!del!suelo!o!agregados!como!fertilizante,!se!altera!por!los! cambios!en!el!pH!del!suelo.!El!pH!óptimo!para!la!mayoría!de!los!cultivos!es!de!alrededor!del!6,5,!si!bien!algunos!cultivos,! como!los!arándanos,!viven!en!un!pH!más!próximo!a!4.!La!lluvia!y!la!descomposición!de!sustancias!orgánicas!disminuyen!el! pH!del!suelo.!Esta!acidificación!puede!revertirse!por!medio!de!la!aplicación!de!compuestos!comúnmente!conocidos!como!

!

39!

limo,! tales! como! el! carbonato! de! calcio,! el! hidróxido! de! calcio! o! el! carbonato! de! magnesio.! El! agregado! de! estos! compuestos!conduce!a!la!eliminación!de!los!iones!H+!del!suelo!e!incrementa!también!la!disponibilidad!de!calcio!para!las! plantas.! En! suelos! alcalinos! algunos! cationes! precipitan,! y! esto! hace! que! a! la! planta! le! sea! imposible! obtener! elementos! como!el!hierro,!el!manganeso,!el!cobre!y!el!zinc.! Por!otra!parte,!en!algunas!ocasiones!el!suelo!no!es!lo!suficientemente!ácido!para!un!cultivo.!En!este!caso,!se!debe!agregar! azufre!en!la!forma!de!azufre!elemental,!que!las!bacterias!del!suelo!convierten!en!ácido!sulfúrico.!El!hierro!y!otros!elementos! están!más!disponibles!para!las!plantas!en!un!suelo!de!pH!ligeramente!ácido.!!

!

EXCESO%DE%MINERALES% Cuando!hay!un!exceso!de!minerales!en!el!suelo,!se!dice!de!este!que!es!salino!y!el!crecimiento!vegetal!puede!verse!reducido! si!estos!iones!minerales!alcanzan!niveles!que!limitan!la!disponibilidad!de!agua!o!exceden!la!zona!óptima!para!un!nutriente! determinado.!El!cloruro!sódico!y!el!sulfato!sódico!son!las!sales!más!comunes!en!los!suelos!salinos.!Un!exceso!de!minerales! en! el! suelo! puede! llegar! a! ser! un! grave! problema! para! una! región! árida! o! semiárida,! ya! que! las! precipitaciones! son! insuficientes!para!lixiviar!los!iones!minerales!de!las!capas!superiores!del!suelo,!cerca!de!la!superficie.!La!irrigación!promueve! la!salinización!del!suelo!si!no!se!aplica!suficiente!agua!para!lixiviar!las!sales!por!debajo!de!la!zona!radical.!Además,!el!agua! de!irrigación!puede!contener!entre!100!y!1000!g!de!sales!por!metro!cúbico.!Un!cultivo!requiere!por!término!medio!unos! 2000!metros!cúbicos!por!hectárea.!En!consecuencia,!se!añaden!al!suelo!de!400!a!4000!kilogramos!de!minerales!al!suelo!por! cultivo.!! En! suelo! salinos! las! plantas! padecen! estrés! salino.! Mientras! muchas! plantas! pueden! verse! severamente! afectadas! por! la! presencia!de!niveles!relativamente!bajos!de!sales!en!el!suelo,!otras!pueden!sobrevivir!con!altos!niveles!(plantas!tolerantes!a! la!sal)!o!incluso!crecer!(halofitas)!en!tales!condiciones.!Los!mecanismos!por!los!cuales!las!plantas!toleran!la!salinidad!son! complejos,!e!implican!síntesis!molecular,!inducción!enzimática!y!transporte!de!membrana.!En!algunas!especies,!los!excesos! !

40!

de!minerales!no!se!incorporan;!en!otras,!se!produce!la!absorción,!pero!el!exceso!de!sal!es!excretado!desde!la!planta!por! glándulas!salinas!asociadas!a!las!hojas.!Para!evitar!concentraciones!tóxicas!de!sales!en!el!citosol,!muchas!plantas!pueden! secuestrar!estos!iones!en!las!vacuolas.!! Otro!problema!importante!relacionado!con!el!exceso!de!minerales!es!la!acumulación!de!metales!pesados!en!el!suelo,!que! pueden!provocar!una!toxicidad!grave!tanto!en!la!planta!como!en!los!humanos.!Los!metales!pesados!incluyen!zinc,!cobre,! cobalto,!níquel,!mercurio,!plomo,!cio,!plata!y!cromo.!

MICORRIZAS% La! absorción! de! nutrientes! del! suelo! por! parte! de! la! mayoría! de! las! plantas! superiores! aumenta! notablemente! por! la! presencia! natural! de! hongos! micorrizógenos! asociados! a! sus! sistemas! radicales.! Las! micorrizas! son! especialmente! importantes! en! la! absorción! y! transferencia! del! fósforo,! pero! también! se! ha! desmotrado! un! aumento! en! la! absorción! de! zinc,! manganeso! y! cobre.! Estos! nutrientes! son! relativamente! inmóviles! en! el! suelo! y! aparecen! rápidamente! zonas! de! agotamiento! de! dichos! nutrientes! alrededor! de! las! raíces! y! sus! pelos.! La! red! hifal! de! la! micorriza! se! extiende! varios! centímetros!más!alla!de!las!raíces!colonizadas,!explotando!un!mayor!volumen!de!suelo!más!eficientemente.!La!habilidad!de! la! micorriza! para! absorber! y! transportar! el! fósforo! del! suelo! se! demostró! en! experimentos! utilizando! P32! radiactivo.! Además! del! incremento! del! área! de! absorción,! los! hongos! micorrizógenos! pueden! extraer! fósforo! de! soluciones! más! diluídas!y!utilizar!fuentes!de!fósforo!inaccesibles!para!las!plantas.! El!incremento!en!la!absorción!de!fósforo!atribuible!a!la!micorriza!se!puede!demostrar!haciendo!crecer!plantas!micorrizadas! y!no!micorrizadas!en!distintas!condiciones!nutritivas.! Según! su! morfología,! las! micorrizas! se! dividen! en! distintos! grupos! entre! los! que! cabe! destacar! dos! principales:! las! ectomicorrizas!y!las!endomicorrizas.! •

•

Las! ectomicorrizas! se! caracterizan! porque! las! hifas! del! hongo! no! penetran! en! el! interior!de!las!células!de!la!raíz,!sino!que!se! ubican! sobre! y! entre! las! separaciones! de! éstas.! Se! pueden! observar! a! simple! vista! y! 4 presentan!la!llamada!Red!de!Hartig .! En! las! endomicorrizas,! en! cambio,! no! hay! manto! externo! que! pueda! verse! a! simple! vista.! Las! hifas! se! introducen! inicialmente! entre! las! células! de! la! raíz,! pero! luego! penetran! en! el! interior! de! éstas,! formando! vesículas!alimenticias!y!arbúsculos.!Por!ello! se! las! conoce! también! como! micorrizas! VAM!o!micorrizas!vesículoarbusculares.!

FIJACIÓN%DE%NITRÓGENO%POR%SIMBIOSIS% Si! el! nitrógeno! que! es! extraído! de! la! tierra! no! fuera! continuamente! reemplazado,! toda! la! vida! en! la! tierra! desaparecería! lentamente.!El!suelo!vuelve!a!proveerse!de!este!elemento!por!la!fijación!de!nitrógeno.!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

4!Red!de!Hartig:!el!extremo!de!una!raíz!ectomicorrizada!típicamente!esta!cubierta!por!un!manto!de!hifas,!desde!donde!se!extiende! una!red!de!hifas!entre!las!primeras!capas!de!células!de!la!corteza!radical!y!rara!vez!llegan!hasta!la!endodermis,!pero!sin!entrar!en!el! interior!de!las!células,!de!aquí!el!nombre!de!ectomicorrizas.!Esta!red!se!llama!“red!de!Hartig”.!

!

41!

La! fijación! de! nitrógeno,! que! sólo! la! pueden! realizar! en! cantidades! significativas! ciertas! bacterias,! es! un! proceso! indispensable!para!todos!los!organismos!vivos,!que!dependen!de!él!al!igual!que!la!mayoría!de!los!organismos!dependen!en! última!instancia!de!la!fotosíntesis!para!obtener!su!energía.! De!las!diversas!clases!de!organismos!fijadores!de!nitrógeno,!las!bacterias!simbióticas!son!como!mucho!las!más!importantes! en! cuanto! a! la! cantidad! de! nitrógeno! fijado.! La! más! común! de! las! bacterias! fijadoras! de! nitrógeno! es! Rhizobium,! una! bacteria!que!invade!las!raíces!de!las!leguminosas,!como!la!alfalfa,!los!tréboles,!los!guisantes!o!arveja,!la!soja!y!las!judías.! En! las! asociaciones! simbióticas! entre! Rhizobium! y! las! leguminosas,! la! planta! proporciona! a! la! bacteria! compuestos! de! carbono! como! fuente! de! energía! para! la! fijación! del! nitrógeno! y! otras! actividades! metabólicas,! así! como! un! entorno! protector!y,!a!su!vez,!recibe!nitrógeno!en!una!forma!utilizable!para!la!producción!de!proteínas!vegetales.!

! Las! bacterias! Rhizobium,! o! rizobios,! entran! en! los! pelos! radicales! de! las! leguminosas! cuando! éstas! son! aún! plántulas.! El! establecimiento!de!la!simbiosis!de!fijación!de!nitrógeno!entre!Rhizobium%japonicum!y!la!soja!empieza!con!el!acoplamiento! de! la! bacteria! a! los! pelos! en! desarrollo! de! la! raíz.! Muchos! de! estos! pelos! de! radicales! se! transforman! en! estructuras! deformadas!y!a!menudo!muy!enmarañadas.!Después!del!acomplamiento,!la!bacteria!penetra!en!la!pared!de!la!célula!del! pelo!radical.!La!degradación!de!la!pared!celular!en!el!lugar!de!entrada!se!debe!probablemente!a!las!enzimas!que!producen! la!bacteria.!Durante!la!penetración!de!una!célula!de!Rhizobium,!el!crecimiento!de!la!punta!del!pelo!de!la!raíz!se!detiene!y!es! redirigido!al!lugar!de!penetración,!donde!se!deposita!una!cúpula!de!material!de!pared!celular!nuevo.!Debido!al!crecimiento! progresivo! de! la! pared! celular,! desde! esta! cúpula! hacia! dentro! del! pelo! de! la! raíz,! se! forma! una! estructura! tubular! denominada!hebra!de!infección.!En!un!solo!pelo!de!la!raíz!pueden!penetrar!varios!Rhizobium.!Una!vez!dentro!del!pelo,!las! bacterias!son!transportadas!a!través!de!la!célula!por!las!hebras!de!infección,!primero!a!la!base!del!pelo!infectado!y!luego!a! través! de! las! paredes! celulares! hacia! el! interior! de! las! células! de! la! región! cortical! de! la! raízg! El! simbionte! bacteriano! también! induce! la! división! celular! en! regiones! localizadas! de! la! corteza,! y! luego! penetra! en! ellas! gracias! al! crecimiento! y! ramificación! de! las! hebras! de! infección.! Debido! a! la! liberación! de! las! bacterias! de! la! hebra! de! infección! en! envolturas! provenientes! de! las! membranas! citoplasmáticas! del! pelo! huésped! y! a! la! continua! proliferanción! de! bacteroides! (nombre! que!reciben!los!rizobios!ya!crecidos)!y!las!células!corticales!de!la!raíz,!se!forman!unos!crecimientos!tumorales!denominados! nódulos.!El!sistema!de!infección!y!formación!de!nódulos!en!las!raíces!de!otras!leguminosas!es!aparentemente!similar!al!de! la!soja.!

!

42!

Los!nódulos!de!las!raíces!de!las!leguminosas!están!formados!en!parte!por!células!infectadas!con!Rhizobium!que!adquieren! un!gran!tamaño!y!en!parte!por!células!más!pequeñas!y!no!infectadas!dispersas!entre!las!anteriores.!Hasta!hace!poco!las! células!no!infectada!eran!ignoradas!ya!que!se!pensaba!que!desempeñaban!un!papel!insignificante!en!el!metabolismo!del! nitrógeno!recién!fijado!y!sólo!servían!de!soporte.!No!obstante,!en!el!caso!de!la!soja,!está!claro!que!las!células!no!infectadas! tienen! un! papel! muy! importante! en! la! producción! de! ureidos! (derivados! de! la! urea)! a! partir! del! N2! recién! fijado! por! las! células!infectadas.!

! Las! células! no! infectadas! de! los! nódulos! desarrollan! grandes! microcuerpos! (peroxisomas)! y! abundante! retículo! endoplasmatico! tubular.! Las! enzimas! implicadas! en! los! pasos! finales! de! la! formación! de! ureidos! están! aparentemente! localizados!en!estos!componentes!celulares.! La!simbiosis!entre!una!especie!de!Rhizobium!y!una!leguminosa!es!bastante!específica;!por!ejemplo,!la!bacteria!que!invade!e! induce!la!formación!de!nódulos!en!las!raíces!del!trébol,!no!inducirá!nódulos!en!las!raíces!de!la!soja.! Las! leguminosas! son,! con! mucho,! el! mayor! grupo! de! plantas! que! se! asocian! con! las! bacterias! simbióticas! fijadoras! de! nitrógeno.! No! obstante! hay! unas! pocas! simbiosis! que! fijan! nitrógeno! que! están! implicadas! en! plantas! que! no! son! leguminosas,! entre! ellos! las! micorrizas! mencionadas! anteriormente.! Otra! relación! simbiótica! es! de! considerable! interés! práctico!en!ciertas!partes!del!mundo.!Azolla!es!un!pequeño!helecho!de!agua!flotante,!y!Anabaena!es!una!cianobacteria!que! fija!nitrógeno!y!habita!en!las!cavidades!de!las!frondes!de!Azolla.!EL!helecho,!infectado!con!Anabaena!puede!contribuir!hasta! con!50!kilogramos!de!nitrógeno!por!hectárea.!

PLANTAS%CARNIVORAS% Las!plantas!carnívoras!obtienen!minerales,!incluyendo!el!nitrógeno!fijado,!de!la!presa!animal.!En!algunas!de!estas!plantas,! las! moscas! y! otros! insectos! son! atrapados! en! la! superficie! de! la! hoja,! como! en! Pinguicula% gransiflora.! La! captura! de! pequeños! insectos! se! lleva! a! cabo! por! numerosas! glándulas! pedunculares! esparcidas! sobre! la! hoja.! Cada! una! de! estas! glándulas,!como!se!ve!en!la!microfotografía!electrónica!de!barrido,!tiene!una!gota!globular!de!secreción!mucilaginosa,!de!tal! manera! que! la! hoja! es! pegajosa,! como! un! papel! atrapamoscas.! Los! insectos,! que! entran! en! o! con! la! secreción! la! estiran! en! forma! de! hebras! que! se! solidifican! formando! fuertes! cables.! Cuanto! más! se! esfuerza! el! insecto! para! liberarse,! más!glándulas!toca,!y!se!fija!más!fuertemente!a!la!hoja.!Esparcidas!entre!las!glándulas!pedunculares!hay!glándulas!sésiles,!

!

43!

que!no!producen!ningún!material!en!la!superficie!si!no!son!estimuladas!por!el!forcejeo!de!la!presa!capturada.!Las!células! sésiles! liberan! entonces! una! secreción! que! contienen! enzimas! que! forma! rápidamente! un! charco! alrededor! del! insecto.! Estas! enzimas! digieren! la! presa! y! los! productos! resultantes! se! acumulan! en! el! charco! secretado.! Cuando! se! completa! la! digestión,!el!charco!es!absorbido!por!la!hoja,!y!los!productos!de!la!digestión!se!distribuyen!a!las!partes!en!crecimiento!de!la! planta.! Las! enzimas! digesticas! se! sintetizan! en! las! glándulas! sésiles.! Hasta! la! estimulación! estas! enzimas! están! almacenadas! en! vacuolas!agrandadas!y!en!la!pared,!donde!pueden!ser!detectados!con!técnicas!citoquímicas!adecuadas.!La!descarga!de!las! enzimas! se! produce! con! el! pas! rápido! de! agua! a! través! de! la! cabeza! de! la! glándula.! Este! proceso! se! lleva! a! cabo! con! el! bombeo!de!iones!cloro!de!una!célula!subyacente!de!reserva.!Las!bombas!de!iones!se!encuentran!en!las!membranas!de!una! célula!parecida!a!las!de!la!endodermis;!en!la!célula!inactiva!están!en!reposo!pero!se!activan!rápidamente!con!el!estímulo!de! la!presa.! Mecanismos!similares!de!secreción!se!encuentran!en!otras!plantas!carnívoras,!incluyendo!la!atrapamoscas!y!los!rosolís.!

! ! ! &

!

&

44!

!

GENÉTICA!MOLECULAR!EN!PLANTAS! FLUJO!DE!LA!INFORMACIÓN!GENÉTICA! La!secuencia!de!bases!del!ADN!codifica!información!genética.!La!duplicación!del! ADN!para!producir!una!nueva!molécula!de!ADN!con!la!misma!secuencia!de!bases! del! original! es! necesaria! cada! vez! que! una! célula! se! divide! para! dar! origen! a! células!hojas.!Este!proceso!de!copiado!se!llama!replicación.!La!formación!en!sí!de! productos! de! los! genes! requiere! ARN;! la! producción! de! ARN! con! base! en! una! matriz!de!ADN!se!llama!transcripción.!La!secuencia!de!bases!de!ADN!se!refleja!en! la!secuencia!de!bases!del!ARN.! Tres!tipos!de!ARN!intervienen!en!la!biosíntesis!de!proteínas;!de!los!tres,!el!ARN! mensajero!(ARNm)!tiene!especial!importancia.!Una!secuencia!de!tres!bases!en!el! ARNm! especifica! la! identidad! de! cada! aminoácido,! según! el! código! genético.! El! proceso!por!el!que!la!secuencia!de!bases!determina!la!secuencia!de!aminoácidos! se!denomina!traducción.!!

DEFINICIÓN%DE%GEN% Secuencia! de! DNA! que! codifica! para! una! proteína! o! una! molécula! de! RNA.! Corresponde! a! la! unidad! molecular! de! la! “herencia”.!Contienen!la!información!necesaria!para!el!funcionamiento!de!los!organismos!“vivos”.!! La! estructura! del! gen! su! puede! observar! en! la! imagen! inferior,! donde! exones! (URT:! unstranslated! región)! e! intrones! pertenecen!a!la!región!que!posteriormente!se!a!transcribir!y!el!promotor!será!el!encargado!de!regular!dicha!transcripción.!

5’UTR!

Región!regulatoria!

3’UTR!

Región!transcribible!

! Intron:!es!una!región!del!ADN!que!debe!ser!eliminada!del!transcrito!primario!de!ARN,!a!diferencia!de!los!exones!que!son! regiones! que! codifican! para! una! determinada! proteína.! Los! intrones! son! comunes! en! todos! los! tipos! de! ARN! eucariota,! especialmente!en!los!ARN!mensajeros!(ARNm),!además!pueden!encontrarse!en!algunos!ARNt!y!ARNr!de!procariotas.! Exon:!son!las!regiones!de!un!gen!que!no!son!separadas!durante!el!proceso!de!splicing!y,!por!tanto,!se!mantienen!en!el!ARN! mensajero!maduro.!En!los!genes!que!codifican!una!proteína,!son!los!exones!los!que!contienen!la!información!para!producir! la! proteína! codificada! en! el! gen.! En! estos! casos,! cada! exón! codifica! una! porción! específica! de! la! proteína! completa,! de! manera!que!el!conjunto!de!exones!forma!la!región!codificante!del!gen.!En!eucariotas!los!exones!de!un!gen!están!separados! por!regiones!largas!de!ADN!(llamadas!intrones)!que!no!codifican.! Visto!con!más!detalle,!se!pueden!ver!diferentes!secuencias!propias!del!promotor!con!las!que!regulan!la!transcripción,!tales! como:! TATA,! aquí! es! donde! se! unirá! la! maquinaria! basal! para! poder! transcribir.! También! se! observan! secuencias! en! la! !

45!

región!codificante!como!AUG!que!es!la!que!indica!el!inicio!de!dicha!región,!este!codón!pertenece!a!una!metionina,!por!lo! que!todas!las!proteínas!generadas,!pasando!por!el!ARNm,!siempre!parten!con!este!aminoácido.!

!

OBTENCIÓN%DE%UN%ARNM%MADURO% En!la!estructura!de!un!ARNm!que!se!obtiene!tras!la!transcripción!se!observa!un!dominio!5’UTR,!el!cual!permite!una!forma! terciaria!del!RNA!habilitándolo!para!posicionarse!y!comenzar!a!transcribir.!!

! La! obtención! de! ARNm! maduro! corre! a! cargo! de! la! RNA! polimerasa.! Al! ARN! recién! sintetizado! se! le! denomina! transcrito! primario.! Este! transcrito! experimenta! un! proceso! de! maduración! dando! lugar! al! ARNm! maduro.! A! grandes! rasgos,! el! proceso!consiste!en!tres!eventos!principales:! 1. 2. 3.

Modificación!del!extremo!5’!mediante!la!adición!de!guanosinas!(proceso!de!capping).! Eliminación!de!los!intrones!(splicing).! Modificación!del!extremo!3’!mediante!la!adición!de!una!cola!de!adeninas!(poli(A)).!

La!traducción!del!ARNm!en!los!ribosomas!también!debe!comenzar!y!finalizar!en!secuencias!específicas.!En!los!eucariotas,!un! “casquete”! (cap)! en! el! extremo! 5’! del! ARNm! especifica! dónde! debe! empezar! la! traducción.! Los! casquetes! de! los! ARNm! eucarióticos!contienen!un!enlace!fosfodiester!invertido,!una!base!metilada!unida!mediante!un!enlace!5’gfosfatog5’gfosfato,! en! lugar! del! habitual! enlace! 3’,5’gfosfodiester.! El! casquete! está! unido! al! primer! nucleótido! transcrito,! habitualmente! una! purina,! y! metilado! en! la! 2’gOH! de! la! ribosa.! El! casquete! tiene! a! continuación! una! secuencia! que! no! se! traduce,! llamada! “conductora”,!en!el!lado!5´de!la!región!codificadora.!A!continuación!de!la!secuencia!conductora,!se!encuentra!el!codón!de! inicio,! casi! siempre! AUG,! y! la! región! codificadora! de! la! molécula.! Al! final! de! la! secuencia! no! traducida! o! “secuencia! de! arrastre”! que! acaba! en! una! serie! de! 20g200! nucleótidos! de! adenina,! denominados! cola! de! poli(A),! que! constituye! el! extremo!3’!del!ARNm.!! !

46!

Entremedio! de! la! adición! del! casquete! y! la! cola! de! poli(A),! se! genera! el! splicing! alternativo,! el! cual! consiste! en! eliminar! todos! los! intrones.! Sin! embargo! los! intrones! y! exones! no! siempre! están! determinados! durante! el! proceso! de! ajuste.! La! selección! de! los! sitios! de! ajuste! es! llevado! a! cabo! por! residuos! de! serina/arginina! de! ciertas! proteínas! conocidas! como! proteínas!SR.!

En! la! figura! de! la! izquierda! se! puede! observar! un! esquema! de! la! forma! en! que! funciona! el! splicing!alternativo,!y!en!la!derecha,!el!esquema!de!la!poliadenilación.!

!!

!

!

47!

CONTROL!TRANSCRIPCIONAL!EN!EUCARIONTES! La!expresión!genética!en!el!Genoma!Humano!es!regulada!principalmente!a!través!de!un!control!transcripcional.!Este!control! transcripcional!es!ejercido!típicamente!a!través!de!secuencias!contenidas!en!la!región!que!va!desde!el!sitio!de!inicio!de!la! transcripción!hasta!(generalmente)!1!Kb!en!dirección!5’!del!gen.!Debido!a!que!estas!secuencias!ejercen!su!efecto!sobre!el! propio! gen! o! la! propia! molécula! de! ADN,! se! les! describe! como! elementos! que! actúan! en! “CIS”! (“CISgacting! elements”),! aunque!más!coloquialmente!se!refiere!a!ellas!como!secuencias!reguladoras.! La!transcripción!requiere!que!las!secuencias!de!ADN!sean!accesibles!para!la!ARN!polimerasa!y!otras!proteínas.!Sin!embargo,! en!las!eucariontes,!el!ADN!forma!un!complejo!con!las!histonas!en!una!cromatina!altamente!comprimida.!Por!esto,!antes!de! la!transcripción,!la!estructura!de!la!cromatina!se!modifica!de!modo!tal!que!el!ADN!se!encuentra!en!una!configuración!más! laxa!y!resulta!más!accesible!para!la!maquinaria!de!transcripción.!Numerosos!tipos!de!proteínas!cumplen!diversos!papeles! en!la!modificación!de!la!cromatina.!Las!acetiltransferasas!añaden!grupos!acetilo!a!los!aminoácidos!que!se!encuentran!en!los! extremos!de!las!histonas,!lo!que!desestabiliza!la!estructura!del!nucleosoma!y!torna!más!accesible!al!ADN.!Otras!formas!de! modificación! de! las! histonas! también! pueden! afectar! el! empaquetamiento! de! la! cromatina.! Además,! las! proteínas! conocidas!como!proteínas!remodeladoras!de!la!cromatina!pueden!unirse!a!la!cromatina!y!desplazar!a!los!nucleosomas!de! los!promotores!y!de!otras!regiones!importantes!para!la!transcripción.! La!transcripción!eucarionte!radica!en!la!existencia!de!tres!ARN!polimerasas!eucariontes!distintas,!que!reconocen!diferentes! tipos!de!promotores.!El!reconocimiento!de!estos!promotores!está!a!cargo!de!proteínas!rias!que!se!unen!al!promotor! y!después!reclutan!una!ARN!polimerasa!específica!(I,!II!o!III)!de!él.! Un! tipo! particular! de! proteínas! rias! son! los! factores! de! transcripción! general,! que! junto! con! la! ARN! polimerasa! forman! el! aparato! de! transcripción! basal! que! se! ensambla! cerca! del! sitio! de! inicio! y! es! suficiente! para! iniciar! niveles! mínimos!de!transcripción.!Otro!tipo!de!proteínas!rias!corresponde!a!las!proteínas!activadoras!de!la!transcripción,!que! se!unen!a!secuencias!de!ADN!específicas!y!generan!niveles!más!altos!de!transcripción!al!estimula!el!ensamblaje!del!aparato! de!transcripción!basal!en!el!sitio!de!inicio.!

Los!factores!de!transcripción!son!estructuras!modulares!que!tienen!al!menos!dos!dominios!funcionales,!uno,!el!dominio!de! unión!a!ADN,!se!una!a!secuencias!de!ADN!presentes!en!promotores!y!potenciadores,!y!otro,!el!dominio!de!transactivación,! activa! la! transcripción.! Los! dominios! de! unión! al! ADN! tienen! cuatro! aspectos! estructurales! o! motivos:! héliceggiroghélice,! dedo! de! zinc,! cremallera! de! leucina! y! héliceglazoghélice.! Los! dominios! de! activación! de! la! transcripción! están! menos! caracterizados.! !

48!

! !

!

Familias!de!factores!de!transcripción!en!plantas.!

Niveles!de!control!de!expresión!génica!

!

49!

GENOMAS!VEGETALES! Las!plantas!tienen!células!que!contienen!tres!genomas!diferentes:! 1. 2.

3.

Genoma!nuclear:!genoma!de!gran!tamaño,!lineal!y!organizado!en!cromosomas.! Genoma!mitocondrial:!ADN!circular!enrollado!con!multiples!copias.!Posee!un!tamaño!variable!desde!367!kb!a!2400! kb,! pero! poca! información! genética! ya! que! tiene! muchas! repeticiones.! Puede! recombinar! y! tiene! su! propia! maquinaria!traduccional,!que!le!permiten!editar!el!ARN!una!vez!transcrito!(cambian!los!nucleótidos!C!por!los!U).! Genoma! cloroplastico:! ADN! circular! pequeño! (de! 120! a! 160! kb)! y! posee! multiples! copias,! representando! aproximadamente!del!5!al!10%!del!ADN!total!de!la!célula.!Es!altamente!conservado,!esto!quiere!decir!que!tiene! composiciones! similares! de! genes! y! estructuras! en! distintas! plantas.! Y! además! de! maquinaria! transcripcional! (proteínas!propias!de!la!transcripción!y!traducción!en!el!cloroplasto)!posee!genes!fotosintéticos.!

ARABIDOPSIS%THALIANA% Uno! de! los! genomas! vegetales! disponibles! a! la! fecha! (completos! y! secuenciados)! corresponde!a!esta!planta,!la!cual!es!un!modelo!de!estudio!debido!a!que!su!ciclo!de!vida! es!relativamente!corto,!de!40!días!de!semilla!a!semilla,!es!fácil!de!cultivar!y!además!es! pequeña.!Tiene!un!genoma!relativamente!pequeño,!de!125!Mb!el!genoma!nuclear!y!367! kb! el! mitocondrial.! El! hecho! de! que! haya! sido! el! primer! genoma! vegetal! secuenciado! influye!también!en!la!cantidad!de!mutantes!que!existen!actualmente,!tanto!con!knockg out!y!sobreexpresión,!otorgando!grandes!herramientas!moleculares.!! Existen! bancos! de! semillas! mutantes! de! esta! planta! que! se! pueden! ordenar! y! te! entregan!varias!semillas!con!un!pack!de!mutaciones.!Estas!vienen!escritas!por!ejemplo:! !"5!66760! !": !"#$%&'()%)!!ℎ!"#!$!! 5: !"#$#%#$&! !66760: !"#! ! !!"#!!"!!ú!"#$!!"!!"#$%!&!'('!ó!!! Las!líneas!más!utilizadas!son!las!SALK!y!NASC.! !

!

!

50!

CARACTERIZACIÓN!MOLECULAR!DE!UN!GEN! FUNCIÓN% El!enfoque!tradicional!para!el!estudio!de!la!función!de!los!genes!comienza!con!el!aislamiento!de!organismos!mutantes.!! La!genética!directa!depende!de!la!identificación!y!del!aislamiento!de!mutaciones!al!azar!que!afectan!el!fenotipo!de!interés.! En!los!inicios!del!estudio!de!la!genética,!los!investigadores!estaban!obligados!a!apoyarse!en!mutantes!que!ocurrían!en!la! naturaleza,!que!en!general!son!raras!y!pueden!detectarse!solamente!si!se!examina!un!gran!número!de!organismos.!En!la! actualidad,!para!crear!mutaciones!para!el!análisis!genético!se!utilizan!la!radiación,!los!mutágenos!químicos!y!los!elementos! transponibles.!La!elección!del!mutágeno!es!una!consideración!importante!porque!mutágenos!diferentes!producen!distintos! tipos!de!mutaciones.!Por!ejemplo,!algunos!de!ellos!producen!predominantemente!sustituciones!de!pares!de!bases!mientras! que!otros!generan!inserciones!y!deleciones.!!

Genética&Directa&

Mutación!

Fenotipo!

Gen!

La!genética!inversa!depende!de!la!capacidad!de!crear!mutaciones,!no!al!azar,!sino!en!secuencias!determinadas!del!ADN,!y! luego! estudiar! los! efectos! de! estas! mutaciones! en! el! organismo.! Las! mutaciones! se! inducen! en! ubicaciones! específicas! mediante!un!proceso!llamado!mutagénesis!dirigida.! Todo!lo!dicho!anteriormente!se!aplica!perfectamente!bien!a!un!gen!de!animal,!pero!en!plantas!no!existe!la!posibilidad!de! mutar!directamente!un!gen,!lo!que!se!puede!hacer!es!silenciarlo!eliminando!el!transcrito.!

Genética&Reversa&

Gen!

Mutación!

Fenotipo!

Generación de mutaciones en un gen Para! generar! una! mutación! en! el! gen! típicamente! existen! dos! métodos:!(1)!a!través!de!un!químico!y!(2)!utilizando!un!TgDNA.!! La!mutagenesis!es!descrita!como!una!exposición!o!un!tratamiento! de! materia! biológica! a! un! mutageno,! un! agente! físico! o! quimico! que!aumenta!la!frecuencia!de!mutación!por!sobre!el!rango!normal! espontaneo.! Un! método! importante! en! la! inducción! de! mutaciones! artificales! es! el! uso! de! agentes! químicos! y! físicos.! El! tratamiento! de! mutaciones!en!semilla!es!la!forma!más!conveniente!de!hacerlo,!y! !

51!

por! lo! tanto,! el! método! estándar! utiliza! líneas! de! semillas! alteradas.! Las! semillas! pueden! ser! tratadas! en! grandes! cantidades! y! son! fáciles! de! manejar,! guardar! y! enviar.!Es!bastante!simple!repetir!las!condiciones!el!tratamiento!mutagenico,!preg!y! postgtratamiento,! y! de! esta! forma,! obtener! resultados! reproducibles! en! limites! prácticos.!! Agentes! alcalinos! como! el! etilgmetasulfonado! (EMS)! induce! una! modificación! química! en! los! nucleótidos,! que! resulta! en! un! cambio! de! bases! o! en! un! apareamiento! mal! hecho.! La! alcalinización! de! los! residuos! de! guanina! (G)! forma! ! − 6 − !"#$%&'(#('!que!puede!aparearse!con!timina!(T)!pero!no!con!citosina!(C).! A! través! de! la! reparación! posterior! del! ADN,! el! par! original! G/C! puede! ser! reemplazado!con!A/T.!! Existen!dos!métodos!de!utilizar!un!ADN!transformante,!uno!es!con!una!bacteria!llamada!Agrobacterium%tumefaciens!que!se! infiltra!en!la!planta,!por!lo!que!este!método!se!le!llama!comúnmente!agroinfiltración.!El!segundo!es!por!biobalística,!que! será!explicado!más!adelante.! El! ADN! transformante! es! un! segmento! definido! del! plasmido! de! Agrobacterium% tumefaciens! para! la! inducción! de! tumores,! se! encuentra! delimitado! por! secuencias! en! los! bordes! pequeñas! e! imperfectas! (25! pb)! llamadas!bordes!derecho!e!izquierdo!de!TgDNA.!La!inserción!de!un!elemento! TgDNA! en! un! cromosoma! puede! llevar! a! muchos! resultados! distintos:! la! inserción!en!una!región!codificante!puede!llevar!a!una!inactivación!parcial!o! total! del! gen;! mientras! que! una! inserción! en! una! región! promotora! puede! derivar!en!una!inactivación!completa!del!gen,!reducción!de!la!expresión!del! gen! o! aumento! de! la! expresión! del! gen.! El! mecanismo! a! través! del! cual! realiza!la!introducción!del!TgDNA!la!bacteria!se!explica!en!la!imagen!inferior.!!

!

52!

Al! margen! de! A.% tumefaciens,! es! posible! transformar! células! vegetales! con! ADN! libre,! bien! por! electroporación! de! protoplastos!o!por!el!método!del!Disparador!de!Partículas!o!Micropistolas!Génicas!(método!de!biobalística),!consistentes!en! pequeños!cilindros!de!acero!que!contienen!una!carga!de!pólvora,!a!modo!de!microproyectil,!que!se!usa!para!disparar!sobre! las! células! dianas! esférulas! de! otro! o! tungsteno! de! una! micra! de! diámetro! revestidas! con! el! ADN! transformante! y! que! atravesará! tanto! la! pared! celular! como! las! membranas! sin! provocar! mucho! daño! celular.! Entre! las! ventajas! de! este! “pistolero”!método!se!encuentran!el!amplio!espectro!de!especies!vegetales!que!pueden!transformarse,!el!hecho!de!que!no! se!necesiten!vectores!especializados!o!que!sea!el!único!procedimiento!fiable!para!la!transformación!de!cloroplastos.!! Posterior! a! la! inserción! del! TgDNA,! se! debe! realizar! una! caracterización! molecular! para! corroborar! que! el! TgDNA! se! haya! efectivamente! insertado! en! el! cromosoma! y! localizar! en! que! zona! de! este! lo! hizo.! Para! esto! primero! se! debe! hacer! una! amplificación! por! PCR! con! primers! L+T! y! L+R.! Para! posteriormente! analizar! los! fragmentos! resultantes! mediante! electroforesis.!Finalmente!se!deben!corroborar!los!resultados!con!el!fenotipo,!es!importante!ver!que!exista!una!disminución! en!la!expresión!del!gen!(mutante!nula).!!

! 5

El!Southern&blot !hace!referencia!a!un!método!sensible!de!detección!de!uno!o!más!fragmentos!específicos!de!DNA!dentro! de!una!mezcla!de!fragmentos!de!DNA!compleja!y!aleatoria.!Una!enzima!de!restricción!corta!el!ADN!sólo!por!su!secuencia! específica!de!reconocimiento,!los!fragmentos!de!ADN!difieren!en!sus!tamaños.!Una!mezcla!inicial!de!fragmentos!de!ADN! puede!ordenarse!de!acuerdo!con!su!tamaño!en!un!gel!(por!lo!general!de!agarosa)!en!un!campo!eléctrico!(electroforesis)!y! con!esto,!los!fragmentos!más!pequeños!migran!más!rápido!del!cátodo!al!ánodo;!los!fragmentos!más!grandes,!migran!más! lento.! Luego! se! realiza! la! impronta,! para! esto! los! fragmentos! contenidos! en! el! gel! se! transfieren! a! una! membrana! de! nitrocelulosa!o!de!nailon.!Allí!el!ADN!se!desnaturaliza!(se!vuelve!una!cadena!simple)!con!un!álcali!y!se!fija!a!la!membrana! mediante!calentamiento!moderado!o!por!un!ligamiento!cruzado!con!UV.!La!muestra!se!incuba!con!una!sonde!de!ADN!de! cadena!simple!complementaria!a!la!región!del!gen!a!ser!estudiada.!La!sonda!hibrida!sólo!con!el!fragmento!complementario! buscado! y! no! con! otros.! Dado! que! la! sonda! está! marcada! radiactivamente,! el! fragmento! de! interés! se! puede! identificar! poniendo!en!o!una!película!de!rayos!X!con!la!membrana;!allí!aparece!como!una!banda!negra!en!la!película!una!vez! que!ésta!es!revelada!(autorradiografía).!Esta!banda,!así!identificada,!se!toma!del!gel!original!en!la!posición!correspondiente! y!es!procesada!para!futuros!análisis.!! Con!esto!se!puede!determinar!el!número!de!copias!de!un!gen!y!el!número!de!inserciones!de!TgDNA.! Una!vez!realizado!lo!anterior,!se!debe!corroborar!que!el!gen!encontrado!hace!el!efecto!en!el!fenotipo!que!se!espera.!Para! esto!se!introduce!el!gen!localizado,!pero!esta!vez!perteneciente!a!la!wild!type!(WT),!en!la!planta!mutada,!si!se!restaura!el! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

5!Se!llamo!hibridación!por!Northern(blot!!a!un!método!equivalente!desarollado!para!el!RNA.!El!“inmunoblot”,!también!conocido!

como!Western(blot,!detecta!proteínas!mediante!un!proceso!dependiente!de!anticuerpos.!Ambos!se!especificarán!más!abajo.!

!

53!

fenotipo! de! la! WT! en! la! mutada,! entonces! el! gen! tiene! una! función! equivalente.! A! esto! se!le!llama!complementación& de& mutantes.!Esto!se!realiza!con!el!gen!de!la!misma!especie!(parólogo)!o!con!el!de!otra!especie!(ortólogo).! Finalmente! se! realiza! el! silenciamiento! génico,! esto! significa! eliminar! o! disminuir! la! expresión! de! un! gen! particular.! El! silenciamiento!génico!puede!ser!de!dos!tipos,!transcripcional!o!postgtranscripcionales.!A!veces!puede!ocurrir!que!se!silencia! tanto!el!transgén!en!cuestión!como!genes!homólogos!de!la!planta;!este!fenómeno!se!conoce!como!supresión!aunque!se! puede! utilizar! como! sinónimo! de! silenciamiento! postranscripcional.! El! silenciamiento! transcripcional! se! caracteriza! por! la! ausencia!de!ARNm!del!gen!silenciado,!mientras!que!en!el!postranscripcional!ocurre!síntesis!de!ARN,!pero!no!se!exporta!al! citoplasma.!En!general,!el!silenciamiento!transcripcional!está!relacionado!con!homología!en!la!región!promotora!entre!las! distintas! copias! del! transgén,! mientras! que! el! postranscripcional! afecta! tanto! transgenes! como! a! genes! endógenos! que! tengan!homología!en!la!región!codificante.! La!planta!tiene!un!mecanismo!natural!de!defensa!antiviral!que!tienen!relación!con!los!hpRNA!(hairpin!RNA),!el!cual!es!una! estructura!muy!estable!que!contiene!una!secuencia!en!un!sentido!y!un!antisentido!que!formará!una!horquilla!y!proveerá!de! una!secuencia!objetivo!a!través!del!DCL.!Este!generará!primers!(lineales)!de!dicha!secuencia!(primary!siRNAs)!que!se!unirán! a!todas!las!zonas!de!ARN!que!la!contengan!(como!un!molde)!y,!a!través!del!complejo!RISC!se!degradará!el!ARN!generando! más!aiRNAs!(secondary!aiRNAs)!para!rehacer!el!ciclo.!

! !

!

!

54!

LOCALIZACIÓN%DE%LA%PROTEÍNA%PARA%LA%QUE%CODIFICA% De!los!estudios!de!genes!de!expresión!específica!de!tejido!o!de!genes!que!controlan!rutas!de!desarrollo!específicas!se!ha! visto!que!los!elementos!de!la!secuencia!de!DNA!importantes!para!la!regulación!están!dispersos!dentro!de!miles!de!pares!de! bases! y! estos! elementos! interaccionan! con! factores! que! están! restringidos! en! su! distribución.! Así,! la! regulación! transcripcional!se!produce!a!través!de!diferentes!combinaciones!de!un!número!limitado!de!elementos!reguladores!en!cis!y! factores!que!actúan!en!trans.! La!utilización!de!un!promotor!viral!como!35s!CaMV!(virus!del!mosaico!del!coliflor),!que!es!capaz!de!conferir!expresión!en!la! mayoría! de! las! células! de! plantas,! como! sistema! modelo,! permite! diseccionar! las! propiedades! combinatorias! del! control! transcripcional!en!plantas.!Este!es!uno!de!los!promotores!más!utilizados!en!biotecnología!de!plantas!cuando!lo!que!se!busca! es!una!expresión!fuerte!y!cercana!a!constitutiva.! Para!estudiar!a!los!promotores!de!la!transcripción!y!de!que!manera!los!cambios!sutiles!podrían!influir!en!las!velocidades!de! transcripción,! es! conveniente! analizar! la! transcripción! con! un! gen! reportero,! el! cual! produce! algo! que! es! muy! fácil! de! ensayar!para!comparar!diversas!reacciones!con!rapidez.!Las!secuencias!de!genes!que!codifican!para!las!enzimas!bacterianas! –secuencias!de!fácil!análisis!y!cuya!actividad!no!se!encuentra!normalmente!en!plantasg!forman!la!base!de!muchos!genes! reporteros.!Entre!las!enzimas!comúnmente!usadas!están!la!acetiltransferasa!de!cloranfenicol!(CAT),!la!luciferasa!bacteriana! o! luciérnaga! (LUX)! y! la! βgglucuronidasa! (GUS).! Estos! genes! reporteros! –ya! sea! como! fusión! de! transcripción! o,! menos! frecuentemente,!como!fusión!de!traduccióng!se!han!utilizado!mucho!para!analizar!la!función!de!los!promotores!y!de!otras! secuencias!reguladoras!de!genes.!

!

EXPRESIÓN% Para! evaluar! la! expresión! de! un! gen,! esto! significa! saber! las! condiciones! en! que! se! expresa! el! gen,! como! va! variando! su! respuesta!a!distintos!tratamientos,!la!expresión!diferencial!en!los!tejidos!y!estados!de!desarrollo,!etc.!Para!esto!primero!se! debe!evaluar!la!presencia!del!transcrito!(ARN)!y/o!su!abundancia,!utilizando!varias!técnicas!tales!como:!Northern!blot,!RTg PCR!y!qRTgPCR,!como!también!análisis!a!gran!escala!como!los!microarrays!cDNA.!También!se!debe!medir!la!actividad!de!un! promotor!a!través!del!gen!reportero.! 1.

2.

!

Northern& blot:! Una! de! las! formas! más! báscias! de! caracterizar! un! gen! clonado! es! determinar! cuándo! y! dónde! se! expresa!en!un!organismo.!La!expresión!de!un!gen!particular!puede!seguirse!por!análisis!del!ARNm!correspondiente! mediante!Northern!blot,!llamado!así!en!un!juego!de!palabras!en!honor!al!método!relacionado!de!Southern!blot.! Una!muestra!de!ARN,!a!menudo!todo!el!ARN!celular,!se!desnaturaliza!mediante!tratamiento!con!un!agente!como! el!formaldehido!que!perturba!los!enlaces!hidógeno!entre!los!pares!de!bases,!asegurando!que!todas!las!moléculas! de! ARN! tengan! una! conformación! lineal! desplegada.! Los! ARN! individuales! se! separan! de! acuerdo! con! el! tamaño! mediante! electroforesis! en! gel! y! se! transfieren! a! un! filtro! de! nitrocelulosa! al! cual! se! adhieren! los! ARN! desnaturalizados!extendidos.!Al!igual!que!en!el!Southern!blot,!a!continuación!el!filtro!se!expone!a!una!sonda!de! ADN!marcada!que!es!complementaria!al!gen!de!interés;!por!último,!se!somete!al!filtro!marcado!a!autorradiografía.! Debido! a! que! se! puede! estimar! la! cantidad! de! ARN! específico! en! una! muestra! a! partir! del! Northern! blot,! el! procedimiento! se! utiliza! mucho! para! comparar! las! cantidades! de! un! ARNm! particular! en! células! en! diferentes! condiciones.! PCRETranscriptasa&reversa&(RTEPCR):!es!una!variación!muy!útil!del!PCR!estándar!ya!que!permite!la!amplificación!de! un! transcrito! de! ARNm! específico! de! muestras! biológicas! muy! pequeñas,! sin! necesidad! de! un! procedimiento! de! extracción! riguroso! asociado! a! la! purificación! de! ARNm! para! propósitos! de! clonación! convencionales.! 55!

3.

4.

%

Convenientemente,!los!dNTPs,!buffer,!polimerasa!Taq,!primers!de!oligonucleótidos,!la!transcriptasa!reversa!(RT)!y! el! ARN! son! agregados! juntos! al! tubo! donde! se! producirá! la! reacción.! La! reacción! es! calentada! a! 37ºC! lo! que! le! permite! a! la! RT! trabajar! y! producir! copias! de! ADNc! (cDNA)! de! la! tira! de! ARN.! Luego! de! la! primera! síntesis,! se! produce!un!PCR!común!para!amplificar!los!productos!de!ADNc,!resultando!en!una!segunda!síntesis.!Si!se!necesita! una!amplificación!de!todos!los!ARNs!de!una!célula,!se!utiliza!un!primer!que!reconocerá!todas!las!colas!de!poli(A).!Si! se!quiere!un!ARN!especifico,!se!utilizará!un!primer!!que!identifique!una!zona!de!codificación!específica.!! 6 PCRETranscriptasa& reversa& en& tiempo& real& (qRTEPCR) :& también! llamado! quantitative! PCR,! es! útil! para! muchas! aplicaciones! debido! a! la! rapidez! del! método! comparado! con! el! PCR! convencional,! mientras! simultáneamente! provee! un! limite! menor! de! detección! y! un! rango! dinámico! mayor.! En! el! PCR! en! tiempo! real,! los! procesos! de! amplificación!y!detección!se!producen!de!manera!simultanea,!sin!necesidad!de!realizar!ninguna!acción!adicional,! como! elaboración,! tinción! y! visualización! de! geles.! Además,! mediante! la! detección! por! fluorescencia! se! puede! medir,! durante! la! amplificación,! la! cantidad! de! ADNc! sintetizado! en! cada! momento,! ya! que! la! emisión! de! fluorescencia! producida! en! la! reacción! es! proporcional! a! la! cantidad! de! ADN! formado.! Esto! permite! evaluar! y! registrar!en!todo!momento!la!cinética!de!la!reacción!de!amplificación.!! Microarrays& cDNA:! en! español! es! conocido! como! chip! de! ADN,! es! una! superficie! sólida! a! la! cual! se! une! una! colección!de!fragmentos!de!ADNc.!Las!superficies!empleadas!para!fijar!el!ADNc!son!muy!variables!y!pueden!ser!de! vidrio,! plástico! e! incluso! de! silicio.! Los! chips! de! ADN! se! usan! para! analizar! la! expresión! diferencial! de! genes,! monitorizándose!los!niveles!de!miles!de!ellos!de!forma!simultánea.!Su!funcionamiento!consiste,!básicamente,!en! medir! el! nivel! de! hibridación! entre! la! sonda! específica! (probe),! y! la! molécula! diana! (target),! indicándose! generalmente! mediante! fluorescencia! y! analizándose! por! análisis! de! imagen,! lo! cual! nos! indicará! el! nivel! de! expresión!del!gen.!Suelen!utilizarse!para!identificar!genes!con!una!expresión!diferencial!bajo!condiciones!distintas.! Por!ejemplo,!para!detectar!genes!que!producen!ciertas!enfermedades!mediante!la!comparación!de!los!niveles!de! expresión!entre!células!sanas!y!células!que!están!desarrollando!ciertos!tipos!de!enfermedades.!

%

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6!El!PCR!puede!dividirse!en!4!fases:!la!de!crecimiento!linear,!la!exponencial!temprana,!la!exponencial!y!la!de!finalización!(plateau).! La!fluorescencia!evaluada!en!qRTpPCR!es!la!que!se!produce!durante!la!fase!de!crecimiento!exponencial!temprana,!y!el!ciclo!de!PCR! en! el! que! se! produce! es! denominado! Ct! (Curve! threshold)! o! ! (crossing! point).! Este! valor! esta! relacionado! con! el! número! de! copias! blanco! que! posee! la! muestra! que! se! está! evaluando,! lo! cual! permite! que! a! través! del! PCR! en! tiempo! real! se! realice! cuantificación!con!una!alta!sensibilidad!y!especificidad.! El!RTpPCR!evalúa!la!fase!de!finalización.!

!

56!

CARACTERIZACIÓN%DE%LA%PROTEÍNA% Para! caracterizar! la! proteína! se! utilizan! diferentes! técnicas! y! mucho! más! variadas,! como! ver! la! activdad! enzimática,! la! detección!basada!en!anticuerpos!específicos,!cristalografía,!entre!otros.! 1.

2.

!

!

Western& blot:! o! immunoblot,! es! la! combinación! de! la! técnica! electroforética! y! los! procesos! inmunoquímicos.! Permite! la! detección! específica! y! semicuantitativa! de! las! proteínas! previamente! separadas! por! una! técnica! electroforética.! Para! poder! realizar! la! detección! inmunoquímica,! las! proteínas! separadas! en! el! gel! de! acrilamida! deben!ser!transferidas!a!un!soporte!más!estable,!generalmente!una!membrana!de!nitrocelulosa!o!PVDF.!Una!vez! fijadas! las! proteínas,! pueden! manipularse,! donde! el! primer! paso! consiste! en! bloquear! los! sitios! de! unión! inespecíficos!que!han!quedado!en!la!superficie!de!la!membrana!para!evitar!que!los!anticuerpos!que!se!utilizan!se! unen!inespecíficamente.!Esto!se!consigue!saturando!la!membrana!con!una!proteína!que!no!interfiera!en!el!ensayo! particular,! generalmente! albúmina! bovina! o! leche! descremada.! Esta! etapa! se! conoce! como! bloqueo! de! la! membrana.!Una!vez!bloqueada,!se!incuba!la!membrana!con!el!anticuerpo!contra!la!proteína!de!interés!(anticuerpo! primario).! Tras! producirse! la! unión,! se! elimina! el! exceso! de! anticuerpo! primario! y! se! incuba! con! un! segundo! anticuerpo!(anticuerpo!secundario)!contra!el!anticuerpo!primario.!El!anticuerpo!secundario!está!unido!a!algún!tipo! de!marcador!que!permita!revelar!su!presencia.!Puede!ser!una!enzima!capaz!de!transformar!un!sustrato!incoloro!en! otro! coloreado! o! de! producir! sustancias! luminiscentes,! o! bien! el! anticuerpo! secundario! puede! estar! unido! directamente!a!un!átomo!radiactivo!que!emita!radiación!detectable.! ELISA&(enzyme&linked&immunosorbent&assay):!detección!de!proteínas!mediante!anticuerpos.!Existen!tres!técnicas! báscias! de! ELISA! que! tienen! valor! clínico:! ELISA! indirecto,! para! la! detección! y! medida! de! anticuerpos,! sándwich! ELISA,!y!ELISA!competitivo,!los!últimos!dos!son!para!la!detección!y!medida!del!antígeno.!! !

57!

BASES!CELULARES!DEL!CRECIMIENTO!Y!DIFERENCIACIÓN! El!desarrollo!de!la!planta!está!regulado!de!forma!compleja!por!señales!ambientales!reguladas!por!mensajeros!químicos!u! hormonas,!y!el!genoma!de!la!planta!que!responde!a!estas!señales!a!través!de!una!serie!de!moléculas!(enzimas,!proteínas,! etc)! codificadas! en! él.! El! crecimiento! ocurre! cuando! se! forman! nuevas! células! y! tejidos! mediante! división! celular,! y! esta! tiene!dos!fases:!mitosis!y!citoquinesis.!

CICLO!CELULAR! El!ciclo!celular!es!una!parte!clave!de!la!biología!de!cualquier!célula.!En!sentido!estricto,!el!ciclo!celular!estudia!la!replicación! del!material!genético!y!separación!de!los!cromosomas.!En!sentido!amplio,!incluiría!el!control!de!crecimiento!celular!y!los! procesos! de! división! nuclear! y! citoplasmática.! Evidentemente,! el! control! de! ciclo! celular! es! parte! de! la! integración! del! conjunto!de!la!planta!y!hay!muchas!características!que!son!específicas!de!los!vegetales,!ya!que!a!o!largo!de!su!vida,!una! planta!está!continuamente!produciendo!nuevos!órganos,!por!lo!que!requiere!un!equilibrio!adecuado!entre!la!proliferación! celular!y!la!diferenciación.!Debido!a!las!paredes!celulares,!la!migración!de!células!no!es!posible!en!las!plantas!y,!por!lo!tanto,! la!localización!del!número!adecuado!de!células!y!la!regulación!de!su!crecimiento!son!obligatorias!a!lo!largo!del!desarrollo.! Además,!las!plantas!son!sésiles!y!deben!adaptarse!desde!una!localización!fija!a!condiciones!ambientales!cambiantes.!Una!de! sus!principales!herramientas!de!respuesta!es!alterar!su!crecimiento.!Otra!diferencia!es!que!las!plantas!no!actúan!como!los! animales!generando!un!número!excesivo!de!células!y!luego!eliminando!las!no!necesarias!por!apoptosis.! El!ciclo!celular!de!plantas!tiene!las!mismas!fases!que!en!animales:!G1,!S,!G2!y!M.!G1!(“G”!proviene!del!término!ingles!“gap”! que!significa!espacio)!se!corresponde!con!el!período!de!crecimiento,!desarrollo!y!madurez!funcional!de!la!célula.!La!fase!S! hace!referencia!al!período!de!síntesis!de!ADN!para!duplicar!el!material!genético,!donde!se!generan!dos!hebras!hermanas!de! ADN,!cromátidas.!En!la!fase!G2,!la!célula!continúa!con!su!actividad!normal!y!se!prepara!para!la!división.!Finalmente,!la!fase! M!es!la!mitosis!donde!la!célula!se!divide!en!dos!células!hijas!estructural!y!genéticamente!idénticas.! La!mitosis!tiene!cuatro!fases:! 1.

2.

3.

4.

Profase:!los!cromosomas!se!van!condensando!y!son!visibles!al!microscopio!óptico.!Cada!uno!está!formado!por!dos! cromátidas!unidas!por!el!centrómero.!Los!nucleólos!desaparecen.!Se!forman!microtubulos!en!dos!zonas!llamados! centrosomas!o!centros!organizadores!de!microtúbulos,!que!se!van!separando!y!dirigiendo!a!polos!opuestos!de!la! célula.! Metafase:!se!inicia!con!la!rotura!de!la!envuelta!nuclear.!Los!cromosomas!se!dirigen!hacia!el!centro!donde!formarán! la!placa!metafásica.!En!cada!centrómero!se!dispone!una!estructura!compleja!de!proteínas,!el!cinetocoro,!que!actúa! también!como!centro!organizador!de!microtúbulos.! Anafase:! las! dos! cromátidas! se! separan! y! se! convierten! en! cromosomas! independientes.! Los! microtúbulos! cinetocóricos!se!acortan!mientras!que!los!polares,!que!van!de!centrosoma!a!centrosoma!se!alargan,!separando!los! polos!celulares.!Los!cromosomas!hijos!se!van!desplazando!hacia!los!polos.! Telofase:! los! dos! grupos! de! cromosomas! se! disponen! en! cada! polo.! Se! reconstruye! la! envuelta! nuclear.! Los! cromosomas!empiezan!a!descondensarse!y!va!reapareciendo!el!nucleólo.!

La! citocinesis! es! la! división! del! citoplasma.! En! las! plantas,! se! forma! un! fragmoplasto,! formado! por! microtúbulos,! microfilamentos!y!elementos!del!retículo!endoplásmico.!Las!dos!mitades!del!fragmoplasto,!compuestas!por!restos!del!huso! acromático,!sirven!de!andamiaje!para!la!formación!en!el!centro!de!la!célula,!donde!estaba!la!placa!metafásica,!de!la!placa! celular,!que!va!a!ser!el!origen!de!la!lámina!media,!compartida!por!las!dos!células.!Los!aparatos!de!Golgi!de!las!células!hijas! van!exocitando!vesículas!que,!por!un!lado,!van!aportando!membrana!para!la!formación!de!la!membrana!plasmática!de!las! células! hijas! y! por! otro,! su! contenido,! va! depositándose! sobre! la! lámina! media! y! formando! la! pared! celular! primaria.! La!

!

58!

placa!celular!se!inicia!en!el!centro!del!fragmoplasto!y!se!extiende!hacia!los!bordes,!separando!finalmente!a!las!dos!células! hijas.!

! La!progresión!en!el!ciclo!celular,!especialmente!la!entrada!en!S!y!en!M!está!marcada!por!kinasas&dependiente&de&ciclinas! (CDKs).! Estas! kinasas! integran! numerosas! señales! (luz,! estado! nutricional,! condiciones! de! estrés! y! otras! señales! internas)! generando!una!respuesta!estable!y!concreta,!actuando!como!microprocesadores.!Las!kinasas!fosforilan!un!alto!número!de! proteínas! diana! incluyendo! factores! de! transcripción.! La! actividad! de! las! CDKs! a! su! vez! está! marcada! por! la! unión! de! las! ciclinas!y!cofactores!de!activación!e!inhibición!(CKIs).! En!las!plantas!parece!haber!muchos!más!reguladores!del!ciclo!celular!que!en!animales.!En!Arabidopsis!se!han!identificado! un! total! de! 12! CDKs.! Un! grupo,! las! CDKs! de! tipo! B! son! específicas! de! plantas! y! se! piensa! que! juegan! un! papel! en! las! divisiones!celulares!asimétricas!como,!por!ejemplo,!en!la!formación!de!los!estomas.!El!número!de!ciclinas!en!vegetales!es! especialmente!alto!y!supera!las!cincuenta.!Algunos!grupos!no!presentan!homólogos!en!las!células!animales.!

El!ciclo!celular!se!desarrolla!para:! • • •

!

El!crecimiento!del!embrión!y!de!la!planta!adulta.! La!sustitución!de!células!dañadas!o!perdidas.! La!reproducción!asexual!y!algunas!fases!de!la!reproducción!sexual.!

59!

!En!los!meristemas,!se!ejecutan!programas!de!ciclo!celular!muy!diferentes!en!células!próximas!entre!sí.!Las!poblaciones!de! células! madre! se! dividen! muy! lentamente! probablemente! para! reducir! el! riesgo! de! acumular! mutaciones.! Las! células! del! centro!organizador!también!se!dividen!lentamente,!algo!que!queda!de!manifiesto!en!el!centro!quiescente!del!meristema! apical! radicular.! En! contraste,! las! células! hijas! de! las! células! madre! de! la! periferia! del! meristema! apical! caulinar! se! multiplican! muy! rápidamente! para! generar! la! población! inicial! de! los! primordios! de! órganos! o,! en! el! meristema! apical! radicular,! para! alargar! la! raíz.! No! se! sabe! cómo! la! planta! establece! límites! entre! estas! regiones! con! ciclos! celulares! tan! diferentes.! Posteriormente,! las! células! inician! su! diferenciación! pero! muchas! de! ellas! también! comienzan! un! proceso! de! poliploidía!mediante!un!ciclo!de!endoreplicación.! El! crecimiento! de! las! células! se! produce! por! dos! mecanismos:! uno! que! se! llama! crecimiento! “solido”! que! consiste! en! aumentar! la! cantidad! de! citoplasma! y! otro,! llamado! crecimiento! “líquido”,! basado! en! la! expansión! del! tamaño! de! las! vacuolas.!Un!regulador!del!tamaño!celular!parece!ser!la!cantidad!de!ADN!puesto!que!las!células!poliploides!muestran!claros! y!rápidos!incrementos!de!tamaño.!De!forma!similar!al!crecimiento!de!las!células,!el!crecimiento!de!los!órganos!se!coordina! por! el! nivel! de! proliferación,! la! orientación! de! las! divisiones! y! la! duración! del! ciclo! celular.! Parece! ser! que! las! plantas! controlan!el!crecimiento!de!los!órganos!cambiando!las!condiciones!de!crecimiento!de!las!células!en!vez!de!modificando!la! velocidad!del!ciclo!celular.! También!existen!otras!formas!de!regulación!como!lo!es!el!del!metabolismo!a!nivel!membranal,!el!cual!es!un!mecanismo!de! regulación!basado!en!las!propiedades!y!funciones!de!las!membranas,!tales!como!la!fluidez,!la!permeabilidad!selectiva!y!el! transporte! membranal.! Generalmente! la! T,! el! pH,! la! fuerza! iónica! y! los! potenciales! químicos! y! electroquímicos! inciden! directamente!en!este!nivel!de!regulación;!no!obstante,!también!las!auxinas,!el!etileno!y!el!fitocromo,!entre!otros,!ejercen! un!efecto!primario!en!este!nivel!de!regulación,!aun!cuando!también!funcionan!a!nivel!de!transcripción.!

PARED!CELULAR! La! membrana! plasmática! y! la! pared! celular! son! estructuras! diferentes! química,! estructural! y! funcionalmente.! La! pared! celular! es! secretada! por! el! protoplasto,! con! quien! mantiene! una! constante! interacción,! y! constituye! una! envoltura! que! proporciona!rigidez,!soporte!y!protección!a!la!célula!vegetal!y!determina!su!forma.!El!espesor!de!la!pared!celular!es!variable,! aumentando! con! el! grado! de! diferenciación.! El! menor! grosor! es! en! células! meristemáticas! mientras! que! puede! llegar! a! ocupar!todo!el!volumen!del!protoplasto!en!células!esclerenquimáticas.!! La!pared!también!permite!el!paso!de!sustancias!a!través!de!ella,!de!forma!no!controlada.!Solo!pueden!atravesarla!y!llegar! hasta! la! cara! externa! de! la! membrana! plasmática,! los! solutos! y! partículas! muy! pequeñas! (menores! de! 10.000! dáltones).! Puede!variar!sus!propiedades,!modificando!su!estructura!y!su!composición!química.!! La!pared!celular!es!el!componente!fundamental!en!la!evolución!de!las!plantas.!La!aparición!de!una!estructura!de!sostén!del! organismo,!y!la!presencia!de!un!órgano!de!conducción!capaz!de!proporcionar!las!sustancias!necesarias!a!todas!las!células!de! la! planta! permitió! el! paso! a! la! tierra,! a! un! medio! seco.! El! desarrollo! de! la! pared! celular! posibilitó! la! colonización! y! presominio!de!las!plantas!vasculares!en!prácticamente!todo!el!planeta.! La!mayor!parte!de!la!superficie!de!la!pared!no!está!firmemente!unida!a!la!membrana!mientras!que!dos!paredes!adyacentes! tienen!una!unión!mucho!más!fuerte,!a!través!de!la!lamina!media!(lámina!entre!dos!células!vegetales).!En!células!maduras,! es! muy! frecuente! observar! espacios! intercelulares! donde! las! paredes! celulares! de! las! células! vecinas! se! han! separado! o! nunca! se! llegaron! a! unir.! El! conjunto! de! protoplastos! de! la! planta! conectados! por! plasmodesmos! forma! el! simplasto! mientras! que! la! región! que! ocupan! las! paredes! celulares! y! los! espacios! intercelulares! por! fuera! de! las! membranas! plasmáticas!es!el!apoplasto.!Los!dominios!simplásticos!pueden!ser!transitorios!en!distintos!momentos!del!desarrollo!de!la! planta.!

!

60!

La!pared!celular!de!las!plantas!superiores!está!compuesta! principalmente!por:! • • • • • • • • • •

Celulosa! Hemicelulosa! 7 Pectinas ! 8 Lignina ! Ceras! Cutina!y!suberina! Oligosacarinas! Proteínas! Impregnaciones!(taninos!y!minerales)! Agua!

Esta!composición!es!completamente!distinta!de!las!de!las!paredes!celulares!de!bacterias!(formadas!por!peptidoglicano)!y!las! de!los!hongos!(compuestas!de!quitina,!un!polímero!de!Ngacetilglucosamina).! Las!proporciones!de!los!componentes!mayoritarios!son!variables!en!las!distintas!partes!de!la!pared!celular.!La!lámina!media! está!formada!mayoritariamente!por!hemicelulosas!(xiloglucanos)!y!pectatos,!mientras!que!el!componente!mayoritario!de!la! pared!celular!secundaria!es!la!celulosa.!La!pared!celular!primaria!tiene!una!composición!intermedia!entre!ambas.!

! La!celulosa!está!formada!por!cadenas!lineales!de!al!menos!500!residuos!(puede!llegar!hasta!14.000)!de!βgDgglucosa!unidos! covalentemente!por!enlaces!1g4.!En!la!pared!celular!secundaria,!las!cadenas!tienen!su!máximo!desarrollo,!mientras!que!la! pared!primaria!son!más!cortas!de!unos!2.500!restos!glucídicos.!Grupos!de!36!cadenas!lineales!con!la!misma!orientación!y!la! misma! polaridad! constituyen! una! fibrilla! elemental.! Veinte! fibrillas! elementales! forman! una! microfibrilla! de! celulosa,! un! largo! agregado! cristalino! que! es! el! estad! típico! de! la! celulosa! en! la! pared! celular! primaria.! Tienen! una! región! altamente! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

7!la! pectina! es! un! polisacárido! no! fibrilar! ramificado.! Sus! componentes! mayoritarios! son:! los! homogalacturonanos! (HGA)! y!

ramnogalacturonanos!I!(RG!I)! 8!La! lignina! es! un! polímero! complejo! compuesto! por! fenilpropanoides! y! alcoholes! aromáticos.! Se! acumulan! en! algunas! paredes! secundarias.!

!

61!

organizada!de!estructura!cristalina!y!otras!zonas!menos!organizadas!llamadas!áreas!amorfas.!Las!microfibrillas!de!celulosa! se!encuentran!unidas!por!carbohidratos!no!fibrilares!a!los!que!se!denomina!genéricamente!hemicelulosa!(xiloglucanos).!250! microfibrillas!forman!una!fibrilla!y!unas!1.500!fibrillas!forman!una!fibra!de!celulosa,!estructura!que!solo!aparece!en!la!pared! celular! secundaria.! Las! fibras! de! celulosa! se! estabilizan! por! enlaces! de! hidrógeno! entre! la! misma! molécula! y! puentes! de! oxígeno!entre!las!moléculas!adyacentes!formando!una!estructura!fuerte!y!de!gran!resistencia.! Algunas!enzimas!que!degradan!la!pared!celular!son!las!poligalacturonasas,!las!cuales!hidrolizan!polímeros!en!la!región!de! homogalacturonas,!específicamente!cortan!cadenas!lineales!dejando!libre!ácido!galacturónico!(AcgGalA).!

!

!

62!

!

PLASMODESMOS% En!el!interior!de!las!plantas!se!encuentran!los!plasmodesmos!que!son!parte!de!la!pared!celular!y!membrana!plasmática!de! cada! célula! de! la! planta.! Los! plasmodesmos! son! extensiones! tubulares! de! la! membrana! plasmática,! de! 40! a! 50! nm! de! diámetro,!que!atraviesan!la!pared!celular!y!conectan!el!citoplasma!de!células!adyacentes.!Como!la!mayoría!de!las!células! vegetales! están! conectadas! de! esta! forma,! sus! citoplasmas! forman! un! sistema! continuo! conocido! como! simplasto.! El! transporte!intercelular!de!solutos!a!través!de!los!plasmodesmos!se!conoce!como!transporte!simplástico.!!

! Hay! dos! tipos! de! plasmodesmos:! primarios! y! secundarios.! Los! plasmodesmos! primarios! se! forman! durante! la! citocinesis,! cuando! las! vesículas! precedentes! del! Gogi! que! contienen! los! precursores! de! la! pared! celular! se! fusionan! para! formar! la! placa!celular!(la!futura!lámina!media).!Más!que!una!lámina!continua!ininterrumpida,!la!placa!celular!recién!depositada!está! atravesadapor! numerosos! poros,! donde! los! restos! del! huso! mitótico,! formados! por! fragmentos! del! RE! y! microtúbulos,! interrumpen!la!fusión!de!las!vesículas.!Las!posteriores!deposiciones!de!polímeros!de!la!pared!aumentan!el!grosor!de!las!dos! paredes!celulares!primarias!a!ambos!lados!de!la!lámina!media!generando!canales!lineales!recubiertos!con!la!membrana.!El! desarrollo!de!los!plasmodesmos!primarios!proporciona!una!continuidad!y!comunicación!directa!entre!las!células!que!están! relacionadas!clonalmente!(es!decir,!procedentes!de!una!misma!célula!madre).! Los! plasmodesmos! secundarios! se! forman! entre! las! células! despúes! de! que! sus! paredes! celulares! se! han! formado.! Se! generan! bien! por! evaginación! de! la! membrana! plasmática! en! la! superficie! celular! o! bien! por! ramificación! de! los! plasmodesmos! primarios.! Además! de! aumentar! la! comunicación! entre! las! células! relacionadas! clonalmente,! los! plasmodesmos!secundarios!permiten!la!continuidad!simplástica!entre!las!células!que!no!están!relacionadas!clonalmente.! Como! los! poros! nucleares,! los! plasmodesmos! tienen! una! estructura! interna! compleja! que! funciona! regulando! el! tráfico! macromolecular! de! célula! a! célula.! Cada! plasmodesmo! contiene! un! estrecho! túbulo! de! RE! llamado! desmotúbulo.! El! desmotúbulo!se!continúa!con!el!RE!de!las!células!adyacentes.!Así,!el!simplasto!une!no!sólo!el!citoplasma!de!células!vecinas,! sino! también! el! contenido! del! lumen! del! RE.! Sin! embargo,! no! está! claro! que! el! desmotúbulo! represente! realmente! un! pasaje,!dado!que!no!parece!haber!un!espacio!entre!las!membranas,!que!están!fuertemente!comprimidas.! Hay!proteínas!globulares!asociadas!a!la!membrana!del!desmotúbulo!y!a!la!membrana!plasmática!del!poro.!Estas!proteínas! globulares! parecen! estar! interconectadas! por! extensiones! radiales,! dividiendo! al! poro! en! 8! ó! 10! microcanales.! Algunas! moléculas! pueden! pasar! de! célula! a! célula! a! través! de! los! plasmodesmos,! probablemente! fluyendo! a! través! de! los! microcanales,!aunque!aún!no!se!ha!establecido!la!ruta!exacta!de!comunicación.! Siguiendo! el! movimiento! de! moléculas! fluorescentes! de! diferentes! tamaños! a! través! de! plasmodesmos! que! conectan! las! células!epidérmicas!de!la!hoja,!Robards!y!Lucas!(1990)!determinaron!que!la!masa!molecular!limitante!para!el!transporte!es! !

63!

de!700!a!1000!daltons,!equivalente!a!un!tamaño!molecular!de!1,5!a!2!nm.!Este!es!el!tamaño!límite!de!exclusión,!o!SEL,!de! los!plasmodesmos.! Si!la!anchura!de!las!uniones!citoplasmáticas!es!de!5!a!6!nm,!¿cómo!es!que!se!excluyen!moléculas!de!tamaño!superior!a!2! nm?!Las!proteínas!unidas!a!la!membrana!plasmática!y!al!RE!en!los!plasmodesmos!parecen!actuar!restringiendo!el!tamaño! de!las!moléculas!que!pueden!pasar!a!través!del!poro.!El!SEL!de!los!plasmodesmos!se!puede!regular,!aunque!se!sabe!muy! poco! sobre! el! mecanismo! de! regulación,! la! localización! de! la! actina! y! miosina! en! los! plasmodesmos,! formando! posiblemente! las! extensiones! “radiales”! sugiere! que! puedan! participar! en! este! proceso.! Estudios! recientes! también! han! implicado!a!proteínas!quinasas!dependientes!de!calcio!en!la!regulación!del!SEL!del!plasmodesmo.!

%

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64!

%

CLOROPLASTOS% El! sitio! de! la! fotosíntesis! en! los! eucariontes! (algas! y! plantas! superiores)! es! el! cloroplasto,! un! miembro! de! los! orgánulos! subcelulares!membranosos!propios!de!las!plantas!conocidos!como!plástidos.!Los!cloroplastos,!de!los!cuales!hay!de!1!a!1.000! por!célula,!varían!considerablemente!en!formas!y!tamaño!pero!típicamente!son!elipsoides!largos!de!g5!um.!Al!igual!que!las! mitocondrias,! a! las! que! se! asemejan! en! muchos! aspectos,! los! cloroplastos! tienen! una! membrana! externa! sumamente! permeable!y!una!membrana!interna!casi!impermeable!separadas!por!un!estrecho!espacio!intermembranas.!La!membrana! interna! encierra! el! estroma,! una! solución! concentrada! de! enzimas! muy! similar! a! la! matriz! mitocondrial,! que! también! contiene!el!ADN,!el!ARN!y!los!ribosomas!que!participan!en!la!síntesis!de!varias!proteínas!del!cloroplasto.!El!estroma,!a!su! vez,!rodea!un!tercer!compartimiento!membranoso,!el!tilacoide!(del!griego!thylakos,!que!significa!saco!o!bolsa).!Es!probable! que!el!tilacoide!sea!una!única!vesícula!sumamente!plegada,!aunque!en!la!mayor!parte!de!los!organismos!parece!consistir!en! apilamientos! de! sacos! con! forma! de! disco! llamados! granas,! que! están! interconectados! por! un! estroma! laminar! no! empalizado.!Un!cloroplasto!usualmente!contiene!de!10!a!100!granas.!! Los! lípidos! de! la! membrana! del! tilacoide! tienen! una! composición! distintiva.! Consisten! en! sólo! ~10%! de! fosfolípidos;! la! mayor!parte!de!ellos,!un!~80%,!son!monogalactosil!y!digalactosil!diacilgliceroles!sin!carga!y!el!~10%!restante!consiste!en!los! sulfolípidos!sulfoquinovosil!diacilgliceroles!(la!quinovosa!es!la!6gdesoxiglucosa).!Las!cadenas!acilo!de!estos!lípidos!tienen!un! alto!grado!de!insaturación,!lo!que!confiere!una!gran!fluidez!a!la!membrana!del!tilacoide.!!

! Los! plastidios,! en! general,! derivan! todos! de! cuerpos! esféricos! muy! pequeños,! limitados! por! una! doble! membrana,! los! plastidios! que! se! encuentran! en! células! embrionarias! y! en! células! de! los! meristemas! apicales.! Se! considera! que! los! 9 10 amiloplastos !y!los!cromoplastos !se!originan!al!detenerse!en!alguna!etapa!del!desarrollo!normal!de!un!cloroplasto!a!partir! de!un!proplastidio.!Los!amiloplastos,!que!se!encuentran!normalmente!en!órganos!de!reserva,!son!capaces!de!transformarse! en! cloroplastos! al! estar! expuestos! a! la! luz,! lo! cual! parece! estar! en! apoyo! de! dicha! teoría,! los! plastos! pueden! sufrir! interconversiones.! Por! otra! parte,! se! desconoce! por! que! razón! las! células! epidérmicas,! si! exceptuamos! las! estomáticas,! carecen!de!cloroplastos!pese!a!ser!las!más!directamente!expuestas!a!la!luz.! Todos!los!tilacoides!de!un!cloroplasto!están!orientados!en!forma!paralela!entre!sí.!Así,!cuando!el!cloroplasto!se!desvía!hacia! la!luz,!orienta!en!forma!simultánea!sus!millones!de!moléculas!de!pigmento!como!antenas!electromagnéticas!en!miniatura!y! de!este!modo!logra!una!recepción!máxima.! ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9!Amiloplastos:! organelo! de! las! plantas! dedicado! a! la! elaboración! y! almacenamiento! de! gránulos! de! almidón.! Se! encuentran! a!

menudo!en!tejidos!no!fotosintéticos,!como!son!las!raíces!y!los!tubérculos!de!almacenamiento.!

10!Cromoplastos:! organelo! que! contiene! pigmentos,! normalmente! carotenoide.! Ontogénicamente! es! análogo! al! cloroplasto! que!

puede,!en!determinadas!condiciones,!evolucionar!a!cromoplasto!como,!por!ejemplo,!durante!la!maduración!de!los!frutos.!

!

65!

FOTOSÍNTESIS! Hace!unos!200!años!se!demostró!que!la!fotosíntesis!requiere!luz.!Hoy!sabemos!que!en!la!fotosíntesis!pueden!distinguirse! dos!etapas:!la!etapa!dependiente!de!la!luz,!llamada!de!reacciones!“lumínicas”,!y!la!etapa!enzimática,!independiente!de!la! luz,! mal! llamada! de! reaciones! “oscuras”.! Los! términos! reacciones! “lumínicas”! y! “oscuras”! han! creado! mucha! confusión,! pues! aunque! las! reacciones! “oscuras”! no! requieren! luz! como! tal,! sino! solo! los! productos! químicos! de! las! reacciones! “lumínicas”,! pueden! ocurrir! tanto! en! la! luz! como! en! la! oscuridad.! Más! aún,! algunos! estudios! han! demostrado! que! varias! enzimas!que!controlan!reacciones!“oscuras”!clave!son!reguladas!indirectamente!por!la!luz.!Como!resultado,!en!la!actualidad! se! usan! términos! que! describen! con! más! precisión! los! procesos! que! ocurren! durante! cada! etapa! de! la! fotosíntesis:! las! reacciones!dependientes!de!la!luz!y!las!reacciones!que!fijan!carbono.!A!lo!largo!de!estas!etapas!se!producen!reacciones!de! oxidorreducción.!!

LAS!REACCIONES!QUE!CAPTURAN!ENERGÍA! LOS%FOTOSISTEMAS% La!clorofila!y!otras!moléculas!están!empaquetadas!en!los!tilacoides!en!complejos!de!varias!proteínas!llamados!fotosistemas.! Cada! unidad! contiene! unas! 300! moléculas! de! pigmentos! que! actúan! como! antenas! recolectoras! de! luz.! Existen! dos! fotosistemas! diferentes.! En! el! Fotosistema& I& (también! llamado! PSI),! la! molécula! reactiva! de! clorofila! a! tiene! un! pico! de! absorción!de!alrededor!de!700!nanómetros,!una!longitud!de!onda!ligeramente!más!larga!que!el!pico!habitual!de!la!clorofila.! Por!esta!razón,!se!conoce!como!!!"" .! El! Fotosistema& II! (también! llamado! PSII)! se! conoce! como!!!"# .! Tanto! el!!!"# !como! el!!!"" !se! encuentran! en! íntima! asociación!con!polipéptidos!integrales!de!la!membrana!tilacoide.! Cuando! un! fotón! es! absorbido! por! uno! de! los! pigmentos! antena,! “rebota”! rápidamente! sobre! las! otras! moléculas! de! pigmentos! del! fotosistema! hasta! que! alcanza! un! centro! de! reacción,! constituido! también! por! clorofila.! Cuando! esta! molécula!de!clorofila!absorbe!la!energía!lumínica,!uno!de!sus!electrones!salta!a!un!nivel!de!energía!superior!y!se!transfiere!a! otra! molécula,! un! aceptor! primario! de! electrones! que! se! encuentra! en! la! membrana! en! o! con! el! estroma.! La! molécula!de!clorofila!del!centro!de!reacción,!al!perder!un!electrón,!se!oxida!y!queda!con!carga!positiva.!El!aceptor!primario! de!electrones,!a!su!vez,!se!reduce!y!luego,!cuando!transfiere!el!electrón!a!otra!molécula!diferente,!también!se!oxida.! En!general,!en!un!flujo!de!electrones!no!cíclico!como!el!que!describiremos,!los!dos!fotosistemas!trabajan!juntos!en!forma! simultánea! y! continua.! La! energía! lumínica! es! atrapada! por! la! molécula! reactiva!!!"# !de! la! clorofila! a! (perteneciente! al! Fotosistema!II).!Un!electrón!del!centro!de!reacción!de!la!molécula!!!"# !es!lanzado!a!un!nivel!de!energía!más!alto,!desde!el! cual!es!transferido!a!un!aceptor!primario!de!electrones.!El!electrón!cedido!pasa!luego!cuesta!abajo,!al!Fotosistema!I,!a!lo! largo!de!una!cadena!de!transportadores!de!electrones.! A! lo! largo! de! estas! reacciones! de! reducción! y! oxidación! –llamadas! redoxg! se! transfieren! electrones! y! protones! de! un! compuesto! a! otro.! Como! mencionamos,! parte! de! los! protones! se! liberan! a! la! luz! del! tilacoide! y! se! crea! un! gradiente! de! protones!entre!el!estroma!y!el!espacio!tilacoide!que!contribuye!a!crear!la!fuerza&protónEmotriz.!El!movimiento!de!protones! a!favor!del!gradiente!de!potencial!electroquímico,!es!decir,!desde!el!espacio!tilacoide!hacia!el!estroma,!se!produce!a!través! de! canales! proteicos! específicos! con! función! enzimática,! la! ATP& sintetasa.! Este! movimiento! de! protones! impulsa! la! formación!de!ATP!a!partir!de!ADP,!un!proceso!quimiosmótico!similar!al!que!ocurre!en!la!mitocondria.!La!síntesis!de!ATP!a! partir!de!energía!lumínica!se!conoce!como!fotofosforilación.!! Otros!tres!hechos!ocurren!en!forma!simultánea:!

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66!

•

• •

La!molécula!de!clorofila!!!"# ,!al!perder!su!electrón,!atráe!con!avidez!un!electrón!reemplazante.!Lo!encuentra!en!la! molécula! de! agua,! la! cual,! mientras! está! unida! a! una! molécula! que! contiene! manganeso,! es! capaz! de! cederlo! escindiéndose!en!! ! !!!!! ,!como!ya!mencionamos.!A!esto!se!le!llama!hidrólisis.! La! molécula! reactiva! de!!!"" !de! Fotosistema! I! atrapa! energía! lumínica! adicional.! Esta! molécula! se! oxida! y! el! electrón!es!lanzado!a!un!aceptor!de!electrones!primario,!desde!el!cual!viaja!cuesta!abajo!hasta!el!!"#$ ! .! El!electrón!eliminado!de!la!molécula!!!"" !del!Fotosistema!I!es!reemplazado!por!el!electrón!proveniente!del!aceptor! de!electrones!primario!del!Fotosistema!II!que!se!desplazó!cuesta!abajo.!

Así,! en! las! reacciones! de! la! fotosíntesis! dependientes! de! la! luz! hay! un! flujo! continuo! de! electrones! desde! el! agua! al! Fotosistema!II,!de!éste!al!Fotosistema!I!y!a!través!del!Fotosistema!I!al!!"#$ ! .!

!

COMPLEJO%CITOCROMO%!! !,%PLASTOQUINONA%Y%PLASTOCIANINA% Los! componentes! de! el! proceso! que! media! el! transporte! de! electrones! desde! el!!! ! !al! NADPH,! tal! como! dijimos! anteriormente,! están! organizados! en! tres! partículas! unidas! a! la! membrana! del! tilacoide;! (1)! el! PSII,! (2)! el! complejo! de! citocromo!b! f!y!(3)!el!PSI.!Los!electrones!son!transferidos!entre!estos!complejos!por!medio!de!transportadores!móviles!de! electrones.! El! análogo! de! la! ubiquinona! (para! la! fosforilación! oxidativa),! la! plastoquinona! (Q),! a! través! de! su! reducción! a! plastoquinol! o! plastohidroquinona! (!!! ),! une! el! PSII! al! complejo! de! citocromo!b! f,! que! a! su! vez! interactúa! con! el! PSI! a! través!de!la!proteína!rédox!móvil!que!contiene!Cu,!la!plastocianina!(PC).!

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67!

El! complejo! citocromo!b! f!es! una! proteína! de! gran! tamaño! formada! por! múltiples! subunidades! con! numerosos! grupos! prostéticos.!Contiene!dos!grupos!hemo!tipo!b!y!un!hemo!tipo!c!(citocromo!f).!Además,!el!complejo!contiene!una!proteína! ferrosulfurada!de!Rieske!en!la!que!dos!átomos!de!hierro!están!unidos!por!dos!átomos!de!azufre.! Se! han! determinado! las! estructuras! del! citocromo! f! y! el! complejo! similar! al!citocromo!!"! ,!y!se!ha!sugerido!un! mecanismo!para!el!flujo!de!electrones! y! protones.! La! ruta! precisa! para! el! flujo! de! electrones! y! protones! a! través! del! complejo! citocromo!b! f!no! se!conoce!completamente,!aunque!el! mecanismo! conocido! como! ciclo! Q,! explica! la! mayoría! de! las! observaciones.! En! este! mecanismo! la! plastohidroquinona!(!"! )!es!oxidada,! y! uno! de! los! dos! electrones! pasa! a! través! de! una! cadena! de! transporte! lineal!hacia!el!Fotosistema!I,!mientras! el! otro! electrón! sigue! la! ruta! cíclica! que! aumenta! el! número! de! protones! bombeados!a!través!de!la!membrana.! En! la! cadena! de! transporte! electrónico! lineal,! la! proteína! de! Rieske! oxidada! ( !"#! )! acepta! un! electrón! de! la! plastohidroquinona! (!"! )! y! lo! transfiere! al! citocromo! f.! Entonces,! el! citocromo! f! transfiere! el! electrón! a! la! plastocianina! (PC),! una! proteína! de! color! azul! que! contiene! cobre,! que! a! su! vez! reduce! al! !!"" ! oxidado!del!Fotosistema!I.!En!la!parte! cíclica! del! proceso,! la! plastosemiquinona! transfiere! el! otro! electrón! a! uno! de! los! hemos! tipo! b! liberando! sus! dos! protones! al! lumen! de!la!membrana.! El!hemo!tipo!b!transfiere!su!electrón!a!través!del!segundo!hemo!tipo!b!a!una!molécula!de!quinona!oxidada,!reduciéndola!a! la! forma! semiquinona! cerca! de! la! superficie! del! estroma! del! complejo.! Otra! secuencia! similar! de! flujo! electrónico! reduce! completamente!la!plastoquinona,!que!capta!protones!de!la!parte!del!estroma!de!la!membrana!y!es!liberada!del!complejo! b! f!como!plastohidroquinona.! El!resultado!neto,!tras!dos!secuencias!del!complejo,!es!que!dos!electrones!son!transferidos!al!!!"" ,!dos!plastohidroquinonas! son!oxidadas!a!la!forma!quinona!y!un!plastoquinona!oxidada!es!reducida!a!la!forma!hidroquinona.!Además,!se!transfiere! cuatro!protones!desde!el!lado!del!estroma!de!la!membrana!al!del!lumen.! !

68!

Por!este!mecanismo,!el!flujo!de!electrones!que!conecta!el!lado!aceptor!del!centro!de!reacción!del!Fotosistema!II!con!el!lado! dador!del!centro!de!reacción!del!Fotosistema!I!permite!elevar!el!potencial!electroquímico!a!través!de!la!membrana,!debido! en!parte!a!las!diferencias!en!la!concentración!de!protones!a!ambos!lados!de!la!membrana.!Este!potencial!electroquímico!es! empleado!para!dirigir!la!síntesis!de!ATP.!El!flujo!cíclico!de!electrones!a!través!del!citocromo!b!y!la!plastoquinona!aumenta!el! número!de!protones!bombeados!por!electrón!respecto!a!los!que!se!obtendrían!en!una!secuencia!estrictamente!lineal.!

ATP%SINTASA% A! intensidades! saturadas! de! luz! los! cloroplastos! generan! gradientes! de! protones! de! ~3,5! unidades! de! pH! a! través! de! las! membranas!de!sus!tilacoides.!Esto,!como!hemos!visto,!surgen!de!dos!fuentes:! 1.

2.

La!generación!de!una!molécula!de!!! !a!partir!de!dos!moléculas!de!!! !!libera!cuatro!protones!dentro!de!la!luz!del! tilacoide.!Estos!protones!deben!ser!considerados!como!si!fueran!provistos!desde!el!estroma!a!partir!de!protones!y! átomos!de!H!utilizados!en!la!síntesis!de!NADPH.! El!transporte!de!los!cuatro!electrones!liberados!a!través!del!complejo!citocromo!b! f!ocurre!con!la!translocación!de! lo!que!se!estima!son!ocho!protones!desde!el!estroma!hacia!la!luz!del!tilacoide.!

En!total,!se!produce!la!translocación!de!~12!protones!por!cada!molécula!de!!! !producida!mediante!el!transporte!no!cíclico! de!electrones.! La! membrana! del! tilacoide,! en! contraste! con! la! membrana! interna! mitocondrial,! es! permeable! a! iones! como! los! de! !"!! !!!" ! .! En! consecuencia,! la! translocación! de! protones! y! electrones! a! través! de! la! membrana! del! tilacoide! es! acompañada!por!el!pasaje!de!estos!iones!para!mantener!la!neutralidad!eléctrica!(!"!! !afuera!y!!" ! !adentro).!Todo!esto! simplemente!elimina!el!potencial!de!membrana,!ΔΨ.!Por!consiguiente,!en!el!cloroplasto!el!gradiente!electroquímico!es!casi! totalmente!el!resultado!del!gradiente!de!pH.! La!ATP!sintasa!del!cloroplasto,!de!acuerdo!con!la!mayor!parte!de!las!estimaciones,!produce!un!ATP!por!cada!tres!protones! que! transporta! fuera! de! la! luz! del! tilacoide.! Por! ende,! el! transporte! no! cíclico! de! electrones! determina! la! producción! de! ~12/3! =! 4! moléculas! de! ATP! por! cada! molécula! de!!! !generada! (aunque! esta! cantidad! se! encuentra! sujeta! a! revisión)! o! alrededor! de! medio! ATP! por! cada! fotón! absorbido.! El! transporte! cíclico! de! electrones! es! un! generador! de! ATP! más! productivo! porque! rinde! dos! tercios! de! un! ATP! (dos! protones! transportados)! por! cada! fotón! absorbido.! El! proceso! no! cíclico,!por!supuesto,!también!produce!NADPH,!cada!una!de!las!moléculas!del!cual!tiene!la!energía!libre!para!producir!tres! ATP,! aunque! esto! no! ocurre! normalmente,! para! un! total! de! seis! equivlentes! de! ATP! más! por! cada!!! !producido.! En! consecuencia,! la! eficiencia! energética! del! proceso! no! cíclico! es! 4/8! +! 6/8! =! 1,25! equivalentes! de! ATP! por! cada! fotón! absorbido.!

LAS!REACCIONES!QUE!FIJAN!CARBONO! La! energía! obtenida! en! la! primera! etapa! se! encuentra! en! el! ATP! y! el! NADPH,! que! constituyen! las! fuentes! principales! de! energía!para!la!reducción!del!!"! !durante!la!síntesis!de!glúcidos.! El!carbono!está!disponible!para!las!células!fotosintéticas!en!la!forma!de!!"! .!Las!algas!obtienen!!"! !disuelto!directamente! del!agua!circundante.!En!las!plantas,!el!!"! !del!aire!llega!a!las!células!fotosintéticas!a!través!de!aberturas!especializadas!de! las!hojas!y!tallos!verdes!llamadas!estomas.! La!reducción!o!fijación!del!carbono!ocurre!en!el!estroma!en!forma!cíclica.!El!ciclo!de!Calvin,!llamado!así!por!su!descubridor,! Melvin!Calvin,!químico!estadounidense!(1911g1997),!es!análogo!al!ciclo!de!Krebs!en!el!sentido!de!que!cada!vuelta!del!ciclo! se!regenera!el!mismo!compuesto!inicial,!un!azúcar!de!cinco!carbonos!con!dos!fosfatos!unidos,!la!ribulosa!bisfofato!(RuBP).!

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69!

! EL!ATP!y!el!NADPH!generados!en!las!reacciones!luminosas!son!entonces!utilizados!por!las!células!de!las!plantas!verdes!para! producir! la! reducción! del!!"! formando! glúcidos! y! otros! productos! reducidos.! Los! principales! productos! finales! de! la! fotosíntesis!vegetal!son!el!almidón,!la!celulosa!y!otros!polisacáridos;!la!glucosa!libre!per!se,!no!se!encuentra!en!cantidades! significativas!en!la!mayoría!de!los!tejidos!de!las!plantas!superiores.!! La!primera!fase!en!la!asimilación!del!!"! !en!las!biomoléculas!es!la!reacción!de!fijación!del!carbono:!condensación!del!!"! ! con! un! aceptor! de! cinco! carbonos,! la! ribulosa! 1,5gbisfofato,! formando! dos! moléculas! de! 3gfosfogliceraldehido.! En! la! segunda! fase! el! 3gfosfogliceraldehido! se! reduce! a! triosas! fosfato.! En! conjunto,! se! fijan! tres! moléculas! de!!"! !a! tres! moléculas!de!ribulosa!1,5gbisfofato!para!formar!seis!moléculas!de!gliceraldehido!3gfosfato!(18!carbonos)!en!equilibrio!con!la! dihidroxiacetona!fosfato.!En!la!tercera!fase!se!utilizan!cinco!de!las!seis!moléculas!de!gliceraldehido!3gfosfato!(15!carbonos)! en!la!regeneración!de!tres!moléculas!de!material!inicial!RuBP.!La!sexta!molécula!de!triosa!fosfato,!el!producto!neto!de!la! fotosíntesis,!puede!ser!utilizada!para!formar!hexosas!que!sirven!como!combustible!y!como!material!para!producir!sacarosa! para!el!transporte!a!tejidos!no!fotosintéticos!o!almidón!para!almacenamiento.!De!este!modo!el!proceso!es!cíclico!y!permite! la!conversión!continua!de!!"! !en!triosas!y!hexosas!fosfato.!La!fructosa!6gfosfato!es!un!intermediario!clave!en!la!fase!3!de!la! asimilación!del!!"! ;!es!un!punto!de!bifurcación,!dirigiendo!hacia!la!regeneración!de!RuBP!o!hacia!la!síntesis!de!almidón.!!

FASE%1:%FIJACIÓN%DEL%!"! %EN%3QFOSFOGLICERATO% A!finales!de!los!años!cuarenta!se!descubrió!una!pista!importante!sobre!la!naturaleza!de!los!mecanismos!de!asimilación!del! !"! !en! los! organismos! fotosintéticos! cuando! Calvin! y! sus! colaboradores! iluminaron! una! suspensión! de! algas! verdes! en! presencia! de! dióxido! de! carbono! radiactivo! durante! unos! pocos! segundos.! A! continuación,! mataron! rápidamente! las! células,!extrajeron!su!contenido!y!con!la!ayuda!de!métodos!cromatográficos!buscaron!los!metabolitos!en!los!que!primero! aparecía! el! carbono! marcado.! El! primer! compuesto! que! se! marcaba! era! el! 3gfosfogglicerato,! con! el! carbono! radiactivo! localizado! de! manera! predominante! en! el! átomo! de! carbono! carboxílico.! Estos! experimentos! sugerían! con! mucha! contundencia!que!el!3gfosfoglicerato!es!un!intermediario!temprano!en!la!fotosíntesis.!El!gran!número!de!plantas!en!las!que! este!compuesto!de!tres!carbonos!es!el!primer!intermediario!se!denominan!plantas!!! ,!en!contraposición!a!las!plantas!!! ! que!se!describen!más!adelante.! La! enzima! que! cataliza! la! incorporación! del!!"! !en! una! forma! orgánica! es! la! ribulosa! 1,5gbifosfato! carboxilasa! o! RuBP! carboxilasa/oxigenasa! (a! menudo! llamada! abreviadamente! rubisco).! En! tanto! que! carboxilasa,! la! rubisco! cataliza! la! unión! covalente! del!!"! !al! glúcido! de! cinco! carbonos! ribulosa! 1,5gbifosfato! y! la! rotura! del! intermediario! inestable! de! seis! carbonos! formando! dos! moléculas! de! 3gfosfoglicerato,! una! de! las! cuales! es! portadora! del! nuevo! carbono! introducido! en! forma!de!!"! !en!su!grupo!carboxilo.!!

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70!

La! rubisco! vegetal,! enzima! clave! en! la! producción! de! biomasa! a! partir! del!!"! ,! tiene! una! estructura! compleja! con! ocho! subunidades!grandes!idénticas!(está!codificada!en!el!genoma!del!cloroplasto)!con!un!sitio!catalítico!en!cada!una!de!ellas!y! ocho!subunidades!pequeñas!idénticas!(codificadas!en!el!genoma!nuclear)!cuya!función!no!es!bien!conocida.!! En! el! mecanismo! propuesto! para! la! rubisco! de! plantas! tiene! un! papel! central! una! cadena! de! Lys! carbamilada! con! un! ion! !"!! !pone! en! o! y! orienta! el!!"! !exponiéndolo! al! ataque! nucleofílico! por! el! intermediario! de! la! reacción,! un! enediolato!de!cinco!carbonos,!formado!sobre!la!enzima.!El!intermediario!de!seis!carbonos!resultante!se!rompe!dando!dos! moléculas!de!3gfosfoglicerato.!

FASE%2:%CONVERSIÓN%DEL%3QFOSFOGLICERATO%EN%GLICERALDEHIDO%3QFOSFATO% El! 3gfosfoglicerato! que! se! ha! formado! en! el! primer! pase! se! convierte! en! gliceraldehido! 3gfosfato! en! dos! pasos! que! son,! básicamente,!el!inverso!de!los!pasos!correspondientes!de!la!glucólisis,!con!una!excepción:!el!cofactor!nucleotídico!para!la! reducción! del! 1,3gbifosfoglicerato! es! el! NADPH! y! no! el! NADH.! El! estroma! del! cloroplasto! contiene! todos! las! enzimas! glucolíticas!con!la!excepción!de!la!fosfoglicerato!mutasa.!Las!enzimas!del!estroma!catalizan!las!mismas!reacciones,!pero!son! el!producto!de!genes!diferentes.!! En!el!primer!paso!de!la!segunda!fase,!la!3gfosfoglicerato!quinasa!del!estroma!cataliza!la!transferencia!de!un!grupo!fosforilo! desde! el! ATP! al! 3gfosfoglicerato,! dando! 1,3gbifosfoglicerato.! A! continuación! el! NADPH! dona! electrones! en! una! reacción! catalizada!por!la!gliceraldehido!3gfosfato!deshidrogenasa,!produciendo!gliceraldehido!3gfosfato.!La!triosa!fosfato!isomerasa! interconvierte!el!gliceraldehído!3gfosfato!y!la!dihidroxiacetona!fosfato.!La!mayor!parte!de!las!triosas!fosfato!así!producidas! se!utilizan!para!regenerar!la!ribulosa!1,5gbifosfato;!el!resto!se!convierte!en!almidón!en!el!cloroplasto!y!es!almacenado!para! su!uso!posterior!o!se!exporta!inmediatamente!al!citosol!y!se!convierte!en!sacarosa!para!su!transporte!hacia!partes!de!la! planta!en!crecimiento.!En!las!hojas!en!desarrollo,!una!porción!significativa!de!las!triosas!fosfato!puede!ser!degradada!por!la! glucólisis!para!obtener!energía.!

FASE%3:%REGENERACIÓN%DE%LA%RIBULOSA%1,5QBIFOSFATO%A%PARTIR%DE%TRIOSAS%FOSFATO% La!primera!reacción!en!la!asimilación!de!!"! !para!dar!triosas!fosfato!consume!ribulosa!1,5gbisfofato.!Para!el!flujo!continuo! de!!"! !hacia! los! glúcidos,! se! debe! regenerar! constantemente! la! ribulosa! 1,5gbifosfato.! Esto! se! logra! con! una! serie! de! reacciones! que,! junto! con! las! fases! 1! y! 2,! forman! la! ruta! cíclica.! El! producto! de! la! primera! reacción! de! asimilación! (3g fosfoglicerato)! sufre! una! serie! de! transformaciones! que! regeneran! la! ribulosa! 1,5gbifosfato.! Entre! los! intermediarios! del! ciclo!hay!azúcares!de!tres,!cuatro,!cinco,!seis!y!siete!carbonos.!En!la!figura!siguiente!todos!los!pasos!están!descritos.!

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71!

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RESUMEN% El!resultado!neto!de!tres!vueltas!del!ciclo!de!Calvin!es!la!conversión!de!tres!moléculas!de!!"! !y!una!molécula!de!fosfato!en! una! molécula! de! triosa! fosfato.! Se! condensan! tres! moléculas! de! ribulosa! 1,5gbifosfato! (total! de! 15! carbonos)! con! tres! moléculas! de!!"! !(3! carbonos),! formando! seis! moléculas! de! 3gfosfoglicerato! (18! carbonos).! Estas! seis! moléculas! de! 3g fosfoglicerato! se! reduce! a! seis! moléculas! de! gliceraldehído! 3gfosfato! (que! están! en! equilibrio! con! la! dihidroxiacetona! fosfato)! con! un! coste! de! seis! ATP! (en! la! síntesis! de! 1,3gbifosfoglicerato)! y! seis! NAPDH! (en! la! reducción! del! 1,3g bifosfoglicerato!a!gliceraldehído!3gfosfato).!! Una! molécula! de! gliceraldehido! 3gfosfato! es! el! producto! neto! de! la! ruta! de! asimilación! del! carbono.! Las! otras! cinco! moléculas! de! triosa! fosfato! (15! carbonos)! se! reordenan! en! los! pasos! (1)! y! (9)! de! la! figura! superior! para! formar! tres! moléculas!de!ribulosa!1,5gbifosfato!(15!carbonos).!El!último!paso!de!esta!conversión!requiere!un!ATP!por!RuBP,!es!decir,!un!

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72!

total!de!tres!ATP.!Así,! por%cada%molécula%de%triosa%fosfato%producida%por%la%asimilación%fotosintética%del%!"! %se%requieren% seis%NADPH%y%nueve%ATP.! El!NADPH!y!el!ATP!se!producen!en!las!reacciones!de!la!fotosíntesis!impulsadas!por!la!luz!con!aproximadamente!la!misma! razón! (2:3)! en! que! son! consumidas! en! el! ciclo! de! Calvin.! Nueve! moléculas! de! ATP! se! convierten! en! ADP! y! fosfato! en! la! generación!de!una!molécula!de!triosa!fosfato;!ocho!de!los!fosfatos!se!liberan!en!forma!de!Pi!y!se!combinan!con!ocho!ADP! para!regenerar!ATP.!El!noveno!fosfato!se!incorpora!a!la!propia!triosa!fosfato.!Para!convertir!el!noveno!ADP!en!ATP,!se!ha!de! importar!una!molécula!de!Pi!del!citosol.! En!la!oscuridad,!cesa!la!producción!de!ATP!y!NADPH!por!la!fotofosforilación,!deteniéndose!también!la!incorporación!de!!"! ! en!triosa!fosfato!(por!las!llamadas!“reacciones!oscuras”).!! Dentro!del!estroma!del!cloroplasto!se!encuentran!todos!las!enzimas!necesarias!para!convertir!las!triosas!fosfato!producidas! por! la! asimilación! del! !"! !(gliceraldehído! 3gfosfato! y! dihidroxiacetona! fosfato)! en! almidón,! que! se! almacena! temporalmente!en!el!cloroplasto!en!forma!de!gránulos!insolubles.!La!aldolasa!condensa!las!triosas!a!fructosa!1,6gbifosfato;! la!fructosa!1,6gbifosfatasa!produce!fructosag6gfosfato;!la!fosfohexosa!isomerasa!de!glucosa!6gfosfato!y!la!fosfoglucomutasa! produce!glucosa!1gfosfato,!material!de!partida!para!la!síntesis!de!almidón.!!

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73!

FOTORESPIRACIÓN! Tal!como!hemos!visto,!las!células!fotosintéticas!producen!!! !(por!escisión!del!!!! !)!durante!las!reacciones!impulsadas!por! la!luz!y!utilizan!!"! !durante!los!procesos!independientes!de!la!luz!(descritos!anteriormente),!por!lo!que!el!cambio!gaseoso! neto!durante!la!fotosíntesis!es!la!captación!de!!"! !y!la!liberación!de!!! :! !"! + !! ! → !! + (!"! !)! En! la! oscuridad,! las! plantas! también! llevan! a! cabo! la! respiración! mitocondrial,! la! oxidación! de! sustratos! a!!"! !y! la! conversión!del!!! !en!!! !.!Existe!aún!otro!proceso!en!las!plantas!que,!al!igual!que!la!respiración!mitocondrial,!consume!!! ! y! produce!!"! !y,! al! igual! que! la! fotosíntesis,! está! impulsado! por! la! luz.! Este! proceso,! la! fotorespiración,! es! una! reacción! secundaria!costosa!de!la!fotosíntesis,!debida!a!la!falta!de!especificidad!de!la!enzima!rubisco.!! La!rubisco!no!tiene!una!especificidad!absoluta!por!el!!"! !como!sustrato.!El!oxígeno!molecular!(!! )!compite!con!el!!"! !en!el! sitio!activo!y,!en!uno!de!aproximadamente!cada!tres!o!cuatro!ciclos!catalíticos,!la!rubisco!cataliza!la!condensación!del!!! ! con!la!ribulosa!1,5gbisfofato!para!formar!3gfosfoglicerato!y!2gfosfoglicolato,!un!producto!sin!utilidad!metabólica.!Ésta!es!la! actividad! oxigenasa! de! la! enzima! que! se! hace! evidente! en! su! nombre! completo:! ribulosa! 1,5gbifosfato! carboxilasa/oxigenasa.!La!reacción!con!el!!! !no!da!lugar!a!fijación!de!carbono!y!parece!ser!un!inconveniente!neto!para!la! célula! en! la! que! tiene! lugar,! la! recuperación! de! los! carbonos! del! fosfoglicolato! utiliza! cantidades! significativas! de! energía! celular!y!libera!parte!del!!"! !previamente!fijado.! Dado!que!la!reacción!con!el!oxígeno!es!perjudicial!para!el!organismo!¿por!qué!produjo!la!evolución!de!la!rubisco!un!sitio! activo!incapaz!de!discriminar!bien!entre!!"! !y!!! ?!Quizas!gran!parte!de!la!evolución!tuvo!lugar!antes!del!momento,!hace! unos!2500!millones!de!años,!en!que!la!producción!de!!! !por!los!organismos!fotosintéticos!empezase!a!elevar!el!contenido! en!oxígeno!de!la!atmósfera.!Antes!de!aquel!momento!no!existía!una!presión!selectiva!para!que!la!rubisco!discriminase!entre! el!!"! !y!el!!! .!La!Km!para!el!!"! !es!de!unos!9!um!y!para!el!!! !de!unos!350!um.!La!atmósfera!moderna!contiene!cerca!de!un! 20%! de!!! !y! sólo! un! 0,04%! de!!"! ,! por! lo! que! una! solución! acuosa! en! equilibrio! con! el! aire! a! temperatura! ambiente! contiene! unos! 250! um! !! !y! 11! um! !"! ,! concentraciones! que! permiten! que! la! “fijación”! de! !! !por! la! rubisco! sea! significativo.!La!dependencia!de!la!temperatura!de!las!solubilidades!del!!! !y!del!!"! !es!tal!que!a!temperaturas!elevadas!la! razón!!! :!!"! !en! solución! aumenta.! Además,! la! afinidad! de! la! rubisco! por! el!!"! !disminuye! al! aumentar! la! temperatura,! exacerbando!la!tendencia!de!la!enzima!a!catalizar!la!inútil!reacción!de!la!oxigenasa.!Dado!que!el!!"! !es!consumido!en!las! reacciones! de! asimilación,! la! razón!!! :!!"! !en! los! espacios! aéreos! alrededor! de! la! hoja! aumenta,! con! lo! que! todavía! favorece!más!la!reacción!de!la!oxigenasa.!

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!

74!

MODELOS!FOTOSINTÉTICOS! FOTOSÍNTESIS%!! % El! tipo! de! fotosíntesis! más! extendido! se! conoce! como! fotosíntesis!!! .! Su! nombre! se! deriva! del! hecho! de! que! el! primer! producto!estable!formado!por!las!reacciones!oscuras!es!un!compuesto!de!tres!carbonos.!Las!plantas!que!utilizan!esta!vía! fotosintética!capturan!dióxido!de!carbono!por!medio!de!los!estomas!durante!el!día!y!lo!utilizan!en!las!reacciones!oscuras! para!formar!glucosa.!! Las!plantas!con!este!tipo!de!fotosíntesis!presentan!mejor!desarrollo!bajo!condiciones!frías,!dado!que!la!temperatura!óptima! para!la!fotosíntesis!es!relativamente!baja.!Sin!embargo,!debido!a!que!sus!estomas!deben!permanecer!abiertos!durante!el! día!para!obtener!el!dióxido!de!carbono,!las!especies!con!fotosíntesis!!! !están!sujetas!a!que!sus!tasas!fotosintéticas!se!vean! restringidas!durante!períodos!de!calor!o!sequía.!Al!cerrarse!los!estomas!para!prevenir!la!pérdida!del!vapor!de!agua,!también! se!limita!la!captura!de!dióxido!de!carbono!y!aumenta!la!fotorespiración.!Algunos!cultivos!comunes!que!usan!este!tipo!de! fotosíntesis!son!el!frijol,!la!calabacita!y!el!tomate.!

FOTOSÍNTESIS%!! % En!muchas!plantas!que!crecen!en!los!trópicos!(así!como!las!plantas!cultivadas!en!zonas!templadas!pero!de!origen!tropical! tales! como! el! maíz! y! la! caña! de! azúcar),! se! ha! desarrollado! un! mecanismo! para! evitar! el! problema! de! la! fotorespiración! despilfarradora.! El! paso! en! el! que! el!!"! !se! fija! en! un! producto! de! tres! carbonos,! el! 3gfosfoglicerato,! está! precedido! de! varios!pasos,!uno!de!los!cuales!es!una!fijación!preliminar!del!!"! !sobre!un!compuesto!de!cuatro!carbonos.!Las!plantas!que! utilizan!este!proceso!se!conocen!como!plantas!!! !y!el!proceso!de!asimilación!como!metabolismo!!! !o!ruta!!! .!! Las! plantas!!! ,! que! típicamente! crecen! en! condiciones! de! altas! intensidades! luminosas! y! temperaturas! elevadas,! tienen! varias! características! importantes:! alta! velocidad! fotosintética,! alta! velocidad! de! crecimiento,! baja! velocidad! de! fotorespiración,! baja! velocidad! de! pérdida! de! agua! y! una! estructura! especializada! de! la! hoja.! En! la! fotosíntesis! que! tiene! lugar!en!las!hojas!de!las!plantas!!! !intervienen!dos!tipos!de!células!distintas:!células!mesófilas!y!células!túnicogvasculares.! Existen!tres!variantes!del!metabolismo!!! !que!fueron!descubiertas!en!la!década!de!1960!por!Marshall!Hatch!y!Rodger!Slack.! En!las!plantas!de!origen!tropical!el!primer!intermediario!en!el!que!se!fija!el!!"! !es!el!oxalacetato,!un!compuesto!de!cuatro! carbonos.! Esta! reacción,! que! tiene! lugar! en! el! citosol! de! las! células! mesófilas! de! las! hojas,! está! catalizada! por! la! fosfoenolpiruvato! carboxilasa,! cuyo! sustrato! es! el!!"#!! !y! no! el!!"! .! El! oxalacetato! así! formado! se! reduce! a! malato! a! expensas!de!NADPH!o!se!convierte!en!aspartato!por!transaminación:! !"#$#%&'#'( + ! − !"#$!á!"#$ → ! − !"#!$!$% + ! − !"#$á!"#$! El!malato!o!el!aspartato!formado!en!las!células!mesófilas!pasa!seguidamente!a!las!células!vecinas!túnicogvasculares!a!través! de!plasmodesmos.!En!las!células!túnicogvasculares!el!malato!se!oxida!y!después!se!descarboxila,!dando!piruvato!y!!"! !por! acción!de!la!enzima!málica,!reduciendo!!"#$ ! .!En!las!plantas!que!utilizan!el!aspartato!como!transportador!de!!"! ,!aquél! se! transamina! primero! para! formar! oxalacetato,! que! seguidamente! se! reduce! a! malato! en! las! células! túnicogvasculares! antes! de! la! liberación! del!!"! !por! la! enzima! málica! o! la! PEP! carboxiquinasa.! Tal! como! se! ha! demostrado! mediante! experimentos! de! marcado,! el!!"! !libre! formado! en! las! células! túnicogvasculares! es! la! misma! molécula! de!!"! !que! se! fijó! originalmente! en! el! oxalacetato! en! las! células! mesófilas.! Este!!"! !es! fijado! de! nuevo,! en! esta! ocasión! por! la! rubisco,! en! exactamente!la!misma!reacción!que!se!da!en!las!plantas!!! :!incorporación!de!!"! !en!Cg1!del!3gfosfoglicerato.! El! piruvato! formado! en! la! descarboxilación! del! malato! en! las! células! túnicogvasculares! se! vuelve! a! transferir! a! las! células! mesófilas,! donde! se! convierte! en! PEP! mediante! una! reacción! enzimática! poco! habitual! catalizada! por! la! piruvato! fosfato! diquinasa.!! !

75!

La! PEP! carboxilasa! de! las! células! mesófilas! tiene! una! elevada!afinidad!por!el!!"#!! !(que!está!favorecido!con! respecto! al!!"! !en! solución! acuosa,! por! lo! que! puede! fijar! !"! !de! forma! más! eficiente! que! la! rubisco).! A! diferencia! de! la! rubisco,! no! utiliza!!! !como! sustrato! alternativo,!por!lo!que!no!hay!competencia!entre!!"! !y! !! .! La! reacción! de! la! PEP! carboxilasa! sirve,! pues,! para! fijar! y! concentrar! !"! !en! forma! de! malato.! La! liberación! de! !"! !del! malato! en! las! células! túnicog vasculares! produce! una! concentración! local! suficientemente! elevada! de!!"! !para! que! la! rubisco! funcione! casi! a! máxima! velocidad! y! se! suprima! la! actividad!oxigenasa!de!la!enzima.! Una! vez! fijado! el!!"! !en! forma! de! 3gfosfoglicerato! en! las! células! túnicogvasculares,! las! restantes! reacciones! del! ciclo! de! Calvin! tienen! lugar! exactamente! en! la! forma! antes! descrita.! Así,! en! las! plantas!!! !las! células! mesófilas!llevan!a!cabo!la!fijación!de!!"! !a!través!de!la! ruta!!! ,! mientras! que! la! biosíntesis! de! sacarosa! y! de! almidón! se! da! en! las! células! túnicogvasculares! por! la! ruta!!! .! Tres!enzimas!de!la!ruta!!! !están!restringidas!por!la!luz,! mostrando! mayor! actividad! con! luz! diurna.! La! malato! deshidrogenasa! es! activada! por! el! mecanismo! de! reducción! dependiente! de! la! tiorredoxina;! la! PEP! carboxilasa! es! activada! por! fosforilación! de! un! residuo! de! Ser! y! la! piruvato! fosfato! diquinasa! es! activada! por! desfosforilación.! En! estos! dos! últimos! casos! no! se! conocen!los!detalles!sobre!la!forma!en!que!la!luz!afecta! a!la!fosforilación!y!la!desfosforilación.! La!ruta!de!asimilación!de!!"! !en!las!plantas!!! !tiene!un! coste! energético! superior! que! en! las! plantas!!! .! Por! cada!molécula!de!!"! !asimilada!en!la!ruta!!! ,!se!ha!de! generar!una!molécula!de!PEP!a!expensas!de!dos!grupos! fosfato!de!alta!energía!del!ATP.!Así,!las!plantas!!! !necesitan!un!total!de!cinto!ATP!para!fijar!una!molécula!de!!"! ,!mientras! que!las!plantas!!! !sólo!necesitan!tres!(nueve!por!triosa!fosfato).!Cuando!aumenta!la!temperatura!(y!la!afinidad!de!la!rubisco! por!el!!"! !disminuye)!se!alcanza!un!punto!(alrededor!de!28!a!30ºC)!en!el!que!el!aumento!de!eficiencia!por!la!eliminación!de! la!fotorespiración!en!las!plantas!!! !compensa!con!creces!este!coste!energético.!Las!plantas!!! !crecen!más!que!las!plantas! !! !durante!el!verano,!como!puede!atestiguar!cualquier!jardinero!con!experiencia.!

FOTOSÍNTESIS%CAM%(CRASSULACEAN%ACID%METABOLISM )% Las! plantas! crasas! tales! como! los! cactus! y! la! piña! tropical,! que! son! originarias! de! ambientes! muy! cálidos! y! muy! secos,! presentan!otra!variación!con!respecto!a!la!fijación!fotosintética!del!!"! ,!que!reduce!las!pérdidas!de!vapor!de!agua!a!través! de! los! poros! (estomas)! por! los! que! han! de! entrar! el!!"! !y! el!!! !en! el! tejido! de! la! hoja.! En! lugar! de! separar! la! captación! !

76!

inicial!del!!"! !y!su!fijación!por!la!rubisco!a!través!de!espacio!(tal!como!lo!hacen!las!plantas!!! ),!separan!estos!procesos!en!el! tiempo.!Por!la!noche,!cuando!el!aire!es!más!fresco!y!húmedo,!los!estomas!se!abren!para!permitir!la!entrada!de!!"! ,!que!es! fijado!en!forma!de!oxalacetato!por!la!PEP!carboxilasa.!El!oxalacetato!se!reduce!a!malato!y!se!almacena!en!las!vacuolas!para! proteger!las!enzimas!del!citosol!y!de!los!plastidios!frente!al!bajo!pH!producido!por!la!disociación!del!ácido!málico.!Durante! el!día!se!cierran!los!estomas,!impidiendo!la!pérdida!de!agua!debido!a!las!elevadas!temperaturas!diurnas,!mientras!que!el! !"! !captado!en!el!malato!es!liberado!en!forma!de!!"! !por!la!enzima!málica!ligada!a!NADP.!Este!!"! !es!ahora!asimilado!por! acción!de!la!rubisco!y!las!enzimas!del!ciclo!de!Calvin.!Debido!a!que!este!método!se!descubrió!en!plantas!perennes!con!flores! de!la!familia!Crasuláceas,!se!denomina!metabolismo!ácido!crasuláceo!y!las!plantas!se!denominan!plantas!CAM.! !

!

!

77!

FITOHORMONAS! Las! fitohormonas! están! involucradas! en! numerosos! procesos! fisiológicos! y! se! caracterizan! por! trabajar! a! bajas! concentraciones! e! interactuar! unos! con! otros,! esto! se! refiere! a! que! la! respuesta! de! la! planta! es! determinada! por! las! concentraciones!relativas!entre!las!diferentes!fitohormonas.!Los!reguladores!endógenos!del!crecimiento!están!presentes!en! la!planta!durante!todo!su!ciclo!de!vida,!pero!su!concentración!relativa!fluctúa,!esto!dependerá!del!estado!fisiológico!de!la! planta!y!el!órgano!que!se!este!estudiando.!

AUXINA! Las! auxinas! fueron! descubiertas! entre! 1933! y! 1935! a! partir! de! bioensayos! realizados! para! caracterizar! el! mensajero! responsable!de!la!elongación!y!de!la!respuesta!fototrópica!del!coleoptilo!de!gramíneas.! A!mediados!de!1930!se!determino!que!la!auxina!era!ácido&3Eindolacético!(Indoleg3gacetic!acid,&IAA).!Algunas!otras!auxinas! en! plantas! superiores! fueron! descubiertas! posteriormente,! pero! la! IAA! es! por! lejos! la! más! abundante! y! fisiológicamente! relevante.! Debido! a! que! la! estructura! de! la! IAA! es! relativamente! simple,! académicos! y! laboratorios! industriales! fueron! capaces!rápidamente!de!sintetizar!una!cantidad!de!moléculas!que!podían!realizar!la!actividad!de!la!auxina.!Algunos!de!ellos! son!utilizados!en!horticultura!y!agricultura.!! Una!definición!temprana!de!auxina!fue!cualquier!químico!sintético!o!natural!que!estimule!la!elongación!en!los!coleoptilos!y! la! sección! del! tallo,! pero! afectan! a! la! planta! en! más! formas! que! solo! las! enunciadas.! Por! esto! las! auxinas! pueden! ser! definidas!como!compuestos!similares!a!IAA!que!incluyen!la!habilidad!de!promover!la!elongación!de!las!células!del!coleoptilo! y! la! sección! del! tallo,! la! división! celular! en! presencia! de! citoquininas,! formación! de! raíces! adventicias! y! otros! fenómenos! asociados!a!la!acción!de!la!IAA.! Aunque!las!auxinas!son!químicamente!muy!diversas,!todas!tienen!una!característica!común!que!es!la!distancia!de!0,5!nm! entre!una!carga!positiva!fraccionaria!en!el!anillo!aromático!y!la!carga!negativa!del!grupo!carboxilo.!El!anillo!indólico!no!es! esencial!para!la!actividad!auxínica!aunque!un!anillo!aromático!está!presente!en!la!gran!mayoría!de!las!auxinas.!

! El!total!de!sus!funciones!se!puede!resumir!en!6!puntos:! • • • !

Alargamiento!y!división!celular! Crecimiento!de!secciones!de!hojas,!tallos!y!frutos! Formación!de!raíces!adventicias! 78!

• • •

Dominancia!apical! Acción!herbicida! Estimulación!de!la!producción!de!etileno!

SÍNTESIS%DEL%IAA% La!biosíntesis!del!IAA!esta!asociada!con!tejidos!de!división!y!crecimiento!rápido,!especialmente!en!el!vástago.!A!pesar!de! que! virtualmente! todos! los! tejidos! en! plantas! parecen! ser! capaces! de! producir! pequeños! niveles! de! IAA,! los% meristemas% apicales,%hojas%jóvenes,%frutas%en%proceso%de%desarrollo%y%semillas!son!los!sitios!primarios!de!síntesis!de!IAA.! IAA! esta! estructuralmente! relacionada! al! aminoácido! triptófano,! por! lo! que! los! estudios! tempranos! de! la! biosíntesis! se! enfocaron! en! el! triptófano! como! probable! precursor.! Aunque! la! incorporación! exógena! de! triptófano! marcado! a! demostrado! la! dificultad! de! demostrar! esta! hipótesis,! hay! mucha! evidencia! acumulada! que! muestra! que! las! plantas! convierten!IAA!desde!triptófano!a!través!de!varias!rutas,!las!cuales!se!describirán!a!continuación.!

Ruta del ácido Indolpirúvico (IPA or Indole-3-pyruvic acid pathway) Esta! es! probablemente! la! vía! más! común! entre! las! rutas! dependientes! de! triptófano.! Dentro! de! esta,! se! genera! una! desaminación! para! formar! IPA,! seguida! de! una! descarboxilación! para! formar! indolg3gacetaldehido! (IAId).! Este! luego! es! oxidado!a!IAA!por!una!deshidrogenasa!específica.!

Ruta de la triptamina (TAM or tryptamine pathway) Esta!ruta!es!similar!a!la!anterior,!excepto!en!que!el!orden!de!la!desaminación!y!la!descarboxilación!es!inversa,!y!las!enzimas! relacionadas!son!diferentes.!Las!especies!que!no!utilizan!la!ruta!IPA!poseen!la!TAM.!En!al!menos!un!caso!(el!tomate),!existe! evidencia!de!la!realización!de!ambas!vías.!

Ruta de la indolacetaldoxima (IAN or Indole-3-acetonitrile pathway) En!esta!vía!el!triptófano!es!convertido!primeramente!en!indolg3gacetaldoxima!y!luego!a!indolg3gacetonitrilo.!La!enzima!que! convierte! IAN! a! IAA! es! llamada! nitrilasa.! La! ruta! IAN! es! probablemente! importante! mayormente! sólo! en! tres! familias! de! plantas:! Brassicaceae! (familia! de! la! mostaza),! Poaceae! (familia! del! pasto)! y! Musaceae! (familia! del! plátano).! Aun! así,! recientemente! se! han! encontrado! genes! similares! a! los! que! codifican! para! la! nitrilasa! en! Curcubitaceae,! Solanaceae,! Fabaceae!y!Rosaceae.! Cuatro!genes!(NIT1!al!NIT4)!que!codifican!para!las!enzimas!nitrilasas!han!sido!clonados!desde!la!Arabidopsis.!Cuando!el!NIT2! fue!expresado!en!tabaco!transgénico,!las!plantas!resultantes!adquirieron!la!habilidad!de!responder!a!IAN!como!una!auxina! luego!de!hidrolizarla!a!IAA.!

Ruta independiente del triptófano Aunque!la!sospecha!de!la!existencia!de!una!ruta!de!biosíntesis!de!IAA!independiente!de!triptófano!existía!desde!hace!un! tiempo!debido!a!los!bajos!niveles!de!conversión!de!triptófano!marcado!a!IAA,!no!fue!posible!confirmarlos!y!definirlos!hasta! que!hubieron!disponibles!acercamientos!genéticos.!Estudios!posteriores!han!establecido!que!el!precursor!de!IAA!es!indol!o! indolg3gglicerolfosfato.!IAN!y!IPA!son!posibles!intermedios,!pero!el!precursor!inmediato!de!IAA!en!la!ruta!independiente!de! triptófano!no!se!ha!logrado!identificar.!!

!

79!

!

IAA%EN%LA%CÉLULA% Varios!factores!regulan!los!niveles!de!IAA!libre!en!el!citosol,!los!cuales!se!especificarán!a!continuación.!!

! !

80!

Conjugación de IAA Aunque!la!forma!libre!de!IAA!es!la!forma!biológicamente!activa!de!la!hormona,!la!gran!mayoría!de!la!auxina!en!la!planta!se! encuentra!en!un!estado!de!unión!covalente.!Esta!conjugación!o!“unión”!ha!sido!encontrada!en!todas!las!plantas!superiores! y!se!considera!hormonalmente!inactiva.!El!compuesto!al!que!se!une!por!conjugación!depende!de!las!enzimas!específicas!de! conjugación! y! además,! del! estimulo! ambiental! como! la! luz! y! la! gravedad.! La! conjugación! puede! servir! para! distintas! funciones!como:!almacenamiento,%transporte%y%protección%contra%la%degradación%oxidativa.%!

!

IAA libre La!distribución!de!IAA!en!la!célula!parece!estar!regulada!mayormente!por!pH.!Dado!que!el!!""! !no!cruza!la!membrana!sin! ayuda,! mientras! que! IAAH! difunde! a! través! de! la! membrana! sin! problemas,! las! auxinas! tienden! a! acumularse! en! los! compartimentos!más!alcalinos!de!la!célula! Cerca!de!un!tercio!del!IAA!libre!es!econtrado!en!el!cloroplasto!y!el!resto!en!el!citosol.!Los!conjugados!de!IAA!se!encuentran! exclusivamente! en! el! citosol.! IAA! en! el! citosol! es! metabolizado! ya! sea! por! conjugación! o! por! catabolismo! nog descarboxilante.! La! IAA! en! el! cloroplasto! es! protegida! de! estos! procesos,! pero! es! regulada! por! la! cantidad! de! IAA! en! el! citosol,!con!el!que!está!en!equilibrio.! !

81!

TRANSPORTE%DE%LA%AUXINA% Los!principales!ejes!del!brote!y!de!raíces,!además!de!sus!ramas,!presentan!una!polaridad!estructural!de!la!punta!a!la!base!y! tiene!un!origen!en!el!transporte!polar!de!la!auxina.!Poco!después!de!la!creación!de!Went!sobre!la!curvatura!del!coleoptilo! en! base! a! la! auxina,! se! descubrió! que! la! IAA! se! mueve! mayormente! de! la! zona! apical! al! extremo! basal! (basipetalo)! en! la! sección!del!coleoptilo.!Este!tipo!de!transporte!unidireccional!es!llamado!transporte&polar.!La!auxina!es!la!única!hormona!del! crecimiento!en!plantas!que!tiene!un!transporte!polar.! Debido!a!que!el!brote!apical!sirve!como!una!fuente!primaria!de!auxina!para!la!planta!completa,!el!transporte!polar!hace! mucho! que! se! considera! la! causa! principal! del! gradiente! de! auxina! desde! la! punta! del! brote! a! la! punta! de! la! raíz.! El! gradiente!longitudinal!de!auxina!desde!el!brote!a!la!raíz!afecta!varios!procesos!de!desarrollo,!incluyendo!la!elongación!del! tallo,!dominancia!apical,!cicatrización!y!senescencia!foliar.! Recientemente!se!ha!reconocido!que!una!cantidad!significativa!del!transporte!de!auxina!también!ocurre!en!el!floema,!y!que! el!floema!es!probablemente!la!ruta!principal!por!la!que!la!auxina!es!transportada!en!dirección!acropetalo!en!las!raíces.!Por! lo!que!existe!más!de!una!ruta!responsable!de!la!distribución!de!auxinas!en!la!planta.!

El transporte polar requiere energía y es independiente de la gravedad Para! estudiar! el! transporte! polar,! los! investigadores! han! empleado! el! método! del! agar! del! bloque! donantegreceptor:! un! agar!con!un!bloque!que!contiene!auxinas!con!radioisótopos!marcados!(bloque!donante)!que!es!puesto!en!un!extremo!de!un! segmento!de!un!tejido,!y!un!bloque!receptor!es!puesto!en!el!otro!extremo.!El!movimiento!de!la!auxina!a!través!del!tejido!en! el!bloque!receptor!puede!ser!determinado!a!lo!largo!del!tiempo!con!medidas!de!radioactividad!en!el!bloque!receptor.! De!una!gran!cantidad!de!estudios,!han!surgido!las!propiedades!generales!del!transporte!polar!de!IAA.!Los!tejidos!difieren!en! el! grado! de! polaridad! del! transporte! de! IAA.! En! coleoptilos,! los! tallos! vegetativos! y! el! peciolo,! predomina! el! transporte! basipetalo.!El!transporte!polar!no!se!ve!afectado!por!la!orientación!del!tejido!(al!menos!en!cortos!periodos!de!tiempo),!así! que!es!independiente%de%la%gravedad.!Una!simple!demostración!de!esto!sucede!con!un!experimento!hecho!sobre!un!bambú,! el!tallo!es!cortado!y!puesto!en!una!cámara!húmeda,!con!esto!las!raíces!siempre!se!forman!desde!el!extremo!basal!del!corte,! incluso!cuando!el!corte!esta!invertido.!! El!transporte!polar!es!llevado!a!cabo!de!célula!a!célula,!en!vez!de!ir!a!través!de!la!vía!del!simplasto.!Esto!es,!la!auxina!sale!de! la!célula!por!la!membrana!plasmática,!difunde!a!través!del!compuesto!de!la!laminilla!media,!y!entra!a!la!célula!más!abajo! por! la! membrana! plasmática.! La! salida! de! auxina! de! la! célula! es! llamado! eflujo! y! la! entrada! influjo! de! auxina.! El! proceso! general! requiere! energía! metabólica,! como! es! evidenciado! por! la! sensibilidad! a! la! deprivación! y! los! inhibidores! del! transporte!polar!de!!! !(son!inhibidos!por!falta!de!!! !e!inhibidores!metabólicos)! La!velocidad!del!transporte!polar!de!auxina!es!de!5!a!20!cm/h,!lo!cual!es!más!rápido!que!el!rango!de!difusión,!pero!más! lento!que!el!rango!de!translocación!del!floema.!El!transporte!polar!es!específico!para!auxinas!activas,!tanto!naturales!como! artificiales.!Ni!los!análogos!de!auxina!inactiva!ni!los!metabolitos!de!auxina!son!transportados!polarmente,!sugiriendo!que! este!transporte!requiere!carriers!específicos!de!proteínas!en!la!membrana!plasmática!que!pueden!reconocer!la!hormona!y! sus!análogos!activos.!

!

82!

!

Los inhibidores del transporte de auxina bloquean el eflujo Varios!compuestos!que!pueden!actuar!como!inhibidores!del!transporte!de!auxinas!han!sido!sintetizados!(ATIs),!incluyendo! NPA! (ácido! 1gNgnaftil! talámico)! y! el! TIBA! (ácido! 2,3,5gtriiodobenzoico).! Estos! inhibidores! bloquean! el! transporte! polar! previniendo!el!eflujo!de!auxina.!Se!puede!demostrar!este!fenómeno!incorporando!NPA!o!TIBA!ya!sea!en!el!transporte!de! auxina!del!bloque!donante!o!del!receptor.!Ambos!compuestos!inhiben!el!eflujo!de!auxina!en!el!bloque!receptor,!pero!no! afectan!la!captación!de!esta!desde!el!bloque!donante.! Algunas!ATIs,!como!la!TIBA,!que!tienen!una!baja!actividad!auxínica!y!son!transportados!de!forma!polar,!pueden!inhibir!el! transporte!polar!en!parte!compitiendo!con!la!auxina!por!el!sitio!de!unión!en!el!carrior!de!eflujo.!Otras,!como!la!NPA,!no!son! transportadas! polarmente! y! se! cree! que! interfieren! con! el! transporte! de! auxina! uniéndose! a! la! proteína! asociada! al! complejo!del!carrier!de!eflujo.!!

! Mutantes!del!transporte!auxínico:! !

83!

1.

2.

AUX1:!auxin!resistant!1!(Arabidopsis)! a. Candidato!para!el!carrier!de!influjo!auxínico! b. Codifica!proteína!de!membrana!similar!a!permeasa!(función!como!! ! − !"#$%&'(&!)! c. Mutación! en! este! gen! confiere! insensibilidad! a! auxinas! y! etileno,! pero! también! afecta! el! gravitropismo! radicular.! PIN1,!PIN2:!pingformed!(Arabidopsis)! a. Familia! de! genes! que! codifican! una! proteína! de! membrana! con! similitud! a! los! transportadores! de! procariotas!y!eucariotas.! b. Su!mutación!produce!malformaciones!florales!y!reducción!en!la!inflorescencia!(pin1)! c. Su!mutación!produce!agravitropísmo!e!insensibilidad!a!auxinas!(pin2)! d. PIN2!=!AGR1!=!EIR1,!es!esencial!para!el!gravitropismo!radicular!y!codificaría!un!componente!del!carrier!de! eflujo!auxínico,!predominantemente!expresado!en!raíces.!

EFECTOS%FISIOLÓGICOS%DE%LA%AUXINA% Elongación de la célula La!auxina!fue!descubierta!como!una!hormona!relacionada!a!la!curvatura!del!coleoptilo!hacia!la!luz.!El!coleoptilo!se!dobla! debido!a!las!proporciones!distintas!de!la!elongación!de!las!células!en!la!parte!oscura!versus!la!que!recibe!luz.!La!habilidad!de! la!auxina!de!regular!el!rango!de!elongación!de!la!célula!a!fascinado!a!botánicos.! Las! auxinas! promueven! el! crecimiento! del! tallo! y! de! coleoptilos,! mientras! que! inhiben! el! crecimiento! en! raíces.! Altas! concentraciones! de! auxina! en! el! tallo! y! en! el! coleoptilo! podrían! llegar! a! ser! inhibidoras! en! el! caso! de! las! plántulas! que! crecen!en!la!oscuridad!las!cuales!son!más!sensitivas!a!concentraciones!supraóptimas!en!comparación!a!las!que!crecen!a!la! luz.! El! control! de! la! elongación! de! raíces! ha! sido! más! difícil! de! demostrar,! quizás! debido! a! que! la! auxina! induce! la! producción! de! etileno,! un! inhibidor! del! crecimiento! de! las! raíces.! De! todas! formas,! incluso! si! la! biosíntesis! de! etileno! es! específicamente!bloqueada,!bajas!concentraciones!de!la!auxina!promueven!el!crecimiento!de!raíces!intactas,!mientras!que! altas! concentraciones! lo! inhiben.! Por! esto,! las! raíces! requieren! concentraciones! mínimas! de! auxina! para! crecer,! pero! el! crecimiento!es!fuertemente!inhibido!con!las!concentraciones!que!promueven!el!crecimiento!del!tallo!y!el!coleoptilo.! ¿Como!es!que!la!auxina!causa!un!incremento!de!5!a!10!veces!el!rango!del!crecimiento!en!sólo!10!minutos?!Para!entender!el! mecanismo,!se!debe!primero!ver!el!proceso!por!el!cual!se!produce!el!alargamiento!de!la!célula!en!las!plantas.!Las!células!de! las!plantas!se!expanden!en!tres!pasos:! 1. 2. 3.

La! absorción! osmótica! de! agua! a! través! de! la! membrana! plasmática! es! llevado! por! un! gradiente! de! potencial! hídrico!(∆Ψ! ).! La!presión!de!turgor!se!genera!debido!a!la!rigidez!de!la!pared!celular.! Perdidas! bioquímicas! de! la! pared! ocurren,! permitiendo! que! la! célula! pueda! expandirse! más! en! respuesta! a! la! presión!de!turgor!(soltura).!

De! acuerdo! a! la! hipótesis! aceptada! de! crecimiento! ácido,! los! iones! de! hidrógeno! actúan! como! un! intermediario! entre! la! auxina!y!la!soltura!de!la!pared!celular.!La!fuente!de!los!iones!de!hidrógeno!es!la!!! − !"#$%$!en!la!membrana!plasmática,! ya!que!se!cree!que!su%actividad%aumenta%en%respuesta%a%auxinas,!acidificando!el!apoplasto!activando!enzimas!que!ablandan! la!pared!celular.!La!hipótesis!del!crecimiento!ácido!permite!hacer!cinco!grandes!predicciones:! 1. 2.

!

Los!buffer!ácidos!por!si!solos!deberían!promover!el!crecimiento!en!el!corto!plazo,!considerando!que!la!cutícula!ha! sido!desgastada!de!forma!que!permita!el!!de!los!protones!a!la!pared!celular.! La!auxina!debería!aumentar!el!rango!de!extrusión!del!protón!(acidificación!de!la!pared),!y!la!cinética!de!la!extrusión! del!protón!debería!calzar!con!la!de!la!inducción!de!crecimiento!de!la!auxina.! 84!

3. 4. 5.

Los!buffers!neutros!deberían!inhibir!el!crecimiento!inducido!por!la!auxina.! Los!compuestos!(además!de!la!auxina)!que!promueven!la!extrusión!del!protón!deberían!estimular!el!crecimiento.! La!pared!celular!debería!contener!un!“factor!de!soltura!de!la!pared”!con!un!pH!ácido!óptimo.!

Todas!estas!predicciones!han!sido!confirmadas.!Los!buffers!ácidos!causan!un!rápido!incremento!en!el!rango!de!crecimiento,! siempre!y!cuando!la!cutícula!lo!permita.!La!inducción!del!crecimiento!debido!a!la!auxina!también!a!mostrado!ser!inhibido! por!un!buffer!neutro,!siempre!y!cuando!la!cutícula!haya!sido!desgastada.!Fusicoccin,!un!hongo!fitotóxico,!estimula!la!rápida! intrusión!del!protón!y!el!crecimiento!en!el!tallo!y!coleoptilo.!Y!finalmente,!la!proteína!que!produce!la!soltura!de!las!paredes! celulares! (aumento! de! su! elasticidad)! llamadas! expansinas& (enzima)& ha! sido! identificada! en! la! pared! celular! de! una! gran! cantidad!de!especies.!A!un!pH!ácido,!la!expansina!vuelve!a!la!pared!celular!más!elástica!al!volver!más!débiles!las!uniones!de! los!puentes!de!hidrógeno!entre!los!componentes! de! polisacáridos! de! la! pared.! También! se! cree! que! las! xilanasas& (XET)! están! relacionadas! indirectamente!con!la!extensibilidad!de!la!pared! celular,! ya! que! tienen! un! rol! clave! en! la! morfogénesis.! Debido! a! lo! expuesto! anteriormente,! la! auxina! afecta!la!maduración!de!los!frutos,!ya!que!con!la! ruptura! enzimática! de! la! pared! celular,! estos! se! pueden!ir!desarrollando.!

Fototropismo y Gravitropismo Existen!tres!sistemas!principales!que!controlan!la!orientación!de!crecimiento!de!la!planta:! 1. 2. 3.

Fototropismo,! o! crecimiento! con! respecto! a! la! luz,! es! expresado! en! todos! los! brotes! y! en! algunas! raíces;! con! la! planta!se!asegura!que!las!hojas!van!a!recibir!la!cantidad!óptima!de!luz!solar!para!la!fotosíntesis! Gravitropismo,&o!crecimiento!en!respuesta!a!la!gravedad,!permite!a!las!raíces!crecer!hacia!abajo!en!la!tierra!y!a!los! brotes!hacia!arriba!desde!la!tierra,!lo!que!es!especialmente!crítico!en!los!primeros!periodos!de!la!germinación.! Tigmotropismo,& o! crecimiento! con! respecto! al! tacto,! permite! a! las! raíces! crecer! alrededor! de! rocas! y! es! responsable! de! la! habilidad! de! los! brotes! de! las! plantas! trepadoras! a! agarrarse! alrededor! de! estructuras! de! soporte.!

Cuando!un!brote!esta!creciendo!de!forma!vertical,!la!auxina!es!transportada!polarmente!desde!la!punta!de!crecimiento!a!la! zona!de!elongación.!La!polaridad!del!transporte!de!auxina!desde!la!punta!a!la!base!es!determinada!para!el!desarrollo!y!es! independiente!de!la!orientación!con!respecto!a!la!gravedad.!Pero!la!auxina!puede!transportarse!también!de!forma!lateral,!y! este!movimiento!lateral!se!encuentra!en!el!corazón!de!un!modelo!para!tropismo!originalmente!propuesto!por!separado!por! dos! fisiólogos! (Nicolai! Cholodny! y! Frits! Went)! en! 1920s).! De! acuerdo! al! modelo! de! fototropismo! de! CholodnygWent,! la! punta!del!coleoptilo!de!los!pastos!tiene!tres!funciones!especializadas.! 1. 2. 3.

Producción!de!auxina.! La!percepción!unilateral!del!estimulo!lumínico.! El!transporte!lateral!de!IAA!en!respuesta!al!estímulo!del!fototropismo.!

Además,!en!respuesta!al!estímulo!direccional!de!luz,!la!auxina!que!produce!en!la!punta,!en!vez!de!ser!transportada!forma! basipetalo!es!transportada!de!forma!lateral!hacia!el!lugar!con!sombra.!Una!vez!que!la!auxina!ha!alcanzado!el!lado!oscuro!de! la! punta,! es! transportada! basipeltamente! a! la! zona! de! la! elongación,! donde! estimula! la! elongación! de! las! células.! El! crecimiento!acelerado!en!el!lado!oscuro!y!el!crecimiento!más!lento!en!el!lado!iluminado!(crecimiento!diferenciado)!lleva!a! !

85!

formar!una!curvatura!hacia!la!luz.!Consistente!con!la!hipótesis!de!CholodnygWent!y!la!hipótesis!del!crecimiento!ácido,!el!pH! del!apoplasto!en!el!lado!oscuro!de!la!curvatura!del!tallo!o!coleoptilo!por!fototropismo!es!más!ácido!que!el!lado!que!enfrenta! a!la!luz.! En!cuanto!al!gravitropismo,!cuando!a!la!plántula!de!Avena!es!orientada!horizontalmente,!el!coleoptilo!se!dobla!hacia!arriba! en!respuesta!a!la!gravedad.!Según!el!modelo!de!CholodnygWent,!la!auxina!en!una!orientación!horizontal!es!transportada! lateralmente!de!la!punta!del!coleoptilo!a!la!parte!más!baja,!causando!que!la!parte!baja!del!coleoptilo!crezca!más!rápido!que! la!superior.!Experimentos!recientes!han!mostrado!que!la!punta!del!coleoptilo!puede!percibir!la!gravedad!y!redistribuye!la! auxina!a!la!parte!más!baja.! Además,! adicionalmente! a! la! función! protectora! de! la! caliptra! en! la! punta! de! la! raíz,! es! también! la! encargada! de! la! percepción!de!la!gravedad.!Dado!que!la!caliptra!se!encuentra!un!poco!alejada!de!la!zona!de!elongación!donde!se!curva,!se! cree!que!hay!un!mensajero!químico!relacionado!en!la!comunicación!entre!la!caliptra!y!la!zona!de!elongación,!el!cual!es!un! inhibidor!del!crecimiento!en!las!raíces.! A! pesar! de! que! la! caliptra! contiene! pequeñas! concentraciones! de! IAA! y! ácido! abscisico! (ABA),! IAA! es! un! inhibidor! más! importante!del!crecimiento!de!la!raíz,!lo!que!lo!transformaría!en!el!inhibidor!buscado.!Todo!esto!fue!demostrado!a!través! de!experimentos!knockgout!del!productor!de!auxina!y!ácido!abcisico,!donde!sin!ácido!abcísico!el!gravitropismo!de!las!raíces! aún!se!realizaba,!mientras!que!sin!auxina!las!raíces!eran!agravitropicas.!

EFECTOS%DE%LA%AUXINA%EN%EL%DESARROLLO% Aunque!originalmente!fue!descubierta!su!relación!con!el!crecimiento,!la!auxina!tiene!influencias!prácticamente!en!todos!los! estadios! de! la! planta,! desde! la! germinación! a! la! senescencia.! Ya! que! el! efecto! que! la! auxina! produce! depende! de! la! identidad! del! tejido,! la! respuesta! del! tejido! a! la! auxina! está! gobernado! por! su! programa! genético! de! desarrollo! y! la! influencia!o!ausencia!de!otras!moléculas!de!señalización.!!

La auxina regula la dominancia apical En!la!mayoría!de!las!plantas!superiores,!el!crecimiento!de!la!yema!apical!inhibe!el!crecimiento!de!la!yema!lateral!(auxiliar),! un! fenómeno! conocido! como! dominancia! apical.! El! sacar! la! yema! del! brote! (decapitación)! generalmente! resulta! en! un! crecimiento!de!una!o!más!yemas!laterales.!¿Cómo!inhibe!la!auxina!de!las!yemas!apicales!el!crecimiento!de!yemas!laterales?! Medidas!físicas!hechas!directamente!sobre!los!niveles!de!auxina!en!las!yemas!han!mostrado!que!se!produce!un!aumento!en! los!niveles!de!auxina!en!las!yemas!laterales!tras!la!decapitación!(corte!de!la!yema!apical).!Estos!y!otros!resultados!hacen! poco!posible!que!la!auxina!de!las!yemas!apicales!inhiban!las!yemas!laterales!de!forma!directa.!Otras!hormonas,!como!las! citoquininas! y! ABA! podrían! estar! implicadas.! La! aplicación! directa! de! citoquininas! en! las! yemas! laterales! estimula! su! crecimiento!en!muchas!especies,!pasando!por!sobre!el!efecto!inhibidor!de!la!yema!apical.!La!auxina!hace!que!el!brote!apical! actue!como!un!sumidero!de!la!síntesis!de!citoquinina!en!la!raíz,!y!es!este!uno!de!los!factores!que!están!involucrados!en!la! dominancia!apical.! Finalmente,! se! ha! encontrado! ABA! en! las! yemas! laterales! en! dormancia! en! plantas! intactas.! Cuando! el! brote! apical! es! retirado,!los!niveles!de!ABA!en!las!yemas!laterales!decrecen.!Altos!niveles!de!IAA!en!el!brote!pueden!ayudar!a!mantener! altos! los! niveles! de! ABA! en! las! yemas! laterales.! Removiendolo,! se! remueve! la! mayor! fuente! de! IAA,! con! lo! que! podría! permitir!que!los!niveles!inhibidores!del!crecimiento!bajen.!

La auxina promueve la formación de raíces laterales y adventicias Aunque!la!elongación!de!las!raíces!primarias!es!inhibida!por!concentraciones!de!auxina!mayores!a!10!! !,!el!inicio!de!las! raíces!adventicias!y!laterales!es!estimulada!por!grandes!niveles!de!auxina.!Las!raíces!laterales!son!encontradas!comúnmente! por!sobre!la!zona!de!elongación!y!donde!se!encuentran!los!pelos!radicáles!y!se!origina!de!pequeños!grupos!de!células!en!el!

!

86!

periciclo,!la!auxina!estimula!estas!células!para!que!se!dividan.!La!división!gradual!de!las!células!forma!en!la!raíz!apical,!la!raíz! lateral!que!crece!a!través!de!la!corteza!y!epidermis!de!esta.! Las!raíces!adventicias!(raíces!originadas!a!través!de!tejidos!no!pertenecientes!a!la!raíz)!pueden!formarse!en!muchos!tejidos,! desde!conjuntos!de!células!maduras!que!renuevan!su!actividad!de!división!celular.!Estas!células!en!división!desarrollan!un! meristema!apical!en!la!raíz!de!forma!muy!similar!a!la!creación!de!una!raíz!lateral.!!

! En!base!a!estudios!realizados!sobre!el!fenotipo!de!mutantes!alf!(mutantes!aberrantes!en!la!formación!de!raíces!laterales),! se!ha!hecho!un!modelo!en!el!que!el!IAA!es!requerido!para!al!menos!dos!pasos!en!la!formación!lateral!de!raíces:! 1. 2.

El! transporte! acropetalo! de! IAA! (hacia! la! punta)! en! la! estela! es! requerido! para! iniciar! la! división! celular! del! periciclo.! El!IAA!es!requerido!para!promover!la!división!celular!y!mantener!la!viabilidad!de!la!célula!en!el!desarrollo!de!la!raíz! lateral.!

EL transporte de auxina regula el desarrollo de la yema floral El!tratar!plantas!Arabidopsis!con!un!inhibidor!del!transporte!de!auxina!causa!un!desarrollo!floral!anormal,!sugiriendo!que!el! transporte!polar!de!auxina!en!el!meristema!de!inflorescencia!es!requerido!para!un!desarrollo!normal!de!la!flor.!!

La auxina promueve el desarrollo de la fruta Mucha!evidencia!sugiere!que!la!auxina!esta!relacionada! con!la!regulación!del!desarrollo!de!la!fruta.!La!auxina!es! producida!en!el!polen!y!en!la!endosperma!del!embrión! de! semillas! en! desarrollo,! junto! con! el! estímulo! inicial! para! el! crecimiento! de! una! fruta! podría! resultar! de! la! polinización.! Una!polinización!exitosa!inicia!el!crecimiento!del!ovulo.! Tras! la! fertilización,! el! crecimiento! de! la! fruta! puede! depender! de! la! producción! de! auxina! en! la! semilla! en! desarrollo.! La! endosperma! puede! contribuir! con! auxinas! durante! la! primera! etapa! del! desarrollo,! y! el! embrión!en!desarrollo!tomaría!su!lugar!como!la!fuente! principal!de!auxinas!durante!las!siguientes!etapas.!

!

87!

La auxina induce diferenciación vascular El!tejido!vascular!nuevo!se!diferencia!directamente!debajo!de!las!yemas!en!desarrollo!y!las!hojas!nuevas!en!crecimiento,!y! al! retirar! las! hojas! nuevas! intervine! en! la! diferenciación! vascular.! La! habilidad! de! una! yema! apical! de! estimular! la! diferenciación!vascular!puede!ser!demostrado!en!un!tejido!de!cultivo.!Cuando!la!yema!apical!es!injertado!sobre!un!puñado! de!células!indiferenciadas,!el!xilema!y!floema!se!diferencian!debajo!del!injerto.! Las! cantidades! relativas! de! xilema! y! floema! formado! están! reguladas! por! las! concentraciones! de! auxina:! grandes! concentraciones! de! auxina! inducen! la! diferenciación! del! xilema! y! floema,! pero! sólo! el! floema! se! diferencia! a! bajas! concentraciones.!Otros!experimentos!confirman!la!diferenciación!de!floema!a!bajas!concentraciones,!pero!muestran!que!el! tan!solo!el!xilema!se!diferencia!a!altas!concentraciones.! La! regeneración! de! los! tejidos! vasculares! posterior! a! la! formación! de! una! herida! también! es! controlada! por! la! auxina! producida!en!las!hojas!nuevas!justo!encima!de!el!lugar!dañado.!El!retirar!las!hojas!interviene!en!la!regeneración!vascular!del! tejido,!y!la!aplicación!de!auxina!sustituye!a!la!hoja!para!estimular!la!regeneración.!

SEÑALIZACIÓN%DE%AUXINA%EN%RUTAS%DE%TRANSDUCCIÓN% Los!genes!inducidos!por!auxina!se!clasifican!en!dos!clases:!(1)!la!expresión!de!genes!que!es!estimulada!por!la!activación!de! factores!de!transcripción!preexistentes,!los!cuales!son!llamados!genes!de!respuesta!primaria!o!genes!tempranos,!y!(2)!los! llamadas!genes!de!respuesta!secundaria!o!genes!tardíos,!los!cuales!en!general!son!regulados!por!proteínas!transcritas!de! los!genes!tempranos.! La!definición!de!genes!tempranos!implica!que!todas!las!proteínas!requeridas!para!la!expresión!inducida!por!auxinas!están! presentes!en!la!célula!al!momento!de!la!exposición!a!la!hormona;!por!lo!tanto,!la!expresión!de!genes!tempranos!no!puede! ser!bloqueada!por!inhibidores!de!síntesis!de!proteínas.!

Los genes tempranos son regulados por factores que responden a auxina Los! ! de! la! familia! génica! AUX/IAA! codifican! unos! factores! de! transcripción! de! vida! corta! que! funcionan! como! represores!o!activadores!de!los!genes!tardíos!inducibles!por!auxinas.!La!expresión!de!la!mayoría!de!los!genes!de!la!familia! AUX/IAA!se!estimula!por!auxinas!entre!5!y!60!minutos!después!de!añadir!la!hormona.!Todos!los!genes!codifican!pequeños! polipéptidos!hidrofílicos!que!tienen!supuestos!motivos!de!unión!al!DNA!similares!a!los!de!los!represores!bacterianos.!Tienen! una!vida!media!corta!(unos!7!minutos),!lo!que!indica!que!se!recambian!rápidamente.! Los! genes! de! respuesta! temprana! a! auxinas! son,! por! definición,! insensibles! a! los! inhibidores! de! la! síntesis! de! proteínas! como! la! cicloheximida.! En! lugar! de! ser! inhibidos,! la! expresión! de! muchos! de! los! genes! de! respuesta! temprana! de! auxina! resulta!estimulada!por!la!cicloheximida.! La! estimulación! de! la! expresión! génica! por! cicloheximida! se! debe! tanto! a! la! activación! transcripcional! como! a! la! estabilización! del! ARNm.! La! activación! transcripcional! de! un! gen! por! inhibidores! de! la! síntesis! de! proteínas! indica! normalmente!que!el!gen!está!reprimido!por!una!proteína!represora!de!vida!corta!o!por!una!ruta!reguladora!que!implica!una! proteína!con!una!alta!velocidad!de!recambio.! Una!familia!de!factores&de&respuesta&a&auxinas&(ARF)!funciona!como!activadores!transcripcionales!por!unión!al!elemento! de!respuesta!a!auxinas!TGTCTC,!que!está!presente!en!algunos!promotores!(GH3)!y!otros!genes!de!respuesta!temprana!a! auxinas.!Las!mutaciones!en!los!genes!ARF!dan!lugar!a!graves!defectos!en!el!desarrollo.!Para!unirse!a!AuxRE!(elementos!de! respuesta! a! auxinas)! estable,! los! ARF! deben! formar! dímeros.! Se! ha! propuesto! que! los! dímeros! ARF! promueven! la! transcripción!al!unirse!a!dos!AuxRE!ordenados!en!un!palíndromo.!

!

88!

Estudios! recientes! indican! que! las! proteínas! codificadas! por! la! familia! génica! AUX/IAA! (en! sí! misma! una! de! las! familias! génicas!de!respuesta!temprana!a!auxinas)!pueden!inhibir!la!transcripción!de!los!genes!de!respuesta!temprana!a!auxinas!por! formación! de! heterodímeros! inactivos! con! ARF.! Estos! heterodímeros! inactivos! pueden! actuar! inhibiendo! la! unión! ARFg AuxRE,!y!bloquear,!por!tanto,!bien!la!activación!o!bien!la!represión!del!gen.!Las!proteínas!AUX/IAA!puede,!así,!actuar!como! inhibidores!de!los!ARF.! Actualmente! se! cree! que! las! auxinas! inducen! la! transcripción! de! los! genes! de! respuesta! temprana! promoviendo! la! degradación!proteolítica!de!las!proteínas!inhibidoras!AUX/IAA,!de!manera!que!se!puedan!formar!dímeros!ARF!activos.!Se! desconoce! el! mecanismo! preciso! por! el! cual! las! auxinas! provocan! el! recambio! de! AUX/IAA,! aunque! se! cree! que! pueden! estar!implicadas!la!ubiquitinación!por!una!ubiquitina!ligasa!y!la!proteólisis!por!el!gran!complejo!proteosoma!26S.!!

!

El calcio y el pH intracelular son posibles intermediarios de señalización El!calcio!juega!un!papel!muy!importante!en!la!transducción!de!señal!en!animales!y!se!cree!que!está!implicado!también!en!la! acción! de! ciertas! hormonas! vegetales.! El! papel! del! calcio! en! la! acción! de! las! auxinas! parece! muy! complejo,! y! en! este! momento,! muy! incierto.! Sin! embargo,! algunas! evidencias! experimentales! sugieren! que! las! auxinas! aumentan! el! nivel! de! calcio!libre!en!la!célula.! Los!cambios!en!el!pH!citoplasmático!también!pueden!servir!como!segundos!mensajeros!en!animales!y!plantas.!En!plantas,! cuatro!minutos!después!de!su!aplicación,!las!auxinas!inducen!un!descenso!del!pH!citosólico!de!alrededor!de!0,2!unidades.! Se! desconoce! la! causa! de! esta! caída! del! pH.! Como! el! pH! cotosólico,! normalmente,! es! de! 7,4! y! el! óptimo! para! la!! ! − !

89!

!"#$%$!de!la!membrana!plasmática!es!de!6,5,!un!descenso!de!0,2!unidades!en!el!pH!podría!provocar!un!gran!aumento!de! la!actividad!de!la!! ! − !"#$%$!de!la!membrana!plasmática.!El!descenso!del!pH!citosólico!también!podría!estar!implicado! en!el!aumento!del!calcio!libre!intracelular!inducido!por!auxina,!al!promover!la!disociación!de!las!formas!unidas.!! Las!MAPs!quinasas!también!están!implicadas!en!la!respuesta!a!auxinas.!Estas!proteínas!tienen!un!papel!importante!en!rutas! de! transducción! de! señales! al! fosforilar! proteínas! en! una! cascada! que,! en! último! término,! activa! los! factores! de! transcripción.!Cuando!se!someten!células!de!tabaco!a!condiciones!de!ausencia!de!auxinas,!se!detienen!al!final!de!la!fase!!! ! o!!! !y!cesan!su!división;!si!se!añaden!auxinas!al!medio!de!cultivo,!reanudan!su!ciclo.!Parece!que!la!auxina!ejerce!sus!efectos! sobre!el!ciclo!celular!principalemente!por!estimulación!de!la!síntesis!de!la!principal!proteína!quinasa!dependiente!de!ciclina! (CDK):!Cdc2!(ciclo!de!división!celular!2).!

! !

!

!

90!

FLORACIÓN! Para!que!la!planta!forme!flores!el!meristema!vegetativo!debe!transformarse!a!meristema!floral,!los!estímulos!que!generan! este!cambio!son:! •

•

Externos!(duración!del!día!y!temperatura):! a. Fotoperiodo! b. Vernalización!(horas!de!frío)! Internos!(tamaño!o!edad!de!la!planta):! c. Vía!de!las!Giberelinas! d. Vía!Autónoma!

FOTOPERIODO! Las! plantas! son! capaces! de! percibir! señales! lumínicas! que! modulan! su! crecimiento! y! desarrollo.! Así,! por! ejemplo,! la! 11 germinación!de!semillas,!la!degetiolación !de!plántulas,!el!crecimiento!vegetativo,!la!orientación!de!órganos!y!la!transición! hacia! el! desarrollo! reproductivo! son! algunos! de! los! procesos! que! son! profundamente! modificados! por! las! condiciones! lumínicas!prevalecientes.! Con!base!a!las!respuestas!de!la!planta!frente!a!la!duración!relativa!de!los!períodos!de!luz!y!oscuridad,!o!fotoperiodo,!Garner! y!Allard,!a!principios!de!1920,!agruparon!las!plantas!en!tres!categorías!principales:! 1.

2.

3.

Plantas!de!día!corto!(DC):!la!floración!se!produce!cuando!las!horas!de!luz!no!superan!un!determinado!valor!crítico! (en! general,! tiene! que! ser! menos! de! 12! horas,! pero! la! mayor! parte! tienen! que! tener! no! más! de! 8! horas! de! luz! diarias),!por!encima!del!cual!las!especies!DC!retardan!la!floración!o!no!florecen.!Este!valor!crítico!es!relativo!y!varía! según!el!ecotipo.! Plantas!de!día!largo!(DL):!la!floración!es!estimulada!por!períodos!que!sobrepasan!un!determinado!valor!crítico!de! horas!de!luz!en!el!día!(más!de!12!horas!de!luz).!Sobre!este!valor!las!plantas!DL!tienden!a!florecer!más!rápidamente,! pero!debajo!del!mismo!estas!especies!retardarían!la!floración!o!no!florecerían!del!todo.! Plantas!de!día!neutro!(DN):!no!son!afectadas!por!el!fotoperiodo.!

Posterior!a!la!clasificación!de!Garner!y!Alland,!se!comprobó!que!la!interrupción!del!período!de!oscuridad!con!un!breve!pulso! de! luz! altera! el! patrón! de! comportamiento! de! las! plantas! de! día! corto! y! de! día! largo,! haciendo! que! las! primeras! se! mantengan!en!condición!vegetativa,!y!que!en!las!segundas!ocurra!la!inducción!floral.!Cuando!se!simula!el!mismo!proceso,! pero! cortando! el! período! de! luz! con! un! breve! período! de! oscuridad,! se! ha! observado! que! no! hay! alteraciones! en! el! comportamiento!de!las!plantas,!manteniéndose!este,!como!si!esta!interrupción!del!fotoperiodo!no!hubiera!ocurrido.!Esto! llevó!a!la!conclusión!de!que!es!más!importante!el!período!de!oscuridad!que!el!período!de!luz!en!la!inducción!de!la!floración! por!el!fotoperiodo!y!que!la!clasificación!anterior!quizás!debió!hacer!referencia!a!la!noche!y!no!al!día,!pero!por!respeto!a!los! descubridores!la!clasificación!se!ha!mantenido!históricamente.! Es! importante! señalar! que! el! término! DC,! DL! o! DN,! es! aplicable! a! la! especie! y! no! a! la! variedad! o! ecotipo.! No! obstante,! existen!variedades!DN!en!especies!DC!y!DL,!pero!no!existen!variedades!DC!en!las!especies!DL!o!viceversa.!Es!una!variedad! cuyo!valor!crítico!es!muy!reducido,!en!comparación!con!una!variedad!tardía!de!la!misma!especie.!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 11!Etiolación:!Proceso!de!crecimiento!de!las!semillas!o!plantas!en!condiciones!de!oscuridad.!Se!caracteriza!por!la!carencia!tanto!de! clorofila!como!de!desarrollo!de!los!cloroplastos,!por!el!alargamiento!de!los!internodios!y!por!la!escasez!de!lignificación.!

!

91!

! Estudios! llevados! a! cabo! con! ondas! monocromáticas! llevaron! a! concluir! que! la! percepción! de! la! inducción! floral! está! relacionada!con!las!ondas!situadas!en!el!ámbito!del!rojo/infrarrojo!(entre!los!660!y!730!nm!de!longitud!de!onda),!y!en!el! ámbito!de!la!luz!azul/ultravioleta!(entre!los!320!y!520!nm).!Este!tipo!de!señal!es!percibido!por!fotorreceptores,!de!los!cuales! se! conocen! varios! fitocromos! (phy),! criptocromos! (cry)),! fototropinas! y! fotorreceptores! no! identificados! de! radiación! ultravioleta!B.!Los!dos!primeros,!son!los!que!se!han!estudiado!con!mayor!profundidad.! Los!fitocromos!son!cromoproteínas!compuestas!por!dos!subunidades!idénticas!de!120g130!kDa,!cada!una!formada!por!una! apopreteína!y!un!cromóforo.!El!cromóforo!está!constituído!por!una!cadena!de!cuatro!anillos!pirrólicos!unidos!entre!sí!por! puentes!de!carbono.!En!el!puente!entre!los!anillos!C!y!D!hay!un!doble!enlace,!que!cambia!de!trans!a!cis!por!influencia!de!la! luz.!El!cromóforo!puede!entonces!adquirir!dos!conformaciones!interconvertibles:!Pr!(fitocromo!que!absorbe!la!luz!roja)!y!Pfr! (fitocromo! que! absorbe! el! rojo! lejano).! La! planta! sintetiza! la! forma! Pr! (fiosológicamente! inactiva),! la! cual,! mediante! la! absorción!de!luz!(pico!en!luz!roja,!660!nm),!es!transformada!en!Pfr!(forma!fisiológicamente!activa).!Mediante!la!absorción! de! luz! (pero! en! este! caso! con! un! pico! en! la! longitud! de! onda! del! rojo! lejano,! 730! nm)! la! forma! Pfr! es! transformada,! de! vuelta,! en! Pr.! Esto! probablemente! ocurre! por! medio! de! la! propiedad! kinasa! del! fitocromo,! ya! que,! dependiendo! de! la! longitud!de!onda!de!la!luz!percibida,!el!fitocromo!se!fosforila,!o!bien,!le!ocurre!lo!inverso.! Estudios! moleculares! han! puesto! en! evidencia! que! en! las! plantas! existe! más! de! un! fitocromo.! En! Arabidopsis% thaliana! se! han!identificado!cinco!fitocromos!(del!phyA!al!phyE),!cuyas!apoproteínas!son!codificadas!por!genes!divergentes.!!

!

92!

! En!la!figura!se!pueden!apreciar!dos!tipos!de!plantas,!unas!su!floración!es!controlada!en!el!fitocromo!por!la!luz!roja!(R)!y!otra! por!luz!roja!lejana!(FR).!Un!flash!de!luz!roja!durante!la!noche!(o!el!periodo!oscuro)!induce!la!floración!en!la!planta!DL,!y!el! efecto!es!contrario!con!un!flash!de!luz!roja!lejana.!Esta!respuesta!muestra!la!influencia!del!fitocromo.!En!las!plantas!DC,!un! flash!de!luz!roja!previene!la!floración,!y!la!luz!roja!lejana!hace!el!efecto!contrario.!Cuando!se!hacen!varios!flashes,!el!último! estímulo!prevalece!y!la!luz!roja!imita!al!día.!En!el!caso!de!que!se!presentara!un!flash!de!luz!roja!y!roja!lejana!a!la!vez,!el!que! tenga!una!menor!longitud!de!onda!prevalecerá,!por!lo!que!será!como!si!se!emitiera!tan!solo!un!rayo!de!luz!roja!ya!que!este! será!el!que!tiene!más!energía.!Considerando!esto,!durante!el!día!la!luz!roja!prevalece!por!sobre!la!roja!lejana,!pero!en!el! atardecer!será!la!luz!roja!lejana!la!que!predomine.! En! la! foto! se! observa! como! Fuchsia,! que! es! de! día! largo,! si!se!interrumpe!la!oscuridad! a! las! 8! horas! va! a! florecer! casi!en!un!100%,!y!a!medida! que!se!retrocede!o!avanza!en! la! cantidad! de! horas! la! proporción! de! plantas! con! flor! va! disminuyendo.! Para! Xanthium,! la! cual! es! de! día! corto,!se!ve!el!caso!contrario,! donde! la! menor! cantidad! de! plantas! con! flor! se! obtiene! cuando!se!le!aplica!luz!a!las!8! horas,! y! al! alejarse! o! acercarse! de! ese! número! la! proporción! de! plantas! con! flor!va!aumentando.!

!

93!

Además!de!todo!lo!que!se!ha!visto,!se!debe!considerar!que!diferentes!estímulos!convergen!hacia!señales!únicas,!haciendo! que!sean!reemplazables!(por!ejemplo!el!frio!puede!sustituir!el!largo!del!día).!

! El!fitocromo!b!es!el!que!afecta!el!tiempo!o!momento!en!que!una!planta!tiene!que!florecer.!

VERNALIZACIÓN! Algunas! plantas! necesitan! estar! expuestas! a! un! período! de! frío,! llamado! vernalización,! antes! de! que! ciertos! procesos! del! desarrollo! se! lleven! a! cabo.! Por! ejemplo,! en! las! praderas! de! California,! muchas! especies! de! hierbas! nativas! no! germinan! hasta!después!de!un!período!frío!de!varios!días,!aún!cuando!la!precipitación!ya!haya!ocurrido.!Debido!a!que!la!época!de!la! primera!lluvia!de!la!estación!en!esta!área!es!muy!variable!y!a!que!la!lluvia!temprana!es!usualmente!seguida!por!un!período! muy! seco! antes! de! que! empiece! una! precipitación! más! consistente,! si! la! germinación! ocurriera! con! la! lluvia! inicial,! la! mayoría! de! las! nuevas! plántulas! probablemente! no! sobrevivirían.! De! esta! forma,! hay! una! ventaja! selectiva! en! retrasar! la! germinación!hasta!después!de!que!ocurra!la!vernalización.!! En!general,!la!respuesta!de!floración!ante!la!vernalización!depende!de!la!temperatura!usada!y!de!la!duración!del!período!de! vernalización.! La! combinación! de! temperaturas! y! tiempos! de! exposición! que! resulta! más! eficaz! para! conseguir! una! respuesta!máxima!debe!determinarse!para!cada!especie!vegetal.! Se!suele!considerar!el!ápice!del!tallo!como!la!parte!de!la!planta!que!responde!inicialmente!al!tratamiento!frío.!Al!parecer,!el! ápice!caulinar!es!el!punto!de!percepción!de!la!vernalización,!y!el!estímulo!es!transportado!a!las!otras!partes!de!la!planta.!Sin! embargo,!se!ha!comprobado!que!los!tejidos!vegetales!jóvenes!aisladas!de!hojas,!tallos!y!raíces!pueden!ser!vernalizados.!Si! se!les!somete!a!un!tratamiento!frío,!las!plantas!regeneradas!a!partir!de!ellos!florecen!normalmente.!Por!esto!se!ha!llegado!a! la!conclusión!de!que!para!la!percepción!de!vernalización!es!necesaria!la!presencia!de!células!en!división,!sin!importar!cuál! sea! su! localización! en! la! planta.! En! principio,! cualquier! tejido! de! la! planta! en! fase! de! división! celular! es! un! punto! de! percepción! potencial! de! la! vernalización.! Una! vez! que! el! tejido! ha! recibido! el! estímulo! vernalizador! la! inducción! es! ya! permanente.!Es!decir,!las!células!originadas!a!partir!de!células!vernalizadas!mantienen!siempre!la!vernalización.!También! los!embriones!de!las!semillas!pueden!ser!vernalizados.! El! efecto! inductor! de! la! vernalización! puede! ser! revertido! por! un! tratamiento! inmediato! posterior! a! altas! temperaturas! (próximas! a! 30ºC).! Este! efecto! se! conoce! como! desvernalización! y! es! tanto! más! intenso! cuanto! más! corto! haya! sido! el! tratamiento!frío.!

!

94!

!

CONTROL!GENÉTICO! Existen! varios! genes! implicados! en! la! floración! y! desarrollo! de! la! planta.! Uno! de! ellos! es! el! gen! Constantan! (CO),! que! se! encuentra! relacionado! al! periodo! durante! el! cual! se! mantiene! la! planta! en! un! estado! vegetativo.! El! gen! constantan! WT! viene!asociado!a!un!promotor!lento,!por!lo!que!se!producen!pocas!transcripciones!del!gen!en!un!periodo!de!tiempo,!pero!si! a!este!se!le!asocia!un!promotor!rápido!(un!promotor!que!se!transcribe!constantemente!sin!importar!las!regulaciones!del! medio)! como! podría! ser! el! 35S,! las! cantidades! de! CO! transcritas! para! que! la! planta! pase! de! un! estado! vegetativo! a! uno! adulto!se!obtendrán!mucho!más!rápido,!de!esta!forma!la!planta!podría,!por!ejemplo,!florecer!siendo!aún!pequeña.! Además! de! este! gen,! hay! una! cascada! de! reacciones! para! sacar! a! la! planta! del! estado! vegetativo,! tal! como! se! puede! observar!en!la!figura!más!abajo,!la!transcripción!del!gen!CO!regula!otros!genes!que!finalmente!inducen!a!la!floración.!Una! vez!que!el!gen!AP1!(apetala!1)!es!inducido,!la!floración!se!llevará!a!cabo.!

! Existen! distintas! vías! que! regulan! la! floración! en! Arabidopsis% thaliana,! entre! ellas! podemos! destacar:! (1)! la! promoción! fotoperiódica,!(2)!la!promoción!de!la!vernalización,!(3)!la!promoción!autónoma!y!la!(4)!represión.!

!

95!

! Ya! que! existen! inducciones! por! giberalinas,! vernalización! y! fotoperiodo,! y! que! además! estas! pueden! intercambiarse,! se! pensó! en! 1938! la! existencia! de! una! señal! única,! a! la! que! se! le! llamo! florígeno.! En! la! actualidad! se! cree! que! el! buscado! florigeno! es! un! mARN! transcrito! del! gen! FT,! el! cual! esta! relacionado! a! la! vía! de! promoción! fotoperiodica,! que! se! mueve! desde!la!hoja!al!meristema!apical!e!induce!la!floración.!

! El!modelo!de!cómo!los!días!largos!promueven!la!floración!en!A.%thaliana!se!muestra!a!continuación,!considerando!la!WT! donde! el! gen! CO! es! transcrito! lenta! y! continuamente! (forma! sinusoidal)! a! lo! largo! del! día,! para! que! el! FT! se! exprese! es! necesario!que!se!acople!a!otras!proteínas!que!sólo!se!induce!de!día,!debido!a!que!durante!los!días!cortos!(o!noches!largas)! !

96!

estas!proteínas!no!coinciden!con!la!producción!de!CO,!no!se!expresa!el!FT.!La!sobreexpresión!de!CO!y!FT!inducen!floración! temprana!en!Arabidopsis.!!

! En! cuanto! a! la! vía! autónoma,! que! es! la! monitorea! el! desarrollo! endógeno! de! la! planta,! muchos! genes! implicados! se! encuentran!inhibidos!por!TFL1.!Además,!la!sobreexpresión!de!LFY!(en!cítricos)!produce!la!floración!temprana,!haciendo!que! suceda!al!año!de!vida,!en!vez!de!a!los!8!años.!!

MODELO!ABC! El! análisis! de! mutaciones! que! alteran! el! desarrollo! floral! ha! permitido! la! realización! de! estudios! a! escala! molecular! y! el! desarrollo!de!un!mejor!conocimiento!de!la!regulación!génica.!En!el!caso!de! Arabidopsis,! una! mutación! en! algunos! de! los! siguientes!cuatro!genes:!AP2,!AG!(Agamous),!PI!(Pistilata)!y!AP3!(Apetala!3)!afecta!el!desarrollo!en!dos!órganos!contiguos! (sépalos!y!pétalos,!pétalos!y!estambres,!estambres!y!carpelos).!En!vista!de!que!estos!genes!determinan!la!identidad!de!los! diferentes!órganos!florales!así!como!su!ubicación,!y!de!que!aquellas!alteraciones!en!su!expresión!producen!alteraciones!en! la!cantidad!y!forma!de!estos!órganos,!es!que!se!definen!como!genes!homeóticos.! Los! genes! MADgbox! (genes! homeoticos)! cumplen! un! gran! número! de! funciones! y! se! ha! visto! que! tienen! una! compleja! historia! evolutiva.! Estos! derivan! su! nombre! de! las! iniciales! de! sus! cuatro! ! fundadores! –MCM1! (proviene! de! Saccharomyces)! Agamous! (AG;! un! gen! hallado! en! Antirrhinum)! y! Serum! Response! Factor! (SRF;! un! gen! del! humano)g! y! agrupa!a!las!secuencias!codificadoras!de!factores!de!transcripción!que!presentan!un!dominio!formado!por!60!aminoácidos! denominado!MADS.!

! Con!base!en!la!distribución!y!desarrollo!de!la!flor!de!Arabidopsis,!se!ha!propuesto!el!modelo!ABC!para!describir!la!formación! y! desarrollo! de! órganos! florales.! Según! este! modelo,! puede! considerarse,! en! forma! simplificada,! que! el! desarrollo! de! los! cuatro!anillos!concéntricos,!que!constituyen!los!órganos!de!la!flor!madura!(sépalos,!pétalos,!estambres!y!carpelos),!están! regulados!por!tres!campos!de!actividad!génica,!denominados!A,!B!y!C,!los!cuales!se!traslapan!entre!sí.! !

97!

! La!regulación!del!modelo!ABC!se!muestra!en!la!figura!a!continuación,!donde!el!bloque!A!inhibe!al!bloque!C,!y!el!B!activa!a! los!bloques!A!y!C,!y!viceversa.!Además!de!esto,!los!genes!pertenecientes!al!bloque!B!se!autoregulan,!esto!quiere!decir!que! una!vez!que!se!induce!por!ejemplo!el!gen!AP3,!este!va!a!activar!al!gen!PI!y!va!a!aumentar!la!transcripción!de!si!mismo.!

! !

98!

!

GAMETOGÉNESIS,!FERTILIZACIÓN!Y!AUTOgINCOMPATIBILIDAD!

! Las! plantas! no! producen! células! haploides! todo! el! tiempo,! ya! que! estas! no! siempre! tienen! gametos.! Hay! ciertas! épocas! donde!las!plantas!generan!un!cambio,!al!que!llamamos!floración,!regulado!por!varias!señales!ambientales!como!se!vio!en!el! capítulo!anterior!(largo!del!día!y!temperatura),!y!en!respuesta,!un!grupo!de!células!diploides!se!transforman!en!otro!tipo!de! células!haploides!que!darán!origen!a!los!gametos.!Debido!a!esto!se!puede!decir!que!las!plantas!alternan!su!ciclo!de!vida! entre!esporofito!y!gametofito,!y!también!que!producen!sus!gametos!a!partir!de!las!mismas!células!que!previamente!dieron! origen! a! otras! estructuras! del! organismo,! a! diferencia! de! los! seres! humanos! que! tienen! unas! células! definidas! para! la! reproducción!desde!su!nacimiento.!

!

!

!

99!

POLEN! MICROESPOROGÉNESIS%Y%MICROGAMETOGÉNESIS% El! desarrollo! del! polen! comienza! en! la! antera,! con! unas! células! diploides! llamadas! células! madres! del! polen,! las! cuales! van! a! efectuar! un! proceso! que! se! conoce! como! microesporogénesis,!el!cual!consiste!en!la!formación!de!esporas!haploides!que!luego!darán! origen! a! los! granos! de! polen,! entre! otras! cosas.!La! microesporogénesis! es! la! meiosis! de! las! células! madres! del! polen! para! formar! microesporas,! la! cantidad! formada! dependerá! por! lo! tanto!de!la!cantidad!de!células!madres,!las!cuales!varían!entre!especies!dentro!de!un!rango.! Tras! esto! comienza! el! proceso! de! microgametogénesis,! cada! microespora! pasará! por! un! evento! de! mitosis! formándose! dos! células,! una! dentro! de! la! otra! (la! célula! interior! tiene! membrana! y! un! vestigio! de! la! pared! celular),! y! luego! la! célula! interior! sufrirá! nuevamente! una! mitosis! formando! las! células! espermáticas.! En! paralelo! comienza! una! modificación! del! citoplasma! de! la! célula! que! contiene! a! las! otras! (célula! vegetativa),! donde! se! desarrollan! moléculas! relacionadas! con! reservas! energéticas,! principalmente! lípidos!y!almidón,!pierde!parte! importante! de! su! agua! (partícula! parcialmente! deshidratada)! y! además! se! generan! en! el! grano! de! polen! maduro! (terminadas! las! mitosis)! dos! paredes! celulares! distintas:! una! conocida! como! intina,! que! es! la! que! esta! en! o! directo! con! la! membrana! plasmática,! y! otra! que! se! llama! exina& (compuesta! por! esporopolenina),! que! tiene! su! origen! en! el! proceso! esporofítico! y! es! excretada! por! las! células! que! están! por! fuera!y!le!permite!al!grano!de! polen! resistir! parte! importante! del! estrés! al! que! está!sometido.!! En! la! imagen! al! costado! se! pueden! ver! las! etapas! del! desarrollo! de! la! microesporogénesis! y! !

100!

microgametogénesis,! donde! ya! en! la! etapa! 5! (Stage! 5)! se! distinguen! las! células! madres! (MMC)! y! el! tapetum! (T),! el! cual! nutrirá!a!las!esporas!en!desarrollo,!si!se!mata!al!tapetum!en!la!etapa!inicial!del!desarrollo!el!polen!se!muere.!Con!el!tiempo! el!tapetum!empieza!a!degenerar,!aproximadamente!después!de!la!primera!mitosis!donde!se!genera!un!salto!donde!el!polen! comienza!a!juntar!moléculas!energéticas!y!se!vuelve!nutricionalmente!independiente,!y!con!esto!el!citoplasma!de!los!granos! de!polen!comienzan!a!verse!más!densos!debido!a!la!deshidratación!y!la!formación!de!más!estructuras.!!Al!analizar!el!polen! se! puede! ver! la! desaparición! de! la! vacuola! el! cual! es! un! indicador! también! de! la! primera! mitosis! (de! la! Imagen! e! a! f).! También!se!fusionan!las!cavidades!que!contienen!a!los!granos!de!polen!(etapa!12)!formando!dos!cavidades!y!para!que!el! polen!finalmente!sea!liberado!existen!dos!células!que!deben!morir!(etapa!13).!

! En!esta!imagen!resumen!se!pueden!observar!dos!eventos!de!mitosis!en!la!microgametogénesis,!la!primera!división!es!muy! asimétrica! produciendo! una! célula! muy! grande! que! se! llama! célula! vegetativa! y! otra! muy! pequeña! llamada! célula! generativa!(citoplasma!envuelto!en!rojo),!esto!posible!debido!a!la!vacuola,!la!cual!empuja!el!núcleo!a!un!lado,!si!esta!no!esta! presente!en!la!célula!en!esta!etapa!la!mitosis!será!simétrica,!luego!de!esto!se!pierde.!En!general!esta!última!se!encuentra! contra! el! citoplasma! de! la! célula! vegetativa,! pero! luego! se! internaliza.! La! célula! en! este! estado! se! llama! polen! bicelular.! Luego!ocurrirá!un!segundo!evento!de!mitosis!que!sólo!afectará!a!la!célula!generativa!y!el!grano!de!polen!pasará!a!llamarse! tricelular.! Finalmente! aumentará! de! tamaño,! acumular! reservas! energéticas,! perder! parte! importante! del! agua! y! por! lo! tanto!ahora!es!más!grande!y!denso.! miércoles, 24 de abril de 13

!

MUTACIONES%GAMETOFÍTICAS% La!mutación!gametofítica!masculina!afecta!a!genes!que!se!expresen!postmeioticamente!(directamente!involucrados!en!la! microgametogenes)!y!por!lo!tanto!solo!los!granos!de!polen!que!llevan!el!alelo!mutado!muestran!el!fenotipo.!Este!tipo!de! mutaciones! se! transmite! pobremente! a! la! descendencia! a! través! del! polen! y! en! los! casos! más! severos! las! plantas! heterocigotas!muestran!un!50%!de!polen!afectado!(por!ejemplo!si!el!gen!mutado!afecta!algo!esencial!por!lo!que!el!polen! que!lleva!el!agente!mutado!morirá).!! !

101!

1.

Una! de! estas! mutaciones! es! el! sidecar& pollen% el! cual! hace! que! los! granos! de! polen! que! originalmente! eran! ovalados,! aparezcan! algunos! muertos! (granos! de! polen! pequeños)! y! otros! con! deformidades! y! de! un! tamaño! mucho!mayor.!Dentro!de!los!granos!de!polen!mutados!hay!una!célula!que!no!se!diferenció!lo!cual!se!corresponde! con!el!gran!tamaño.!Esta!mutación!no!se!guía!por!genética!mendeliana!debido!a!que!los!granos!de!polen!que!la! presentan! dentro! de! una! planta! que! contenga! la! mutación! no! es! del! 50%,! por! lo! que! presenta! penetrancia! incompleta!y!aún!no!se!sabe!cual!es!el!gen!mutado.!!

2.

Mutación!gemini%pollen1!la!cual!genera!una!disrupción!simétrica!en!la!mitosis!y!esta!relacionado!con!una!proteína! sidecar sidecar pollen pollen que!se!encuentra!en!el!citoplasma.!El!gen!que!codifica!para!que!esto!suceda!se!llama!MOR1/GEM1.! sidecar pollen Penetrancia molecular desconocida desconocida Penetrancia incompleta incompleta // Identidad Identidad molecular molecular desconocida

Tras!unos!pocos!estudios!sobre!fenotipos!mutados!en!el! miércoles, 24 de abril de 13 miércoles, 24 de abril de 13 polen,!en!el!2004!se!hizo!un!estudio!donde!se!buscaban! los!genes!importantes!para!el!desarrollo!del!polen!y!para! esto! caracterizó! el! transcriptoma! del! polen! en! base! a! la! siguiente! pregunta:! ¿Qué! genes! se! están! expresando! en! cada! una! de! las! etapas! del! desarrollo! del! polen?.! Para! esto!se!estudio!la!expresión!de!los!genes!en!cada!una!de! las! cuatro! etapas;! unicelular! (UNM),! bicelular! (B),! tricelular! (T)! y! maduro! (MGP),! y! como! iba! cambiando! la!expresión!de!los!genes!a!lo!largo!del!desarrollo.! En!la!imagen!cada!punto!representa!a!un!gen!y!se!mide!la! expresión!de!ese!gen.! Otro! experimento! fue! con! toxinas! para! ver! cuantos! granos! de! polen! se! pueden! germinar! en! presencia! de! Actinomicina! D,! el! cual! es! un! inhibidor! de! la! transcripción,! y! Cicloheximida,! que! es! un! inhibidor! de! la! traducción,! y! se! concluyó!que!a!medida!que!aumenta!la!concentración!del!inhibidor!de!la!traducción!cae!drásticamente!la!germinación!del! polen,! no! así! en! presencia! de! la! inhibición! de! la! transcripción.! Esto! quiere! decir! que! el! polen! genera! antes! los! ARN! que! utilizará!después!en!la!germinación!(en!conjunto!con!la!producción!de!moléculas!energéticas),!debido!a!la!competencia!que! se!genera!en!esa!etapa!por!lo!que!necesitan!desarrollar,!entre!otras!cosas,!un!tubo!polínico!con!rapidez.!

!

102!

!!!!!!!!

!

Para!que!se!mantenga!viable,!el!ARN!generado!es!más!resistente!que!el!común!ya!que!se!forman!nucleopartículas!entre! miércoles, 24 de abril de 13 ARN!y!no!hay!agua,!por!lo!que!las!RNAasas!no!pueden!actuar.! Con!toda!esta!información,!se!busco!racionalizar!la!búsqueda!de!genes!requeridos!para! el!desarrollo!y!función!del!polen.!Para!esto!se!vio!la!acumulación!de!transcriptomas!de! esos! genes! en! cada! etapa,! donde! negro! es! 0! y! verde! brillante! es! 10.! Los! genes! que! aparecen!en!negro!en!todas!las!etapas!no!interesan!debido!a!que!no!participan!y!los!que! están!verde!brillante!en!todas,!tampoco!interesan!debido!a!que!no!son!genes!regulados.! El!estudio!se!baso!en!genes!que!están!apagados!al!principio,!pero!cuando!comienza!la! microgametogénesis! estos! se! prenden,! y! por! lo! tanto! sus! promotores! estaban! respondiendo! a! señales! que! aparecen! específicamente! en! esa! etapa,! por! lo! que! se! tomaron!los!genes!de!interés!y!se!le!hizo!un!segundo!análisis.!!

3

miércoles, 24 de abril de 13

! ! miércoles, 24 de abril de 13

En! el! segundo! análisis! se! buscó! ver! como! se! expresaban! estos! mismos!genes!en!otras!partes!de!la!planta.!Los!que!se!expresaban!en!varias!partes!de!la!planta!fueron!descartados,!pero!si! se!seleccionaron!los!que!se!expresaban!sólo!en!flores!y!polen,!además!de!presentar!una!cinética!progresiva!(como!se!vió!en! el!primer!análisis).!De!los!25.000!genes!iniciales!de!arabidopsis,!se!seleccionaron!470!que!cumplían!con!ambos!criterios,!y! de! estos! se! buscó! si! existían! plantas! mutantes! disponibles! en! los! bancos! de! mutantes,! de! los! cuales! se! encontraron! 157! líneas! mutantes! no! redundantes! (plantas! mutantes! en! 157! genes! distintos)! para! finalmente! caracterizarlas! fenotípicamente.!! !

103!

Se! hicieron! crecer! las! 157! mutantes! y! se! les! extrajo! polen!(scrining!fenotípico).!Se!les!hicieron,!entre!otras! cosas,! una! tinción! de! Alexander! que! determina! polen! vivo! de! polen! muerto! (los! vivos! se! tiñe! morado! el! citoplasma! y! los! muertos! solamente! verde! ya! que! se! tiñe! la! exina),! también! se! estudiaron! los! núcleos! usando! DAPI! (se! espera! que! hayan! 3! núcleos),! y! otra! tinción! que! es! acetato! de! difluoresceina! el! cual! es! un! fluoroforo! inerte! que! al! entrar! a! una! célula! viva! se! prende.! Con! esto! se! identificaron! genes! que! al! estar! mutados!alteraban!el!desarrollo!del!polen.! Luego!se!quiso!evaluar!¿como!se!regula!la!expresión!de! los! genes! en! el! polen?! Y! para! esto! se! tomaron! 5! genes! que! se! expresan! muy! fuertemente! en! polen! y! nada! en! los! otros! tejidos!y!se!le!adhirió!el!gen!GUS!al!promotor!que!se!creía!que!era!activo!sólo!en!el!polen.!Los!resultados!presentan!plantas! con!coloración!exclusivamente!en!el!polen,!pero!debido!a!que!el!gen!reportero!GUS!puede!estar!presente!en!otras!partes! Screening por fenotipo de!la!planta!y!debido!a!una!baja!expresión!no!se!observa!la!coloración,!se!hizo!un!nuevo!experimento!donde!al!promotor!de! Identificación de genes involucrados en el desarrollo y función del polen estos!genes!se!le!unió!barnasa,!la!cual!codifica!para!un!ARNasa!muy!potente,!por!lo!que!el!sector!de!la!planta!donde!fuera! miércoles, 24 de abril de 13 transcrito! no! podría! sobrevivir.! Las! plantas! resultantes! son! normales! pero! con! anteras! sin! polen,! y! por! lo! tanto! 100%! estériles.!Gracias!a!estos!descubrimientos,!se!podrían!generar!plantas!ornamentales!sin!polen!(para!disminuir!los!niveles!de! alergia!en!primavera,!por!ejemplo),!también!para!hacer!plantas!transgénicas!y!que!de!esta!forma!no!polinicen!las!wild!type.!!

! miércoles, 24 de abril de 13

miércoles, 24 de abril de 13

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104!

GAMETO!FEMENINO! MEGAESPOROGÉNESIS%Y%MEGAGAMETOGÉNESIS% El!desarrollo!del!gameto!femenino!es!similar!al!del!gameto!masculino,!la!principal!diferencia!es!que!durante!el!desarrollo! del!gameto!masculino!tiene!una!célula!madre!que!en!el!caso!del!polen!formaba!cuatro!esporas,!sin!embargo,!en!el!caso!del! gameto!femenino!tres!de!esas!cuatro!esporas!mueren.!Es!decir,!en!el!desarrollo!del!polen!se!observa!una!amplificación!del! número!de!células,!pero!en!el!caso!del!óvulo,!se!mantiene!la!relación!que!es!uno!es!a!uno,!una!célula!madre!formará!tan! sólo! una! espora! de! la! que! se! deriva! todo! el! resto.! El! gametofito! femenino! es! el! saco! embrionario! que! esta! constituído!por!ocho!células.! Posteriormente! se! desarrollará! mitosis,! una! mitosis! uno! de!la!que!se!obtienen!dos!células,!una!mitosis!dos!y!una! mitosis! tres,! que! permitirá! obtener! una! estructura! con! ocho! células! haploides.! Luego,! los! núcleos! se! van! a! reorganizar! y! esto! va! de! la! mano! con! una! celularización! (nueva!formación!de!membrana),!que!se!observa!cuando! tres! células! van! a! migrar! a! un! extremo,! las! células! antipodales,!otras!tres!quedarán!en!el!centro!y!dos!en!el! otro! extremo.! Dos! de! las! tres! células! del! medio! se! fusionan! formando! una! célula! diploide! llamada! célula! central,! que! posteriormente! formará! la! endosperma,! y! una!de!ellas!se!ira!al!polo!contrario!de!las!antipodales!y! se! transformará! en! la! célula! huevo.! Las! dos! células! del! extremo! pasarán! a! llamarse! células! sinergidas! y! son! las! encargadas! de! atraer! al! tubo! polínico.! Se! desconoce! la! función!de!las!células!antipodales!que!al!final!del!proceso!degeneran.! El!desarrollo!de!la!parte!exterior!del!saco!embrionario,!conocido!como!óvulo,!el!cual!es!diploide,!se!puede!apreciar!en!la! imagen! a! continuación.! También! se! han! encontrado! mutantes! que! afectan! este! desarrollo,! en! especial! una! que! afecta! el! crecimiento! externo! del! integumento! por! lo! que! el! óvulo! no! se! desarrolla.! Con! los! mutantes! se! ha! podido! observar! que! existen!dos!programas!de!crecimiento!autónomos:!el!crecimiento!de!la!célula!huevo!y!el!saco!embrionario,!y!por!otro!lado! el!ovulo.!

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105!

!

FERTILIZACIÓN! El!proceso!de!fertilización!en!las!plantas!es!sumamente! complejo,! debido,! entre! otras! cosas,! a! que! el! polen! y! los! óvulos! están! en! estructuras! distintas.! El! polen! (en! rojo)!se!adhiere!a!las!papilas!espermáticas!(en!verde)!y! germina.!Esta!germinación!consiste!en!una!elongación! de! la! célula! vegetativa,! que! empieza! a! estirarse! y! a! romper!el!tejido!en!dirección!del!óvulo,!para!esto!debe! desarrollar! membrana! y! organelos! además! de! crecer! en!la!dirección!correcta!a!través!del!tracto!transmitivo! (TT),! que! es! parte! del! ovario! con! el! que! genera! una! gran! interacción.! Este! es! el! desarrollo! de! tejido! más! rápido!que!se!conoce.! miércoles, 24 de abril de 13

miércoles, 24 de abril de 13

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Debido!a!que!el!polen!no!tiene!recursos!ilimitados!para!el!crecimiento,!a!medida!que!va!avanzando!construye!un!tabique! que!se!transforma!en!una!nueva!pared.!Esto!generará!un!empuje!gracias!a!las!paredes!que!va!construyendo!hacia!atrás,!y! de!esta!forma!el!citoplasma!irá!avanzando,!dejando!los!compartimentos!anteriores!vacíos.!En!la!punta!del!tubo!polínico!van! las!dos!células!espermáticas!y!el!núcleo!de!la!célula!vegetativa,!además!de!un!proceso!continuo!de!secreción!de!membrana! y!de!pared,!que!se!traduce!en!una!gran!actividad!del!retículo!y!del!aparato!de!Golgi.!Hacia!atrás!se!va!reciclando!membrana! para!poder!ir!formando!los!tabiques.!Desde!el!punto!de!vista!energético,!todo!esto!es!extremadamente!caro!y!eso!explica! porque!los!granos!de!polen,!hacia!el!final!del!desarrollo,!sintetizan!lípidos!y!almidón.! Otro!de!los!puntos!importantes!en!el!desarrollo!del!tubo!polínico!es!la!polaridad,!esto!significa!que!este!debe!crecer!en!una! dirección! para! poder! alcanzar! el! óvulo,! para! esto! se! utiliza! una! señalización! que! tiene! un! componente! genético,! ya! que! cuando! ciertos! genes! están! mutados,! el! tubo! tendrá! un! comportamiento! errático.! En! algunos! casos! se! puede! observar! crecimiento,!pero!al!no!tener!dirección!lo!hace!de!igual!forma!en!todos!los!sentidos!formando!una!protuberancia!esférica.! También!puede!suceder!que!comience!a!crecer!en!dos!direcciones.!

!

106!

! Además! de! la! señalización! interna! propia! del! polen,! existe! una! señalización! externa! llevada! a! cabo!por!el!ovulo.!Las!células!sinérgidas!van!a!producir!y!excretar!una!proteína!constantemente! que!funciona!como!una!señal!para!indicar!al!tubo!polínico!donde!se!encuentra!el!óvulo.!No!se! sabe! la! forma! en! que! esta! proteína! interactúa! con! el! tubo! polínico,! pero! si! se! pudo! observar! que,!debido!a!que!esta!está!siendo!excretada!todo!el!tiempo,!producirá!una!especie!de!halo!a!su! alrededor!que!es!captado!por!el!tubo!y!generará!en!él!un!cambio!en!su!dirección.!Esta!es!una! señal!de!corto!alcance.! Finalmente,!si!el!tubo!polínico!logra!llegar!al!óvulo,!alcanza!a!una!de!las!células!sinergidas!y!se! genera!apoptosis.!Al!romperse!el!tubo!se!liberan!dos!espermios!al!mismo!tiempo,!uno!de!ellos! se!junta!con!huevo!y!da!origen!al!cigoto!y!el!otro!se!junta!con!la!célula!diploide!formando!la!endosperma,!que!es!un!tejido! triploide!que!es!super!importante!para!la!nutrición.!!

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de abril de 13

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! 107!

AUTOINCOMPATIBILIDAD! El! 70%! de! las! angiospermas! producen! flores! hermafroditas,! esto! facilita! la! autogfecundación,! por! lo! que! las! plantas! han! desarrollado! formas! para! evitarla.! La! autogincompatibilidad! es! uno! de! los! mecanismos! más! importantes! que! poseen! las! plantas!para!evitar!la!autogfecundación!y!permite!generar!y!mantener!la!diversidad!genética!en!una!especie.! La! autogincompatibilidad! en! las! plantas! es! controlado! por! un!único!locus!multialelo!(locus!S),!y!hay!un!determinante! masculino!y!otro!femenino,!eso!permite!que!los!gametos!se! reconozcan! entre! ellos! evitando! mezclarse.! Esta! además! puede! ser! autogincompatibilidad! gametofítica! o! esporofítica,!donde!la!primera!es!la!más!estudiada!debido!a! que! se! encuentra! presente! en! las! rosáceas! y! solanáceas,! que!son!parte!fundamental!de!nuestra!dieta.!En!las!brassicas!(coliflor,!mostaza,!etc)!se!encuentra!presente!la!esporofítica.! En!la!gametofítica,!proteínas!que!están!dentro!del!grano!de!polen! van!a!interactuar!con!proteínas!que!están!en!el!ovario,!y!en!este! caso!el!tubo!polínico!elonga!existiendo!un!pequeño!crecimiento,! pero! si! expresa! el! grano! de! polen! que! tiene! un! alelo)! alguno! de! los! dos! determinantes! que! se! encuentran! en! el! óvulo,! va! a! detener! su! crecimiento! y! se! va! a! morir,! por! lo! que! hay! germinación.!Mientras!que!si!aparece!un!grano!de!polen!exógeno! que!no!expresa!ninguno!de!los!dos!determinantes!que!hay!en!el! ovario,!va!a!crecer!sin!ningún!problema.! En!el!caso!de!la!autoincompatibilidad!esporofítica,!hay!proteínas!producidas!por!la!antera!que!se!van!a!depositar!sobre!el! grano! de! polen! (a! diferencia! de! la! gametofitica! que! era! dentro,! debido! a! que! tiene! origen! diploide,! tendrá! “dos! alelos”),! debido!a!esto!se!detectaran!antes!de!que!se!genere!germinación!y!si!estos!coinciden!con!los!determinantes!femeninos!se! inhibirá!el!crecimiento!del!tubo!polínico.

! !

108!

MECANISMO%DE%LA%SSI%(AUTOINCOMPATIBILIDAD%ESPOROFÍTICA)% Dentro!del!Sglocus!se!han!identificado!3!genes!de!importancia,!uno!de!ellos!es!el!masculino!que!se!expresa!en!el!tapetum!de! la!antera,!la!cual!es!secretada!y!acumulada! sobre! el! polen.! Cuando! el! polen! entra! en! o! con! la! papila! estigmática,! la! proteína! que! viene! incluída! en! el! polen! (glicoproteína! adherida! a! la! exina)! va! a! interactuar!con!una!proteína!kinasa!llamada! SRK,! va! a! producir! su! autofosforilación,! activando! una! proteína! ARC1! que! va! a! gatillar! una! vía! de! transducción! de! señales! en! la! célula! estigmatica! que! finalmente! se! traduce! en! la! inhibición! de! la! germinación! del! polen.! Por! el! contrario,! si! se! tiene! un! grano! de! polen! con! otro! origen! va! a! tener! un!determinante!distinto,!y!en!este!caso!va! a! haber! germinación! y! elongación! del! tubo! polínico.!De!esta!forma!la!planta!se!asegura! de!no!fertilizar!sus!propios!óvulos.!

MECANISMO%DE%LA%GSI%(AUTOINCOMPATIBILIDAD%GAMETOFÍTICA)% En! este! mecanismo! si! se! genera! una! elongación!del!tubo!polínico,!y!lo!que!sucede! es! que! en! el! tracto! conductor! se! genera! una! RNAasa! que! se! llama! S! (SgRNAasa),! la! cual! entra!al!tubo!polínico!y!destruye!todo!el!RNA,! por! lo! que! muere.! En! el! caso! del! polen! que! viene! de! otra! planta,! también! entra! al! tubo,! pero! la! RNAasa! es! reconocida! por! una! maquinaria! del! complejo! SCF! que! ubiquitina! proteínas.! Cuando! una! proteína! es! ubiquitinada,! esta! va! a! degradación! vía! proteosomas,! por! lo! que! rápidamente! la! RNAasa!es!degradada.! !

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109!

MUTACIÓN!EN!EMBRIOGÉNESIS!TEMPRANA! Dentro!de!los!genes!en!la!planta!esta!la!MAPKK!Kinasa!(map!kinasa!kinasa!kinasa),!son!3!kinasas!que!actúan!en!paralelo,! donde! MAP! (mitogenist! actívate! protein),! son! moléculas! que! se! activan! por! mitogenos,! que! son! señales! presentes! en! la! mitosis.! La! cascada! de! señalización! depende! de! 3! kinasas:! la! kinasa! de! la! kinasa! de! la! kinasa,! la! kinasa! de! la! kinasa! y! la! mapkinasa!que!es!la!ultima.!Se!identificó!esta!MAPKKK!que!era!importante!para!regular!el!desarrollo!embrionario!y!cuando! se!muta,!se!genera!una!planta!extremadamente!pequeña,!por!lo!que!los!investigadores!la!denominaron!YODA!(yda).!!

! En!la!primera!división!mitótica!se!producen!dos!células!desiguales,!donde!una!es!muchísimo!más!pequeña!que!la!otra,!en!la! mutante!ydo!la!división!es!más!simétrica!y!produce!células!más!pequeñas.!Además!se!encontró!otra!mutante!a!la!que!se!le! llamó! ssp! que! produce! un! fenotipo! idéntico! al! de! yda! (fenocopia),! pero! se! descubrió! que! si! se! usa! polen! silvestre! para! fertilizar!una!planta!mutante!ssp,!el!100%!de!la!progenie!muestra!un!fenotipo!silvestre.!Si!el!experimento!se!hace!al!revés,!y! se!cruza!polen!de!plantas!mutantes!con!plantas!silvestres,!el!100%!del!fenotipo!son!mutantes.!!

ril de 13

! Al! buscar! el! mensajero! del! gen! ssp,! se! encontró! exclusivamente! en! el! polen,! las! plantas! mutantes! no! producían! el! mensajero,!pero!la!proteína!nunca!se!producía!en!el!polen.!Por!lo!que!se!pudo!observar!que!el!polen!produce!el!mensajero,! y!este!se!traduce!y!forma!una!proteína!que!es!la!que!activa!a!yda!y!de!esta!forma!comienza!el!desarrollo!embrionario,!es! decir,!hay!un!control!paterno!sobre!el!desarrollo!embrionario!temprano!por!este!transcrito!que!viene!en!el!polen!pero!que! recién!se!traduce!cuando!es!fertilizado!el!óvulo,!se!convierte!en!una!proteína!que!activa!a!yda!y!después!de!eso!comienza!el! programa!embrionario.!! !

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110!

FISIOLOGÍA!Y!EXPRESIÓN!GÉNICA!DURANTE!LA!MADURACIÓN! FORMACIÓN!Y!DESARROLLO!DEL!FRUTO! El!fruto!es!una!estrectura!formada!a!partir!del!ovario!de!la!flor!y/o!cualquier!tejido!de!esta,!en!la!mayor!parte!de!los!casos,! es! un! engrosamiento! de! la! pared! del! ovario.! En! forma! general,! para! que! se! forme! una! semilla! y! fruto,! se! requiere! de! la! polinización!y!fecundación,!si!es!que!no!hay!mecanismos!de!autoincompatibilidad.!Esta!consiste!en!una!doble.fecundación,! donde! uno! de! los! núcleos! espermáticos! se! fusiona! con! la! ovocélula! dando! origen! al! cigoto! diploide! (embrión),! y! otro! se! fusiona!con!el!núcleo!secundario!formando!un!tejido!triploide!(endosperma).!A!partir!de!la!fecundación!o!de!un!estímulo!se! inicia!el!desarrollo!del!fruto.!

!Fruit!set:!cuaja.!! El!esquema!que!se!presenta!corresponde!a!las!etapas!del!desarrollo!del!fruto!y!la!semilla.!Para!el!desarrollo!del!fruto,!las! etapas!más!importantes!son!la!I!y!III,!en!la!primera!se!genera!la!división!celular!y!en!la!tercera!la!elongación!celular.!Con! respecto!a!la!semilla,!todas!las!etapas!son!fundamentales.!! Dentro!de!su!desarrollo!pueden!existir!algunos!defectos,!como!por!ejemplo:!! 1.

2.

!

Partenocarpo:! Una! mutante! en! el! ovario! que! genera! un! defecto! en! la! polinización,! esto! generaría! un! fruto! partenocárpico,!o!en!otras!palabras,!un!fruto!sin!semillas.!Otra!forma!de!producir!estos!frutos!es!en!la!fertilización,! cuando!la!planta!produce!polen,!pero!este!es!incompatible!para!fertilizar!ese!óvulo.!! Estenoespermocarpo:! Una! planta! donde! hay! polinización,! fertilización,! pero! el! polen! es! estéril.! O! que! exista! un! desarrollo! anormal,! por! ejemplo! que! la! célula! vegetativa! no! sufra! de! muerte! programada! y! quede! un! polen! triploide,! produciéndose! una! fecundación! anormal,! produciendo! una! semilla! con! un! embrión! atrofiado! que! finalmente! va! a! abortar.! También! podría! afectar! a! la! endosperma.! Todos! estos! defectos! producen! estenoespermocarpo,! esto! significa! que! hubo! un! óvulo,! hubo! polen,! hubo! fecundación,! pero! no! hay! semilla.! En! 111!

algunas! ocasiones! producto! de! que! este! embrión! no! tuvo! endosperma! para! poder! nutrirse,! se! produce! una! aborción,!que!va!a!ser!muy!temprana!en!algunas!variedades!o!muy!tardío!en!otras,!dependiendo!de!cuan!intenso! es!la!falla!en!el!desarrollo!en!la!endosperma.! La! maduración! se! define! como! el! conjunto! de! procesos! de! crecimiento! y! desarrollo,! donde! se! generan! cambios! físicos,! químicos!y!estructurales!en!la!fruta!que!le!permite!dispersar!las!semillas.! La!maduración!frutal!es!un!proceso!de!desarrollo!muy!complejo!que!involucra!variados!cambios!fisiológicos!y!bioquímicos! que!incluyen!la!degradación!de!clorofila;!degradación!de!la!pared!celular;!conversión!de!almidón!a!azúcares;!alteración!en!la! biosíntesis!de!pigmentos;!y!acumulación!de!compuestos!aromáticos!y!peróxidos.!

FISIOLOGÍA!DE!LA!MADURACIÓN! Existen!dos!definiciones!para!la!madurez:! 1.

Madurez! fisiológica! (maturity):! las! semillas! se! encuentran! totalmente! desarrolladas! y! en! condiciones! adecuadas! para!dispersarse!y!germinar.! 2. Madurez! de! consumo! (ripening):! es! el! estado! en! el! cual,! la! fruta! expresa! la! totalidad! de! las! características! FISIOLOGÍA DE LA MADURACIÓN organolépticas!y!de!calidad,!encontrándose!apta!para!el!consumo!humano.!

Fase III

Desarrollo

Maduración

Fase II Fase I

25d

40d

56d

Días después de plena flor

Aquí!se!observa!el!desarrollo!de!la!maduración!a!lo!largo!de! los! días! en! cada! etapa.! En! la! fase! I,! hay! un! desarrollo! sigmoideo,! luego! viene! una! fase! lag! que! corresponde! a! la! fase! II,! y! finalmente! una! segunda! fase! de! crecimiento! que! corresponde!a!la!III.!En!la!fase!I!la!planta!todavía!esta!en!flor! y! se! comienza! a! dividir! y! a! elongar! algunas! células,! ensanchándose! el! fruto! y! desarrolandose! el! embrión! al! pasar! por! distintas! etapas! (el! desarrollo! del! embrión! es! mayormente! en! la! fase! II,! donde! no! se! produce! un! crecimiento!importante!del!fruto).!La!fase!II!termina!cuando! la! semilla! está! completamente! formada.! La! fase! III! esta! relacionada! principalmente! a! elongación! de! las! células! formadas!en!la!fase!I.!Además!la!testa!se!lignifica!en!la!fase! III,!a!pesar!de!que!ya!está!formada!en!la!fase!II.!

Si!se!hace!un!análisis!global!de!la!expresión!génica!durante!el!desarrollo!del!fruto!se!observan!mayormente!en!dos!etapas:! •

•

!

Desarrollo!del!fruto!(Fase!I):! a. División!celular!y!elongación! b. Metabolismo! primario! y! secundario! (ciclo! de! Krebs,! glicólisis,! gluconeogénesis,! síntesis! de! lípidos,! proteínas,!etc.)! c. Resistencia/suceptibilidad!a!estrés!abiótico/biótico!(factores!como!temperatura,!humedad,!etc.!y!además! virus,!hongos,!etc.)! Maduración!del!fruto!(Fase!III):!! a. Ablandamiento!de!la!pared!celular:!ya!que!el!fruto!a!alcanzado!su!tamaño!debido!a!la!elongación!celular!y! la! formación! de! grandes! vacuolas,! producto! del! metabolismo! primario! de! la! fase! I! donde! se! acumulan! metabolitos!en!la!célula,!eso!hace!incrementar!el!potencial!osmótico!(mucho!malato,!los!ácidos!del!ciclo! del!citrato)!que!arrastra!agua!para!compensarlo,!por!lo!que!se!eleva!el!potencial!de!presión!al!interior!de! 112!

b. c. d.

la! célula! presionando! la! pared! célula.! Debido! a! que! la! presión! es! muy! alta,! mediante! unas! ATPasas! dependientes!de!protones!que!se!activan!y!comienzan!a!bombear!protones!a!la!membrana!y!se!activan! enzimas!que!comienzan!a!degradar!algunos!enlaces!en!la!pared,!por!lo!que!se!distiende!y!crece!de!tamaño! la!célula.! Acumulación!de!azúcares:!transportadores!de!sacarosa!y!de!hexosa.! Proteínas! de! estrés! (proteínas! expresadas! en! condiciones! de! estrés! como! en! el! desarrollo! normal! del! fruto).! Síntesis!de!antocianos:!formación!del!pigmentos.!

Se!pueden!clasificar!los!frutos!con!respecto!a!la!respiración:! 1. 2.

Frutos! climactéricos:! la! respiración! cae! en! pleno! crecimiento,! pero! en! maduración! se! incrementa! significativamente,!junto!con!un!incremento!masivo!en!síntesis!de!etileno.!! Frutos! no! climatéricos:! maduración! lenta,! respiración! generalmente! decreciente! y! de! baja! intensidad.! Tienen! mejor!vida!de!postcosecha.!

! Frutos!Climactéricos! Ciruela! Damasco! Durazno! Manzana! Pera! Palta! Plátano! Hortalizas:!Tomate,!Sandía!y!Melón! !

Frutos!no!Climactéricos! Berries! Cítricos! Uva! Aceituna! Piña! Higo! ! Hortaliza:!Pepino!

!

%

!

%

113!

Frutos!con!Climacterio!retardado! Kiwi! ! ! ! ! ! ! !

DESARROLLO%DEL%FRUTO%DE%LA%VID%

Fechas Aprox. Valle Central

l

Il

10/12

IIl

25/1

FEB Abril

14/4

Sobremaduración

Maduración

pH

25/4

Peso de bayas pH

3.6 3.4

Pinta o envero

Antocianas

3.2

Grados Brix (g Sacarosa/100g) 4

Cuaja 20

40

7 60

10 80

14

18

22

100

26

120

Semanas Post Floración Adaptado de Kennedy, 2004.

Durante!la!fase!I,!la!baya!sigue!conectada!a!través!del!xilema!a!la!planta!madre!y!le!llega!savia!con!todos!los!solutos!como! monosacáridos!a!través!del!floema.!Pero!cuando!ocurre!la!pinta,!se!cierra!el!flujo!xilematico!y!entonces!ya!la!baya!no!sigue! recibiendo! agua! a! través! del! xilema! y! solo! queda! conectada! a! través! del! floema,! por! lo! que! este! se! ensancha! ya! que! el! llenado!de!la!baya!en!la!fase!III!es!via!floema!(llega!agua!junto!con!los!azucares!que!están!disueltos!en!ella).!

!

114!

Antecedentes generales

Análisis global de expresión génica durante el desarrollo de fruto

!

Análisis global de expresión génica durante el desarrollo de fruto Etapa de desarrollo

Etapa Maduración

División celular y síntesis de la pared (B-galactosidase, pectinesterase)

→GRIPs: pared celular y proteínas en respuesta a estrés

Metabolismo de azúcares (Invertasa de vacuola)

→Síntesis Antocianos: UGFT y otras enzimas de su síntesis

Fotosíntesis

→Metabolismo azúcar: invertasas transportadores de sacarosa y hexosas

Síntesis de ácidos orgánicos (PEP carboxylasa, malato sintasa)

→Síntesis/Degradación de Aldehido deshidrogenasa, carboxilasa

y

ac. Orgánicos: enolasa, PEP

→Hormonas: ABA, proteína de señalización JA, giberelinas, enzimas de etileno

(Goes da Silva et al., 2005; Terrier et al., 2005; Waterset al., 2005)

(Goes da Silva et al., 2005; Terrier et al., 2005; Waterset al., 2005)

→Factores transcripción: RAP2, WRKY, NAC2 y Homeobox leucine zipper →Represión fotosíntesis

de

genes

relacionados

a

!

El! fruto! cuando! se! encuentra! verde! funciona! como! una! hoja! en! el! sentido! de! que! hace! fotosíntesis.! En! cambio! en! la! maduración,!se!frena!la!fotosíntesis!para!dejar!al!fruto!listo!para!poder!diseminarse.!Se!genera!la!síntesis!de!antocianos,!hay! una! enzima! en! particular! que! es! fundamental! llamada! UGFT! (glicosil! transferasa),! ! la! cual! transfiere! glucosas,! permite! además!el!paso!de!los!antocianos!incoloros!a!colorados,!todo!esto!se!lleva!a!cabo!en!la!vacuola.!!

! Se!observa!que!el!pH!comienza!a!incrementarse!de!muy!ácido!a!menos!ácido!a!medida!que!va!pasando!el!tiempo,!el!peso! de!la!baya!también!se!observa!una!doble!curva!sigmoidea.!El!cuadrado!blanco!representa!la!síntesis!de!antocianos,!el!cual! en!la!semana!19g07!y!el!25g07!comienza!a!incrementarse,!esto!se!ve!precedido!por!una!acumulación!de!azucares!(síntesis! de!azucares)!con!una!semana!de!diferencia.!En!la!baya!se!acumulan!glucosa!y!fructosa,!y!no!la!sacarosa.!

!

115!

La expresión de transportadores de monosacáridos en maduración relacionado a acumulación de azúcares En! vid! existen! 4! transportadores! de! azucares,! dos! de! ellos! importantes:! Vvht1! (vitivinifera! ht1),! Vvht2.! La! expresión! de! Vvht1!es!alto!inicialmente,!luego!cae!y!finalmente!vuelve!a!subir.!En!cambio!el!transportador!Vvh2,!es!muy!bajo!al!inicio!y! luego! comienza! a! subir.! Al! ingresar! sacarosa! exógena! en! el! fruto,! esta! activa! la! expresión! de! Vvht1,! generando! más! transportadores!para!poder!trasladar!más!azucares!al!fruto,!por!lo!que!tiene!un!!positivo.!La!única!hormona!que!se! ha!visto!implicada!en!la!coloración!de!los!frutos!es!el!ácido!abscisico!(ABA),!pero!no!afecta!la!acidez!de!la!fruta,!por!lo!que! no!afecta!la!concentración!de!monosacáridos.! La! síntesis! de! las! antocioaninas! comienza! a! partir! de! la! fenilalanina! por! la! ruta! de! los! fenilpropanoides! y! a! través! de! una!

Identificación de proteínas tipo MYB, bHLH y WD en Vitis vinifera Compuestos fenólicos de importancia en vides serie!de!pasos!enzimáticos!se!llega!a!las!antocionanidinas,!y!con!la!glicosil!transferasa!se!llega!a!las!antocianinas.!Todo!esto!

sucede!en!el!retículo.!

Vía Fenilpropanoide

Proteínas de la vía

Adaptado de Jaakola et al, 2002.(Plant Phisiology)

Fenilalanina

Factores de Transcripción (regulatorios)

Ác. Cinámico Ác. P-cumárico

PAL *Enzimas ancladas a RER

Transcripción

C4L 3 Malonil-CoA +

4-coumaril-CoA

tt4 CHS CHI tt5

STS

Chalcona

Estilbeno

RNAm

Flavanonas

F3H* tt6

F35H

Dihidroflavonoles FLS (3-OH-flavanonas)

RT UFGT

Flavonoles

DFR

ANS/ LDOX

?

Antocianidinas

RER

Flavan 3-oles (Ej:Catequina)

C4H

?

PAL

Taninos Polimerización

MT

Phe

Antocianina

RT

Traducción

?

Leucoantocianidinas LAR ban (Flavan3-4 dioles)

UFGT

Núcleo

C4H*

C4L CHS CHI

FLS F35H

Kaempferol

GST

Antocianinaglu-Rha-glutation

F3H

Cianidina UFGT ANS LAR Epicat DFR

LAR

F35H

GaloCat

Quercetina Procianidinas

? Antocianina-glu-Rha

Estructurales

GaloEpicat

Miricetina

(mas de una isoforma por enzima: Familias multigénicas)

Catequina

Delfinidina

!

En!las!antocianinas!se!ha!visto!que!hay!un!factor!de!transcripción,!llamado!VvmybA1,!el!cual!se!une!a!la!región!promotora! del! gen! de! la! UFGT,! el! cual! es! el! último! gen! de! la! transcripción! de! antocianos.! Este! gen! tiene! también! una! región! que! codifica! para! un! factor! de! transcripción,! y! se! ha! visto! que! un! transposón! llamado! GRET1! (grapevine! retrotransposon! 1)! puede! interrumpir! la! expresión! del! factor! de! transcripción! VvmybA1! y! si! esta! presente! en! los! dos! alelos,! la! uva! que! era! negra!se!transformará!en!uva!blanca,!y!si!esta!solamente!en!uno!de!los!alelos,!la!uva!que!era!negra!va!a!ser!uva!rosada.!! También!una!técnica!utilizada!por!los!agrónomos!es!la!de!poner!un!anillo!en!la!rama!que!tiene!la!fruta!para!que!la!asfixie,!de! esta!forma!el!floema!deja!de!ser!funcional!y!los!azucares!no!pueden!retroceder!(el!xilema!sigue!funcionando).!Dado!que!los!

!

116!

azucares!funcionan!como!una!señal!para!el!desarrollo!de!antocianinas,!estas!aumentan!en!cantidad,!por!lo!que!la!coloración! es!más!fuerte.!

Si! se! analiza! la! regulación! en! la! expresión! en! genes! de! biosíntesis! de! antocianos,! se! pueden! encontrar! en! su! promotor! nos se diferentes! relaciona con la acumulación elementos! reguladores,! donde! la! acumulación! de de! azúcares! en! el! fruto! es! un! elemento! importante! y! se! han! descrito!cajas!en!respuesta!a!sacarosa!en!sus!promotores.! y se han descrito cajas en respuesta a

otores

• • •

Boxes!de!respuesta!a!sacarosa!(box2,!box3).!La!expresión!esta!precedido!por!una!acumulación!previa!a!azucares.! SBSF1!–!Box!II:!fotoregulación,!luz!y!calcio.! Sitios!de!unión!a!bZIP! TATA

!

ATG

!

Sucrose box 2, box 3

BENEFICIO%DE%LAS%ANTOCIANINAS%

SBF1-Box II (Fotoregulación Los!antocianos!son!compuestos!que!filtran!la!luz!ultravioleta,!entonces!la!planta!y!específicamente!e!fruto,!que!tiene!como! finalidad!proteger!a!las!semillas!con!el!embrión!que!esta!dentro,!no!gastan!energía!para!producir!antocianinas!en!todo!el! luz y calcio) fruto,!sino!que!lo!utilizan!en!la!piel!y!tienden!a!dejar!blanca!la!pulpa.!! Sitios de unión a bZIP

Sacarosa g/L

(Gollop et al., 2002)

!

117!

FORMACIÓN!DEL!EMBRIÓN,!SEMILLA!Y!GERMINACIÓN! El! desarrollo! de! una! planta! desde! un! embrión! requiere! de! una! secuencia! ordenada! y! precisa! de! eventos! biológicos.! Para! alcanzar!la!madurez,!los!embriones!vegetales!deben!dividirse,!crecer,!y!diferenciarse!en!órganos!y!tejidos!individuales!con! funciones!específicas.!Con!la!conclusión!del!desarrollo!vegetal!se!cuenta!con!un!organismo!organizado!que!florece,!produce! frutas,! envejece,! y! muere.! Los! patrones! en! el! desarrollo! vegetal! están! constituidos! por! los! programas! genéticos,! bioquímicos,! y! los! factores! que! modulan! e! interfieren! con! la! progresión! a! través! del! ciclo! de! vida! de! las! plantas.! Se! pretende,!mediante!el!texto!presentado!a!continuación,!crear!un!marco!teórico!robusto!que!sirva!como!introducción!a!la! biología!del!desarrollo!de!la!plantas!en!general.!

EMBRIOGÉNESIS!EN!ARABIDOPSIS% Etapa!de!postgpolinización!corresponde!a!la!formación!del!cigoto,!luego!se!tiene!una!etapa!globular!hasta!llegar!finalmente! al!embrión!maduro.!

! A.

B.1. B.2.

B.3.

!

Etapa!del!octante!(8!células):!es!una!etapa!en!la!cual!la!célula!apical,!que! es! la! célula! que! queda! arriba,! se! divide! horizontal! y! verticalmente! para! producir!un!semigembrión!de!ocho!células,!todo!este!proceso!corresponde! a!la!post!polinización.! Etapa! dermatogénica:! en! la! cual! ya! podemos! diferenciar! una! capa! externa,! que! vendría! siendo! una! protog epidermis!o!protodermis,!que!esta!separada!de!las!células!internas.! Etapa!globular!temprana:!se!comienza!a!dividir!horizontalmente,!pero!siempre!manteniéndose!una!división!apical! (un!poco!más!pequeña)!y!una!basal!(un!poco!más!larga),!esta!va!a!dar!origen!al!suspensor!que!es!la!conexión!con!el! tejido!madre.! Etapa!procambial:!se!aprecia!la!diferencia!entre!apical!y!basal,!además!de!la!protodermis.!

118!

C. D. E. F. G.

Etapa!triangular:!se!aprecia!una!polarización!de!regiones!que!eventualmente!dará!origen!a!distintas!estructuras!en! el!embrión,!además!de!los!primordios!de!los!cotiledones.!La!célula!de!la!hipófisis!es!distinguible!del!suspensor.! Etapa!corazón:!crecimiento!de!los!cotiledones,!y!se!forma!el!SAM!(shoot!apical!meristem).! Etapa! torpedo:! se! determina! la! forma! del! embrión! como! tal,! hay! un! alargamiento! y! un! patrón! radial.! Los! cotiledones!son!perfectamente!distinguibles.! Cotiledon! doblado:!se!encuentra!el!hipocotilo,!la!radicula!y!los!cotiledones.!Aquí!el!embrión!esta!prácticamente! maduro!y!comienza!una!etapa!de!desecación!de!la!semilla.! Embrión!maduro.!

FORMACIÓN%DE%DOMINIOS%BASALQAPICALQHIPÓFISIS%EN%ARABIDOPSIS% En! primer! lugar! hay! una! división! asimétrica,! con! una! célula! apical! bastante! densa! y! una! célula! basal! constituida! principalmente!por!una!gran!vacuola.!La!célula!basal!comienza!a!dividirse!de!manera!vertical!y!forma!el!suspensor,!que!es!la! unión! del! embrión! con! la! planta! madre.! Mientras! que! la! célula! apical! se! divide! dos! veces! de! manera! vertical! y! una! horizontal!formando!lo!que!se!conoce!como!el!octante!(8!células),!la!cual!se!encuentra!dividida!a!su!vez!en!la!región!subg apical! (upper! tier)! y! subgbasal! (lower! tier),! generando! ya! una! polaridad.! Posteriormente! estas! células! continúan! dividiéndose,!pero!siempre!manteniendo!ambos!polos,!upper!y!lower!tier.!! La! primera! célula! de! la! región! basal! se! va! a! transformar! en! la! célula!de!la!hipófisis,!la!cual!será! importante! debido! a! que! va! a! formar! parte! de! la! raíz! y! del! centro!quiescente,!la!célula!de!la! columella!de!la!raíz.! En! el! lower! tier! se! pueden! observar! unas! células! más! alargadas! (café! oscuro),! las! cuales!formaran!después!el!sistema!vascular!de!la!raíz,!entre!otros.!

!

!

!

119!

PARAMETROS!FISIOLÓGICOS!DEL!DESARROLLO!DE!LA!SEMILLA! Los! parámetros! fisiológicos! mientras! la! semilla! se! esta! desarrollando! varían! de! manera! muy! pronunciada,! tanto! en! contenido!de!agua,!como!en!la!presencia!de!proteínas,!azúcares! y!grasas.!Esto!se!debe!a!que!la!semilla!al!germinar,!generalmente! lo! hace! en! condiciones! adversas! por! lo! que! necesita! su! propio! alimento,! almacenado! en! reservas! principalmente! como! proteínas!y!triacilgliceridos,!para!poder!sobrevivir.!

CONTENIDO%DE%AGUA% El! peso! fresco! durante! la! primera! etapa! de! la! embriogénesis! aumenta!debido!a!que!el!embrión!comienza!a!captar!agua,!pero! durante!en!las!últimas!etapas!baja!hasta!el!punto!donde!el!peso! seco! es! prácticamente! el! mismo! que! el! fresco,! indicando! que! el! embrión!tiene!un!porcentaje!bajísimo!de!agua.!Todo!esto!supone! un! cambio! en! el! metabolismo! del! embrión! de! manera! que! siga! funcionando! lentamente! y! casi! sin! agua,! otorgándole! una! tolerancia!a!la!desecación.!

CONTENIDO%DE%CARBOHIDRATOS% Se!puede!analizar!de!dos!maneras,!tal!cual!se!puede!apreciar!en!las!imágenes,!uno!el!contenido!total!de!carbohidratos!en!la! semilla!y!otro!es!la!concentración!de!estos!mismos.!Para!esto!se!miden!los!niveles!de!hexosas!(glucosa!y!fructosa),!que!son! los! azúcares! que! se! utilizan! en! el! metabolismo;!de!sacarosa,!el!cual!es! la! forma! en! que! se! transportan! los! azúcares!en!la!planta!que!podrían!ser! posteriormente!almacenados!para!la! germinación!y!de!bla.! En! la! primera! etapa! se! ven! grandes! cantidades! de! hexosas,! ya! que! el! metabolismo! es! relativamente! alto,! pero! posteriormente! van! disminuyendo,!lo!cual!se!debe!a!que! a! través! de! vías! gluconeogénicas! va! siendo!transformado!a!sacarosa.!!

!

!

120!

CONTENIDO%DE%ÁCIDOS%GRASOS,%TRIGLICÉRIDOS,%AMINOÁCIDOS%Y%PROTEÍNAS% En!contraposición!a!lo!que!sucede!con!las!cantidades!de!agua!y!carbohidratos,!el!contenido!de!grasas,!tanto!ácidos!grasos!y! más!específicamente!el!de!triglicéridos!comienza!a!aumentar!drásticamente!durante!la!embriogénesis.!Son!especialmente! importantes!los!de!18!carbonos,!ya!que!los!de!cadena!más!corta!no!suelen!ser!tanto!en!esta!etapa.!! Las!grandes!cantidades!movilizadas!se!deben!a!que!al!final!de!la!etapa!se!almacenan!para!ser!utilizados!posteriormente!de! combustibles!por!la!semilla!y!la!plántula!para!poder!establecerse!como!una!planta!adulta.! Los!niveles!de!aminoácidos!libres!durante!las!últimas!etapas!van!bajando!ya!que!se!produce!una!gran!cantidad!de!proteínas! (llamadas!SSP!o!proteínas!de!almacenamiento).!!

!

VISIÓN%METABÓLICA%GLOBAL%DE%LA%SEMILLA%DURANTE%EL%DESARROLLO % Se!ha!visto!que!durante!la!primera!etapa!hay!un! pick! de! fotosíntesis,! para! poder! tener! un! almacenamiento! transitorio! de! almidón! que! le! otorga! combustible! a! la! maduración! del! embrión,!pero!que!posteriormente!esta!clorofila! desaparece.! También!existe!un!pequeño!almacenamiento!de! azucares,! sin! demasiada! relevancia! en! comparación! al! de! proteínas! de! reserva! y! triglicéridos.!! Con! respecto! a! la! tasa! de! hexosa/sacarosa,! cuando! es! mayor! indica! un! metabolismo! más! fuerte,! y! a! medida! que! va! bajando! muestra! !

como!el!metabolismo!va!funcionando!cada!vez!menos.!

!

121!

DETERMINACIÓN!DE!LA!POLARIDAD!APICAL/BASAL! GENES% La! expresión! de! los! genes! en! cada! etapa! se! encuentra! extremadamente! determinada! y! delimitada.! Una! de! las! familias! importantes!son!los!WUS!o!WUSCHEL,!los!cuales!son!factores!de!transcripción!(homeodomain!transcription!factors)!y!genes! relacionados!a!WUS,!llamados!WOX!(Wuschel!related!homeobox).! El! gen! WUSCHEL! (WUS),! que! codifica! otro! factor! de! transcripción! homeodiminio,! es! un! regulador! clave! de! la! indeterminación! de! las! células! madre.! En! las! plantas! con! mutaciones! wus! de! pérdida! de! función,! o! bien! carecen! por! completo!de!un!meristema!apical,!o!bien!sus!células!madre!se!agotan!una!vez!se!han!formado!unas!pocas!hojas.!! En! la! célula! inicial! se! ve! una! alta! actividad! de! WOX2! y! WOX8,! pero! una! vez! que! ocurre! la! primera! división! asimétrica,! en! la! célula! apical! se! mantiene! sólo! la! actividad! de! WOX2,! mientras! que!en!la!célula!basal!se!observa!la!actividad!de!WOX8!y!WOX9.! De! aquí! en! adelante! se! comienza! a! ver! una! diferencia! en! la! expresión! de! genes,! debido! a! una! regulación! bastante! fina! de! estos!genes,!pero!lo!importante!es!que!WOX2!es!un!marcador! del! upper! tier! y! su! expresión! es! suficiente! para! conferir! características!apicales!ectópicas,!mientras!que!WOX9!sería!un! marcador!de!las!células!periféricas!del!lower!tier!y!WOX8!es!un! marcador! de! la! hipófisis! y! del! resto! del! suspensor.! Además! de! esto,!WOX2!es!dependiente!de!WOX9!y!WOX8,!además!de!ser! autoreguladas.!

AUXINA! La! señalización! por! auxinas! es! esencial! para! el! desarrollo! de! la! polaridad! y! el! desarrollo! vascular.! Desde! hace! tiempo! se! conoce!el!papel!de!las!auxinas!como!señal!de!inicio!de!la!diferenciación!del!tejido!vascular.!Esta!conclusión,!no!obstante,!se! basa!fundamentalmente!en!estudios!de!los!efectos!de!la!aplicación!de!auxinas!e!inhibidores!del!transporte!de!auxinas.!Mas! recintemente,!se!ha!descubierto!que!dos!genes!de!Arabidopsis!(GNOM! y! MONOPTEROS)! son! esenciales! para! el! desarrollo! de! la! polaridad! axial,! la! diferenciación! de! tejido! durante! la! embriogénesis! y! el! desarrollo!de!la!polaridad!axial,!la!diferenciación!de!tejido!durante!la! embriogénesis!y!el!desarrollo!de!la!polaridad!axial,!la!dferenciación!de! tejido! durante! la! embriogénesis! y! el! desarrollo! de! la! planta! adulta,! y! están! implicados! en! la! señalización! por! auxinas.! Como! indicamos! anteriormente,! el! gen! GNOM! de! Arabidopsis! se! identificó! debido! a! que! mutantes! homocigotos! para! este! gen! presentan! embriones! sin! raíces! ni! cotiledones,! y! que! no! desarrollan! la! polaridad! axial! correctamente.! El! producto! del! gen! GNOM! es! necesario! para! la! correcta! localización! de! la! proteína! PIN1! transportadora! de! eflujo! auxinas.! GNOM! codifica! un! factor! de! intercambio! del! nucleótido! guanina,! componente! de! la! maquinaria! celular! que! establece! la! polaridad.! La! maquinaria,! y! la! proteína! del! gen! GNOM! en! particular,! es! necesaria! para! la! correcta! !

122!

localización! de! la! proteína! transportadora! PIN1! de! eflujo! de! auxinas! en! el! extremo! basal! de! las! células! del! procambium! durante!el!estado!globular!en!la!embriogénesis,!y!posteriormente!en!células!vasculares!durante!el!desarrollo.! Durante!las!primeras!etapas!de!la!formación!del!embrión!la!auxina!es!aportada!por!la!planta!madre!a!través!del!suspensor!y! esto!es!gracias!a!PIN7!(celeste)!el!cual!es!el!encargado!del!transporte!de!auxina!de!origen!materno!(basalgapical),!pero!una! vez!que!se!forma!la!protodermis,!ya!durante!la!etapa!globular!se!activa!PIN1!(azul)!ya!que!el!embrión!comienza!a!producir! su!propia!auxina,!PIN1!se!activa!en!las!regiones!basales!de!la!célula!ya!que!la!dirección!de!flujo!va!a!cambiar!de!apical!a! basal.!Las!mutantes!PIN1!son!unas!pelotas!sin!cotiledón,!debido!a!que!el!flujo!de!auxina!es!importante!en!la!activación!de! genes!que!intervienen!en!la!diferenciación.!Posteriormente!PIN7!se!expresa!en!células!basales!y!PIN1!en!regiones!apicales,! especialmente!en!regiones!donde!aparecerán!los!órganos!laterales,!ya!que!el!flujo!comienza!a!ser!más!circular.!

! La! percepción! de! la! auxina! de! manera! direccional! se! genera! cuando! comienza! a! transportarse! auxina! en! el! lado! basal! y! se! une! a! este! complejo! SCFtir1! que! ubiquitina! a! AUX/IAA,! el! cual! es! un! represor! de! factores!de!transcripción!de!tipo!ARF!(auxine!response!factor)!y!cuando! no!hay!auxina!ARF!se!encuentra!unido!a!AUX/IAA,!mientras!que!cuando! hay!flujo!de!auxina!el!complejo!ubiquitina!al!represor!y!de!esta!manera! es!detectado!por!el!proteosoma!que!lo!degrada!dejando!a!ARF!libre.!ARF! activa!distintos!genes!que!responden!a!auxina.!

MUTANTES%DEPENDIENTES%DE%AUXINA% Monopteros Las! mutaciones! en! el! gen! MONOPTEROS! (MP)! dan! lugar! a! plántulas! que! carecen! de! hipocotilo! y! raíz,! aunque! tienen! una! región!apical.!Sin!embargo,!las!estructuras!apicales!en!los!embriones!mutantes!mp!no!son!estructuralmente!normales!y!los! tejidos!de!los!cotiledones!están!desorganizados.!Los!embriones!mutantes!mp!muestran!en!primer!lugar!anormalidades!en! el!estado!octante,!y!no!forman!un!procambium!en!la!parte!inferior!del!embrión!globular,!la!parte!que!tendría!que!dar!lugar! al!hipocotilo!y!a!la!raíz.!Más!adelante!se!forma!algún!tejido!vascular!en!los!cotiledones,!pero!los!haces!están!conectados! inadecuadamente.! El! gen! MP! codifica! una! proteína! relacionada! con! un! factor! de! transcripción! conocido! como! ARF! (factor! de! respuesta! a! auxinas).!Tanto!ARF!como!MONOPTEROS!se!unen!a!elementos!de!respuesta!a!auxinas!en!los!promotores!de!ciertos!genes! que! se! transcriben! en! presencia! de! auxinas.! Aparentemente,! el! gen! MP! es! necesario! para! la! expresión! de! los! genes! implicados!en!la!diferenciación!del!tejido!vascular.! La! formación,! en! la! etapa! corazón! temprano,! de! células! alargadas,! que! darán! a! lugar! a! tejidos! vasculares! en! tejidos! subepidermales! en! la! incipiente! región! del! hipocotilo/raíz.! En! la! mutante! monópteros,! esto! no! sucede,! ya! que! carece! de! !

123!

estas! células! alargadas,! presentando! problemas! en! la! vascularización! posterior.! El! suspensor! y! la! epidermis! no! se! ven! afectadas,! indicando! la! especificidad! en! esta! etapa! del! desarrollo.! La! semilla! germina,! pero! en! la! plántula! mutante! MP! (monóptero)! la! raíz! es! reemplazada! por! una! pequeña! estaca! de! tejido! desorganizado,! a! través! de! estos! pueden! obtener! nutrientes,!pero!no!alcanzan!su!total!madurez.!

Topless Es!una!mutación!puntual!que!depende!de!la!temperatura!a!la!cual!se!tiene!la!planta!cuando!se!generan!las!semillas,!si!se! hacen!crecer!a!altas!temperaturas!(28!o!29ºC)!se!observan!distintos!tipos!de!mutantes,!por!ejemplo:!de!doble!raíz!(B),!sin! cotiledón!(C),!cotiledones!fusionados!(D),!con!un!cotiledón!(E).!

! Topless! es! un! represor! transcripcional! y! se! ve! que! afecta,! entre! otras! cosas,! al! transcrito! WUS! y! WOX.! Por! ejemplo! en! G! podemos!ver!que!WUS!no!se!acumula!en!el!estado!corazón!del!tpl1,!en!F!se!observa!una!acumulación!de!WUS!mRNA!en! tpl1!en!estado!globular!y!en!H!el!estado!WT.!

Otros AXR6!(auxine!resistance!6)!que!actua!muy!similar!a!los!monópteros,!prácticamente!sin!raíz.!

!

! !

! 124!

FORMACIÓN!DEL!MERISTEMA!APICAL! Este!tipo!de!tejido!es!característico!y!exclusivo!de!los!vegetales!superiores.!Durante!las!primeras!etapas!del!desarrollo!del! embrión,!la!división!celular!tiene!lugar!en!todas!las!células!del!joven!organismo,!pero!como!resultado!de!su!crecimiento!y! transformación!en!una!planta!adulta,!esa!capacidad!de!proliferar!queda!como!atributo!exclusivo!de!las!células!de!ciertas! partes! del! cuerpo! de! la! planta,! mientras! que! las! demás! se! especializan! en! otras! actividades,! gracias! al! proceso! de! la! diferenciación!celular.!Estos!tejidos!embrionarios!que!persisten!en!la!planta!durante!toda!su!vida!y!que!están!relacionados! íntimamente!con!el!crecimiento,!son!los!meristemas.!

FORMACIÓN%DEL%MERISTEMA%APICAL%DE%LA%RAÍZ%(RAM)% El! desarrollo! de! la! raíz! es! el! proceso! mediante! el! cual! el! meristema! da! origen! a! células! hijas! que! se! diferencian! en! los! sistemas!de!tejido!de!este!órgano.! A!diferencia!del!meristema!apical!del!tallo,!el!meristema!apical!de!la!raíz!produce!células!en!dos!direcciones;!células!que! contribuyen!al!crecimiento!del!eje!de!la!raíz!y!células!que!intervienen!en!el!crecimiento!de!la!cofia!o!caliptra.! Inmerso! en! el! meristema,! se! encuentra! un! grupo! de! células! con! una! muy! baja! tasa! de! división! que! se! denomina! centro! quiescente.!Arabidopsis,!presenta!cuatro!células!centrales!que!constituyen!el!centro!quiescente!y!cuatro!grupos!de!células! iniciales.!Un!tipo!de!células!iniciales!producen!la!epidermis,!un!segundo!tipo!produce!el!córtex!y!la!endodermis,!un!tercer! tipo!da!lugar!al!periciclo!y!un!cuarto!tipo!da!origen!a!la!caliptra.! Mediante!experimentos!de!ablación!por!láser,!eliminando!células!individuales,!se!ha!demostrado!que!el!destino!final!de!las! células! producidas! por! el! meristema! apical! de! la! raíz! depende! de! la! posición! de! dichas! células! y! no! de! su! linaje! o! procedencia.!Esto!indica!que!sería!posible!reemplazar!células!de!un!tejido!por!células!de!otro!pues!su!función!es!plástica!y! puede!cambiar!con!la!posición.! El! descubrimiento! de! mutantes! de! Arabidopsis!ayuda!a!entender!los!diferentes! destinos! celulares! y! patrones! establecidos! durante!el!desarrollo!de!la!raíz!y!su!relación! con! grupos! de! genes.! Los! mutantes! SCARECROW! (SCR)! y! SHORTgROOT! (SHR)! carecen! de! una! capa! de! células! entre! la! epidermis!y!el!periciclo.!El!gen!SCR!da!lugar! a! un! célula! endodérmica! pequeña! y! a! una! célula! de! la! corteza! más! grande! luego! de! una!división;!por!su!parte,!el!gen!SHR!se!encarga!de!la!especificación!de!las!células!endodérmicas.!Las!células!mutantes!para! SHR! no! desarrollan! características! endodérmicas.! Los! mutantes! de! SCR! sin! embargo,! sí! presentan! diferenciación! en! endodermo!y!corteza.!SHR!y!SCR!son!necesarias!para!la!identidad!de!la!raíz!y!son!independientes!de!auxinas.! En!la!sección!subgbasal!(lower!tier)!se!encuentran!los!genes!PLETHORA!(PLT)!los!cuales!son!necesarios!para!formar!el!centro! quiescente!(QC)!y!requieren!de!auxina!para!su!expresión.!SHR!se!expresa!junto!a!PLT!en!algunos!sectores,!mientras!que!SCR! se!expresa!en!la!hipófisis.!

FORMACIÓN%DEL%MERISTEMA%APICAL%AÉREO%(SAM)% Este! meristema! es! el! que! posteriormente! dará! origen! a! las! hojas! y! el! tallo! de! la! planta! adulta,! pasando! a! llamarse! meristema!apical!del!tallo.!Además!puede!pasar!de!un!estado!vegetativo!a!la!formación!del!meristema!floral.!Varios!genes! actúan!en!su!regulación,!pero!uno!de!ellos!es!fundamental,!el!gen!WUSCHEL!o!WUS.! !

125!

364

El! mRNA! de! WUS! es! detectado! en! el! estado! dermatogéinco! de! 16! células! (rojo).!Al!principio!se!expresa!en!todas!las!células!subepidermales!de!la!región! apical,! pero! se! va! restringiendo! a! sectores! centrales! y! capas! internas! en! el! SAM.! WUS! es! esencial! para! la! información! del! patrón! apical,! ya! que! su! expresión! ectópica! confiere! identidad! apical! en! zonas! inapropiadas.! En! plantas!con!mutaciones!de!perdida!de!función!de!wus,!o!el!meristema!apical! se! encuentra! ausente,! o! las! células! madres! (indiferenciadas)! se! acaban! rápidamente!luego!de!la!formación!de!unas!pocas!hojas.!

Chapter 16

AS1

AS1

CLV3 WUS CLV1

STM

FIGURE 16.28 Patterns of expression of some developmen-

tally important genes in the Arabidopsis shoot apical meristem. (From Clark 2001.)

The CLV3 gene is expressed in cells of the L1 and L2 layOtros!genes!implicados!en!la!formación!de!SAM!son!por!ejemplo:!CUPgSHAPED!COTYLEDONS!(CUC),!SHOOTMERISTEMLESS! ers in the central zone of the shoot apical meristem, but not within the L3 layer or in the peripheral zone. In contrast, (STM),!ASYMMETRIC!LEAVES!(AS).!

•

•

•

CLV1 is expressed in deeper layers within the central zone in the L3 layer, as is the WUS gene. However, CLV1 is SHOOTMERISTEMLESS! (STM):! es! un! gen! que! se! expresa! específicamente! en!within células! que! se!larger convertirán! en! el! WUS expressed a somewhat domain than (Figure 16.28). Although WUS gene expression is required meristema!apical,!y!su!expresión!en!estas!células!es!requerida!para!la!formación!de!progmeistema!apical!del!tallo.! to maintain stem cell identity, WUS is expressed in only a small number of cells in the L3 layer of the meristem. It Las!plantas!Arabidopsis!homocigotas!para!la!mutante,!pierden!la!función!del!gen!STM!y!no!forman!el!meristema! functions nonautonomously, acting on cells a short distance apical!del!tallo!sino!que!todas!las!células!de!esa!región!se!encuentran!diferenciadas.!El!producto!de!los!genes!STM! from the cells that express the gene. The CLV3 protein controls the size of the stem cell popWT!es!suprimir!la!diferenciación!celular,!asegurando!de!esta!forma!que!células!queden!indiferenciadas.! ulation in the shoot apex by negatively regulating the

ASYMETRIC!LEAVES!(AS1):!promueve!el!desarrollo!de!las!hojas!y!se!expresa!en!el!primordio!y!en!las!hojas!nuevas! en!Arabidopsis.!STM!funciona!como!un!represor!de!AS1,!y!AS1!a!su!vez!reprime!la!expresión!de!otro!gen!encargado! Wild-type embryos del! desarrollo! del! primordio! de! la! hoja.! Por! lo! que! AS1! esta! implicado! en!globular el! desarrollo! de! los! cotiledones! y! (A) Early (B) Midheart promueve!la!diferenciación,!por!lo!que!cuando!STM!esta!mutada,!AS1!se!va!a!expresar!en!SAM.! CUPgSHAPED! COTYLEDON! (CUC):! son! genes! que! se! regulan! negativamente! con! la! presencia! de! auxina.! CUC1! y! CUC2!actúan!en!la!mantención!de!ambos!meristemas!y!en!la!separación!lateral!de!los!órganos.!Una!mutación!en! cuc1! genera! un! fenotipo! con! una! fusión! sutil! entre! los! sepalos,! pero! la! mutación! tanto! de! cuc1! como! cuc2! son! letales;! los! dos!cotiledones!se!unen!para!formar!una! gnom mutant embryos estructura! única! y! sin! la! presencia! del! (C) Early globular (D) Midheart meristema!apical.!Debido!a!la!pérdida!de! función!en!el!fenotipo,!los!genes!CUC!son! importantes! para! la! creación! de! limites! laterales! en! el! desarrollo! de! los! órganos! suprimiendo! el! crecimiento! de! células! entre!ellos.!

FORMACIÓN%DE%ÓRGANOS%LATERALES% La!iniciación!de!órganos!laterales!sería!dependiente!de!auxina,!los!mutantes!de!percepción!de!auxina!afectan!la!producción! de!estos!órganos!tanto!radiculares!como!apicales!tales!como:!MONOPTEROS;!CUC;!PIN1!debido!a!que!esta!implicado!en!el! transporte!de!auxina!y!requiere!grandes!cantidades!de!esta!hormona!localmente,!pero!de!manera!regulada;!genes!YUC!los! cuales!están!implicados!en!la!biosíntesis!de!auxina.! En!la!imagen!a!continuación!se!puede!observar!el!flujo!de!auxina!para!la!formación!de!órganos!laterales,!la!cual!viene!de! arriba! hacia! abajo! y! luego! vuelve! a! bajar.! Es! importante! que! exista! esta! rotación! dado! que! grandes! concentraciones! de! auxina!pueden!resultar!tóxicos!para!las!células.!!

!

126!

expression of expressed in ce the L1 and L2 by mutation, W ber of undiffe 2000). Because CLV3 protein receptor dom initiate a signa WUS expre turn represses sensitive feedb stem cell popu

Hormonal sig

ene, gibberell steroids—all p roles will be p sections devo ever, we will f types of mech will be discus Auxin sign polarity and th long been kno cular tissue dif however, is ba auxins and au Arabidopsis ge to be essential sue differentia development, naling. As pre was identified in this gene l develop axial p The GNOM tion of the aux

FIGURE 16.29

the auxin efflu mutant Arabid PIN1 is localiz globular stage boundary of th provascular tis stage, the prov at their basal e ular; PIN1 doe provascular tis the gnom muta mutant, midhe blocked in the disrupted. PIN mutant, but th (From Steinma

! Dado!que!la!auxina!inicialmente!proviene!de!la!planta!madre,!al!inhibir!el!transporte!de!esta,!por!ejemplo!con!NPA,!no!hay! producción! de! órganos! embrionarios.! Sin! embargo,! cuando! se! utilizan! los! inhibidores,! pero! además! se! agrega! auxina! exógena!en!los!lugares!donde!deberían!ir!los!cotiledones,!estos!efectivamente!se!forman.! Los!cotiledones!corresponden!a!la!protuberancia!que!se!observa!en!(A)!y!(B).!

ESTABLECIMIENTO%DE%POLARIDAD%CENTRALQPERIFERICA%Y%ADAXIALQABAXIAL% Tanto!en!los!cotiledones!al!comienzo!del!desarrollo!de!la!plántula,!como!en!las!hojas,!se!desarrollan!nuevos!ejes!que!son! establecidos!prematuramente.!Para!las!hojas!son!el!eje!proximalgdistal!(de!la!base!de!la!hoja!hacia!el!extremo!de!ésta)!y!el! eje! adaxialgabaxial! (de! la! superficie! superior! a! la! inferior,! a! veces! denominada! de! la! superficie! dorsal! a! la! ventral),! así! llamados!porque!se!relaciona!con!el!eje!radial!del!vástago.!En!el!embrión!en!vez!del!eje!proximalgdistal,!se!encuentra!el!eje! centralgperiferico.! En! el! embrión! de! Arabidopsis! se! diferencian! tales! ejes! con! distintos! programas! de! desarrollo! en! las! mitades! adaxial! y! abaxial.!Una!familia!de!genes!implicados!en!esta!diferenciación!son!los!HDgZIP!de!clase!III!(Class!III!Homeodomain!Leucine! Zipper!gene!family),!los!cuales!incluyen!al!gen!REVOLUTA!(REV),!que!codifica!factores!de!transcripción!y!son!expresados!en! el!lado!adaxial.!Un!microRNA!está!vinculado!con!la!restricción!de!la!expresión!de!REV!al!lado!adaxial,!mientras!que!destruye! a!sus!mRNA!sobre!el!lado!abaxial!y!limita!así!su!actividad!a!un!solo!lado.! La!familia!de!genes!KANADI!(KAN)!juega!un!rol!contrario!a!los!HDgZIPIII!en!la!designación!de!la!polaridad.!Las!mutaciones!de! sobreexpresión!de!KAN1!muestran!un!reemplazo!total!de!los!tejidos!adaxiales!por!tejidos!abaxiales!en!cotiledones!y!hojas,! incluyendo!la!perdida!de!la!hoja!del!vástago!y!el!desarrollo!vascular.!

!

! !

! 127!

MADURACIÓN!DE!LA!SEMILLA! EXPRESIÓN%GÉNICA% La! síntesis! de! ABA! se! encuentra! temporal! y! espacialmente! regulada! en! semillas.! La! conversión! de! la! zeaxantina! en! transgviolaxantina! por! la! zeaxantina! epoxidasa! (ZEP/ABA1)! es!un!paso!clave!en!la!síntesis!de!ABA.!Esta!enzima!alcanza! su!pico!máximo!aproximadamente!a!la!mitad!del!desarrollo! de! la! semilla,! lo! cual! correlaciona! con! el! grado! de! acumulación! del! ABA,! que! según! la! evidencia! experimental! alcanza! su! mayor! concentración! durante! la! fase! de! maduración.!! Durante! el! desarrollo! de! la! semilla,! la! síntesis! de! varias! proteínas! se! ve! estimulada! por! el! ABA.! En! el! caso! de! los! cereales,! esta! hormona! regula! la! síntesis! de! proteínas! dentro! del! embrión,! mientras! que! en! el! caso! de! las! dicotiledóneas,! induce! la! síntesis! de! proteínas! relacionadas! con! el! proceso! de! maduración,! tales! como! las! LEA! (“Late! embryogenesis! abundant! protein”)! y! las! proteínas! de! almacenamiento.!

A! continuación! se! puede! ver! un! esquema! con! un! modelo! hipotético!que!muestra!la!regulación!transcripcional!durante!la! embriogénesis!por!ABA.!ABA!activaría!señales!de!elementos!de! respuesta! a! ácido! abscísico! (ABRE,! abscisic! acidgresponsive! element)! que! mediarían! la! transcripción.! La! barra! blanca! representa!un!promotor!de!un!gen!inducible!por!ABA.!ABRE!y! RY! son! elementos! cisgacting! relacionados! en! la! transcripción! mediada!por!ABA.!!

!

!

128!

! Hay!distintos!tipos!de!regulación,!pero!lo!más!estudiado!hasta!el!momento!es! la! regulación! transcripcional! durante! esta! etapa! del! desarrollo.! En! dicotiledóneas!están!los!factores!de!tipo!B3!entre!los!que!están:!ABI3!(ABSCISIC! ACIDgINSENSITIVE!3),!FUS3!(FUSCA!3)!y!LEC2!(LEAFY!COTYLEDON!2),!los!cuales! son!considerados!los!reguladores!maestros!de!la!embriogénesis.!Tambíen!están! los! sitios! ABRE,! que! en! este! caso! se! llaman! Ggbox! o! GLM,! donde! se! unen! los! distintos! bZIP,! y! hay! otros! que! se! cree! que! podrían! estar! regulando! la! embriogénesis,! pero! no! se! ha! determinado! hasta! el! momento,! estos! son! los! MYB!o!factores!de!transcripción!tipo!DOF,!estos!últimos!si!se!ha!visto!que!son! muy! importantes! en! la! regulación! de! genes! en! esta! etapa! en! monocotiledóneas.!! En! monocotiledóneas! también! están! los! bZIP! como! los! O2glike! como! BLZ2! y! BLZ1,!también!los!genes!DOF,!tal!cual!se!había!mencionado.!Hasta!el!momento! no!hay!evidencia!de!que!afecten!factores!B3.!

! Durante!la!maduración,!VP8!se!cree!que!es!uno!de!los!factores!maestros!durante!la!embriogénesis,!este!activa!al!factor!de! transcripción!LEC1!que!se!ha!visto!que!tiene!un!papel!muy!importante!en!la!iniciación!de!la!embriogénesis.!Este!a!su!vez! ayuda! a! la! expresión! de! LEC2,! FUS3! y! ABI3,! los! cuales! generan! un! loop! positivo! entre! ellos! (se! activan! en! ese! orden! respectivamente).!LEC2!además!activa!a!YUC4,!el!cual!esta!implicado!en!la!síntesis!de!auxina,!que!a!su!vez!esta!relacionada! con! los! factores! ARF.! Pero! posteriormente,! durante! las! últimas! etapas! de! maduración,! cuando! ya! se! forman! los! órganos! laterales!y!se!encuentra!la!semilla!madura,!el!mismo!ABI3!se!encarga!de!bajar!los!niveles!de!expresión!de!ARF.!ABI3!también! es!importante!en!la!expresión!de!los!genes!LEA,!que!se!activan!en!la!embriogénesis!tardía,!relacionados!con!las!proteínas!de! reserva!o!almacenamiento!durante!esta!etapa.!También!de!ABI5!que!son!un!factor!de!tipo!bZIP,!que!activa!genes!LEA.!FUS3! es!el!encargado!de!aumentar!los!niveles!de!NCED,!el!cual!es!una!de!las!proteínas!importantes!en!la!biosíntesis!de!ABA,!pero! solamente!durante!las!primeras!etapas!de!embriogénesis.!Cuando!las!señales!ambientales!apropiadas!para!la!germinación! se!presentan,!el!mismo!FUS3!se!encarga!de!inhibir!ABAg8gOHase!(que!inhibe!las!concentraciones!de!ABA)!y!GA3ox2,!que! hace!aumentar!las!concentraciones!de!giberelinas.!Se!sabe!que!la!germinación!es!básicamente!un!balance!entre!los!niveles! !

129!

de!ABA!y!giberelinas,!el!ABA!hace!que!se!mantenga!la!dormancia!de!la!célula!mientras!que!GA! aumenta!el!metabolismo! permitiendo!la!germinación.!Esto!lo!hace!con!otros!factores!B3!que!ocupan!los!sitios!de!ABI3!y!FUS3,!inhibiéndolos.!

! Las!mutantes!de!ABI3,!dado!que!este!factor!esta!encargado!de!la!degradación!de!la!clorofila,!presentan!semillas!verdes!ya! que!no!se!degradan!las!clorofilas!iniciales.!En!las!mutantes!LEC2!presentan!tricomas!en!los!cotiledones!(típico!de!plantas! adultas),!las!mutantes!FUS3!el!embrión!comienza!a!germinar!dentro!de!la!propia!semilla!(dado!que!el!gen!normal!evita!la! germinación!precoz),!al!igual!que!ABI3.!La!sensibilidad!a!ABA!es!otorgado!por!ABI3.! La!sobreexpresión!de!LEC1,!el!cual!no!es!un!factor!de!tipo!B3!ya!que!es!anterior,!hace!que!la!planta!mantenga!una!identidad! bastante! similar! a! lo! que! es! un! embrión,! no! tiene! clorofila,! entre! otros.! Lo! que! sucede! es! que! al! sobreexpresar! LEC1! la! planta!es!capaz!de!producir!una!embriogénesis!somática!que!es!un!embrión!en!tejido!adulto.! En!la!sobreexpresión!de!LEC2!aumentan!los!niveles!de!auxina!y!estimula!la!embriogénesis!somática.!

METABOLISMO%

!

130!

! La! mayor! parte! de! la! sacarosa! es! importada! desde! el! tejido! materno,! y! pasa! al! proceso! de! glicolisis! de! la! que! se! obtiene! piruvato.!Este!piruvato!en!vez!de!entrar!al!ciclo!de!Krebs!u!otro,!se!va!a!dos!vías:!(1)!por!un!lado,!la!formación!de!ácidos! grasos!para!la!posterior!formación!de!triglicéridos!y!así!tener!esos!cuerpos!lipídicos!que!se!observan!en!la!imagen!superior! (gris!claro),!y!por!otro!lado,!en!conjunto!con!aminoácidos!que!también!son!extraidos!de!la!madre!(2)!ayudan!a!la!formación! de!SSP!y!de!las!vésiculas!o!PSV.! La!respiración!celular!es!prácticamente!nula,!ya!que!hay!muy!poco!oxígeno!y!la!cadena!transportadora!esta!super!baja,!el! ciclo!de!Krebs!es!prácticamente!nulo!y!lo!poco!que!se!utiliza!es!para!tener!los!carbohidratos!para!formar!ácidos!grasos!y! aminoácidos.!

La producción de lípidos La!producción!de!lípidos!tiene!que!ver!con!el!factor!de!transcripción!WRINKLED1!(WRI1),!el!cual!es!activado!por!LEC2.!La! sacarosa!que!viene!del!tejido!materno,!entra!en!la!etapa!de!glicolisis,!se!forma!el!piruvato!que!luego!se!tranforma!a!acetilg CoA,!el!cual!entra!en!la!producción!de!ácidos!grasos,!WRI1!sería!el!gen!maestro!que!induce!que!toda!esta!vía!suceda.!

! !

131!

Las!mutantes!de!WRI1!tienen!fenotipos!más!arrugados!ya!que!se!producen!menor!cantidad!de!lípidos.!Se!hicieron!una!serie! de!experimentos!donde!se!mutaron!las!wri1!a!wri4,!y!se!sobreexpreso!una!de!ellas.!Cuando!la!que!se!sobreexpresa!es!WRI1,! el!fenotipo!se!ve!normal,!lo!que!indicaría!que!es!capaz!de!complementar!la!mutante.!Lo!mismo!se!observa!al!sobreexpresar! WRI3!y!WRI4,!sin!embargo!WRI2!no!es!capaz!de!complementar!la!mutante!por!lo!que!3!de!estos!factores!son!importantes! para!la!acumulación!de!lípidos!en!la!semilla.!

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132!

GERMINACIÓN! La!germinación!de!semillas!es!un!proceso!que!depende!tanto!de!factores! internos!y!ambientales,!como!de!los!niveles!de!hormonas!vegetales,!luz!o! temperatura.!Mediante!análisis!genéticos!se!ha!comprobado!tanto!que!el! ABA!tiene!un!papel!muy!importante!en!la!dormición!de!semillas,!como!que! las!giberelinas!son!imprescindibles!para!que!se!produzca!la!germinación.!La! mayoría!de!las!respuestas!fisiológicas!mediadas!por!ABA!incluyen!cambios! en!la!expresión!génica,!y!ya!se!han!identificado!gran!cantidad!de!proteínas! que!participan!en!la!ruta!de!señalización!de!la!hormona.! ! ! ! ! !

! Gracias! a! enzimas! hidroliticas! inducidas! por! giberelinas! se! ablanda! la! testa! permitiendo! su! rompimiento! y! posterior! germinación.!Esto!se!genera!por!un!esfuerzo!mecánico!desarrollado!en!base!a!un!metabolismo!heterótrofo.!

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133!

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134!