EL DESARROLLO VEGETAL

Transcripción

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2 2 EL DESARROLLO VEGETAL Crecimiento y diferenciación El desarrollo vegetal, es el conjunto de procesos mediante los cuales, a partir de una semilla sexual o vegetativa es posible obtener una planta completa capaz de producir semillas sexuales y/o vegetativas que garanticen la continuidad de la especie. El desarrollo, también puede ser considerado como la suma total de todos los procesos fisiológicos de un organismo, y como el conjunto de procesos que sufre el embrión a partir de sus meristemos. El desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación) es la consecuencia de la expresión secuencial de un programa detallado, codificado en la secuencia de bases del ADN nuclear y citoplásmico. Sin embargo, el programa no es sencillo en la mayoría de las plantas, sino que tiene varias rutas alternas. La expresión de este programa es, en gran medida, una consecuencia de la interacción con las variables ambientales. La temperatura, el fotoperíodo, la calidad y cantidad de luz, la gravedad, la accesibilidad al agua, y los vientos, son los factores ambientales más significativos que pueden iniciar o modificar las rutas específicas del desarrollo vegetal. Por ejemplo, existen plantas como el cafeto, que como respuesta a una disminución del potencial hídrico en el suelo y la atmósfera, desencadenan procesos de floración (antesis), que son necesarios para obtener buenas cosechas periódicas del grano. En este caso, el nivel de humedad ambiental, inicia un proceso de desarrollo reproductivo que culmina en la formación de flores, frutos y semillas. Normalmente, el desarrollo está constituído por dos procesos evolutivos muy importantes: 1. El crecimiento: Es el conjunto de modificaciones cuantitativas que intervienen en el curso del desarrollo vegetal y que se traducen en un aumento en las dimensiones, sin cambios apreciables en las propiedades cualitativas. Es un fenómeno biológico que implica la síntesis y organización de nuevas moléculas a nivel celular, y a nivel del órgano, implica diferenciaciones que conducen a la histogénesis y la organogénesis. Se debe tener cuidado con no tomar como crecimiento las variaciones de tamaño puramente mecánicas como el hinchamiento de una célula

3 3 turgente. Tales variaciones, generalmente son reversibles, contrario a lo que sucede durante el crecimiento biológico. El crecimiento de una planta, es la suma integrada de los procesos individuales de crecimiento de órganos y células: Cada uno de estos órganos y células, puede ser afectado por factores externos tales como la temperatura, las condiciones de luz y la disponibilidad de nutrientes y agua, así como también por factores internos. Este crecimiento se define como un aumento en el volumen celular o incremento en el número de células, que no discrimina dirección en el espacio, pero que tiene dos direcciones fundamentales bien marcadas: El crecimiento primario o en longitud, radicado en los meristemos apicales y crecimiento secundario o en grosor, ubicado en los meristemos laterales. En un camino intermedio a muchas definiciones de crecimiento, se lo puede proponer como el proceso que describe el cambio cuantitativo del vegetal en tamaño, en forma y ocasionalmente en número, o como el incremento sostenido e irreversible de la materia seca de una planta o de una comunidad de plantas. 2.La diferenciación Es la adquisición gradual de diferentes rasgos estructurales y funcionales, por la población celular uniforme y no especializada del meristemo. Mediante este proceso también conocido como morfogénesis, se originan los rasgos anatómicos del organismo. La morfogénesis es el desarrollo de formas externas de nuevos órganos como las hojas. El proceso de crecimiento, la división celular, la morfogénesis y la diferenciación, constituyen la evolución de la planta. Regulación del desarrollo El crecimiento y la diferenciación vegetal, además de aumentar su tamaño y complejidad funcional, conducen a la planta a interactuar favorablemente con su medio. Según lo anterior, el proceso es mediado por mensajeros químicos o reguladores del desarrollo,

4 4 concepto que explica cómo las plantas lo regulan y lo controlan. En los organismos pluricelulares, la división y crecimiento de las células, su diferenciación y organización en tejidos, así como sus actividades metabólicas, deben suceder en forma armónica. Para ello, es necesaria la comunicación intercelular, la cual se efectúa mediante sistemas de señalización capaces de operar a larga distancia. Existen varios modos diferentes mediante los cuales los cuales los factores ambientales desencadenan los cambios durante el desarrollo vegetal. En primer lugar, el estímulo debe ser percibido por la célula vegetal. La luz, por ejemplo, produce un efecto biológico debido a que es absorbida en primer lugar por un pigmento. Entre los pigmentos que actúan como fotorreceptores en las plantas se encuentran las clorofilas, los fitocromos, las ficobilinas, los carotenos, las flavinas. Aunque todos los pigmentos absorben determinadas longitudes de onda de la luz, no todos actúan como fotorreceptores. Para que un pigmento actúe como fotorreceptor, debe estar acoplado a un mecanismo bioquímico de tal forma, que la absorción de la luz genere una señal química que modifique el metabolismo celular. Finalmente, el metabolismo celular alterado, produce cambios en el crecimiento o en la diferenciación. Aunque algunos estímulos inician nuevas rutas completas del desarrollo tales como la inducción de la floración, otros, sencillamente, modifican los patrones o la dirección del crecimiento. El crecimiento se orienta mediante los estímulos ambientales tanto hacia el estímulo (movimiento tropístico positivo o tropismo positivo) como en dirección contraria (movimiento tropístico negativo o tropismo negativo). En muchos casos, estas respuestas tropísticas, son mediadas por moléculas señal que estimulan o suprimen el crecimiento y pueden iniciar o alterar las rutas del desarrollo. Estas moléculas reguladoras especiales se denominan hormonas. Este término se utiliza en Fisiología Vegetal para significar cualquier molécula de ocurrencia natural que actúa como señal para la regulación del desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación).

5 5 Las hormonas vegetales A lo largo de la evolución, los organismos han adquirido la capacidad para modular su actividad metabólica y asegurar un desarrollo controlado. Tal capacidad se evidencia en determinados mecanismos internos regulados por hormonas. En los animales, las hormonas cumplen funciones de mensajeros químicos: Se sintetizan en glándulas específicas, se transportan desde allí al sitio de intervención y la respuesta inducida por la señal química depende de la concentración de la hormona. En 1928, Fritz Went descubrió la actividad hormonal del ácido indolacético (AIA) sobre el crecimiento de plántulas de avena: Su efecto dependía de la concentración, y ejercía su acción en sitios diferentes al de síntesis. En los años posteriores a 1950, se descubrieron las giberelinas, las citocininas, el ácido abscísico, el etileno, las poliaminas, los brassinoesteroides, el ácido jasmónico y sus derivados, y el ácido salicílico. Las hormonas de las plantas, son sustancias que ocurren naturalmente en ellas, y son efectivas en muy pequeñas cantidades. Actúan estimulando o inhibiendo el crecimiento, o regulando algunos programas del desarrollo. Son moléculas muy pequeñas, de masas moleculares menores de 1.0 kda. En muchos casos, las hormonas de las plantas son activas en tejidos objetivo específicos, diferentes del tejido en el cual se producen. Son señales químicas que facilitan la comunicación intercelular. En estos casos, la hormona puede ser transportada pasiva o activamente hacia los tejidos objetivo, desde los sitios de síntesis y puede tener poco o ningún efecto sobre los tejidos a través de los cuales se transporta o donde se producen. En otros casos, los efectos de las hormonas son más generalizados y pueden actuar sobre los tejidos en los cuales se produce la señal, o bien en otros. Existe una regulación específica del mecanismo de biosíntesis de la hormona, lo mismo que un mecanismo de regulación de su degradación. Como resultado, los niveles de las hormonas en la planta son variables. Los factores ambientales como la luz, el fotoperíodo, y la gravedad, pueden afectar tanto la biosíntesis, como la degradación y la distribución de las hormonas en la planta, y a su vez, las hormonas modifican el desarrollo o la respuesta en crecimiento. Hasta hace relativamente poco tiempo (años 80), se reconocían únicamente 5 clases de hormonas vegetales: Las auxinas, las citocininas, las giberelinas, el etileno y el ácido

6 6 abscísico. Se encontró que su actividad no se restringe a regular los tropismos, e incluso, algunas de ellas no tienen nada que ver con en las respuestas trópicas, pero se ha podido establecer que las hormonas regulan la mayoría, si nó todos los aspectos del desarrollo vegetal. La mayoría de las hormonas tienen un receptor o varios de ellos a los cuales se ligan. La unión de una hormona con su receptor inicia una cascada de cambios celulares que constituyen una ruta de transducción de señales. En algunos casos, la unión de la hormona con su receptor, da como resultado la formación de un segundo mensajero intracelular. Se ha demostrado que las auxinas, las giberelinas, las citocininas, el ácido abscísico (ABA), el etileno, los brassinoesteroides, las poliaminas, el ácido salicílico, la tiamina, la sistemina, varios oligosacáridos, el ácido jasmónico (AJ), el metil jasmonato y ciertos compuestos fenólicos, ejercen un efecto poderoso sobre algunos aspectos del desarrollo vegetal. No todos los compuestos de la lista son hormonas, como por ejemplo la tiamina, que se incluye para ilustrar la diferencia entre las hormonas vegetales y otras moléculas que pueden estimular el desarrollo bajo algunas condiciones. La tiamina es una vitamina, nutriente esencial para los animales, los cuales no pueden sintetizarla, y deben obtenerla de la dieta alimenticia. La tiamina se sintetiza solamente en el brote de la planta en presencia de la luz, pero no es sintetizada por las raíces, las cuales dependen para su trabajo metabólico, de la tiamina que se sintetiza en el brote.hay una diferencia fundamental entre la tiamina y las hormonas de las plantas, tales como la auxina. Una vez la tiamina entra a la célula, es fosforilada y entonces sirve como cofactor para la carboxilasa, es decir, participa en el metabolismo respiratorio que es esencial para aportar la energía necesaria para el desarrollo. Las hormonas de las plantas, no son únicamente factores permisivos, sino que juegan un papel importante en la determinación de cuándo o dónde ocurren los procesos de crecimiento y de la iniciación o inhibición de los procesos de desarrollo. Se ha demostrado que la mayoría de las hormonas vegetales inducen la expresión de muchos genes, y que una parte de tales genes contiene secuencias de bases específicas en sus promotores que actúan como elementos de la respuesta hormonal. En presencia de la hormona, se liga a ella un factor de transcripción que permite la iniciación de este proceso.

7 7 Según lo anterior, el desarrollo vegetal es mediado por mensajeros químicos o reguladores del crecimiento vegetal (hormonas), concepto que explica cómo las plantas lo regulan y controlan. En los organismos pluricelulares, la división y crecimiento de las células, su diferenciación y organización en tejidos, así como sus actividades metabólicas, deben producirse de forma armónica. Para ello, es necesaria la comunicación intercelular, la cual se efectúa mediante sistemas de señalización capaces de operar a larga distancia. De las moléculas anteriormente nombradas, cinco son generalmente reconocidas como hormonas: Auxinas, giberelinas, citicininas, ácido abscísico y etileno. El polipéptido de 18 aminoácidos sistemina, de reciente descubrimiento, puede ser añadido a la lista de las hormonas vegetales. La sistemina se producida como respuesta al daño producido por los insectos y fitófagos, y rápidamente es transportada a través de la planta donde desencadena la síntesis de los inhibidores de proteinasas. Además de esto, los fragmentos específicos de la pared celular llamados usualmente oligosacarinos u oligosacáridos, hacen parte de la respuesta inicial al ataque de insectos o patógenos y son, por consiguiente, importantes señales moleculares. Los oligosacarinos derivados de la pared celular de las plantas pueden actuar como señales que regulan otros aspectos del desarrollo de ellas. Las auxinas Las auxinas regulan muchos aspectos del desarrollo vegetal, y es posible que ellas sean esenciales para la vida de la planta. Además de la regulación del alargamiento celular, las auxinas pueden ser responsables del control de los siguientes fenómenos: Fototropismo, inhibición de la formación de la zona de abscisión, inhibición del desarrollo de las yemas laterales (dominancia apical), diferenciación del tejido vascular, división de las células del cámbium vascular, mantenimiento de la polaridad de los tejidos y expansión de la lámina foliar. Las auxinas se sintetizan en las yemas apicales y las hojas jóvenes de una planta típica. Son transportadas hacia la parte baja del tallo por un mecanismo específico conocido como el sistema de transporte de las auxinas. Se ha establecido el papel de la auxina como señal en el fototropismo. Regulan el alargamiento de los entrenudos jóvenes y el crecimiento de las

8 8 hojas jóvenes. Inician la diferenciación celular en ambos, estimulando el agrandamiento y el alargamiento. Mientras promueven el crecimiento de estos tejidos y órganos, inhiben el desarrollo de las yemas laterales conocido como dominancia apical. Las auxinas pueden tener un efecto positivo o negativo sobre alguno de estos fenómenos, dependiendo de su concentración, la cual debe estar por encima de algún umbral para que sea efectiva, y por encima de este umbral, la cantidad de crecimiento es función lineal del incremento en la concentración de la hormona. Sin embargo, en un punto determinado, los mayores incrementos en la concentración de las auxinas cesan de promover el crecimiento, y de hecho, se convierten en inhibidores. En los diferentes tejidos, varía ampliamente la concentración efectiva de la auxina que promueve el desarrollo. Posibles mecanismos de acción de las auxinas a acción de las auxinas depende de las condiciones anatómicas y fisiológicas de las células afectadas. Las investigaciones iniciales fueron guiadas por la idea de que las auxinas y otras hormonas, pueden actuar como coenzimas para enzimas específicas. Una molécula de ácido idolacético (AIA) puede afectar a miles o millones de otras moléculas, amplificando enormemente la respuesta al desencadenamiento inicial producido por ella y por otras hormonas involucradas. Si una hormona actúa como coenzima, se puede explicar tal amplificación, pero no se ha probado definitivamente que ninguno de los grupos hormonales actúe como coenzima ni hay evidencia de que provoquen cambios alostéricos en ninguna enzima. Pueden existir ambas posibilidades debido al hecho de que hay muchas enzimas cromosómicas asociadas a la síntesis de ADN y ARN, y muchas enzimas y proteínas ribosomales responsables de la síntesis de proteínas. Tales enzimas y proteínas son las que están recibiendo mayor atención para explicar la teoría de la acción hormonal. Las moléculas de ARN que se necesitan para la síntesis de enzimas u otras proteínas, se producen más rápidamente en la presencia de auxinas, mientras que los inhibidores bloquean tal síntesis. La síntesis de ARN ribosomal, se estimula especialmente por las auxinas, y los nucléolos responsables de esta síntesis, aumentan de tamaño en presencia de ellas.

9 9 Aparentemente, las auxinas estimulan el debilitamiento de la pared celular asociado a un efecto sobre la membrana plasmática, pero esta respuesta, requiere de la presencia de alguna proteína o enzima que se destruye en pocas horas y puede ser resintetizada dependiendo de las reacciones del ARN. El estímulo del ARN y la síntesis proteínica por la auxina, requieren que la hormona o la molécula formada como respuesta a la acción hormonal en el sitio de la membrana plasmática, se mueva o se transfiera al núcleo, afectando la transcripción. En esta forma, la actividad nuclear puede ser controlada por eventos relacionados con la acción hormonal en la superficie de la célula. Las giberelinas Las giberelinas también regulan el alargamiento del tallo, pero afectan diferentes tejidos de los afectados por las auxinas. Aunque las auxinas regulan el alargamiento de los tejidos del coleoptilo en semillas de pastos, no se han encontrado en estos órganos, contenidos significativos de giberelina. Cuando se corta el coleoptilo y se aplica giberelina, no hay crecimiento de la plántula. Las giberelinas están relacionadas con la regularización del alargamiento internodal en las plantas enteras.

10 10 Las giberelinas, también ejercen un marcado efecto sobre el crecimiento de plantas genéticamente enanas. Por ejemplo, hay un solo gene mutante en alverja, maíz y otras plantas que exhiben estatura enana, debido primariamente a que sus entrenudos no se alargan. La aplicación de giberelinas ocasiona que estas plantas puedan crecer a alturas similares a las del tipo silvestre. Entonces, las giberelinas juegan un papel importante en la regulación del alargamiento internodal. Esta conclusión, se sustenta sobre el hecho de que cuando se aplican muchos compuestos químicos sintéticos como el Cicocel, a plantas normales, inducen enanismo. Varios de estos químicos enanizantes inhiben la biosíntesis de giberelinas. Se ha demostrado, que las giberelinas intervienen en las siguientes respuestas: Reversión a la juvenilidad en plantas que poseen diferentes fases juveniles y adultas, control del cuajamiento y crecimiento de los frutos, particularmente en vid, inducción de la germinación en las semillas que requieren luz o frío para su germinación, ruptura de la dormancia apical de yemas, diferenciación sexual en algunas plantas monóicas, movilización durante la germinación, de las reservas alimenticias almacenadas. Se han descubierto al menos 50 tipos diferentes de giberelinas en los hongos y en las plantas, los cuales se distinguen mediante la abreviatura GA con un subíndice como en el caso de GA 3 que ha sido estudiada más que las demás por su fácil consecución. Las giberelinas ocurren en las angiospermas, gimnospermas, helechos, algas y hongos, y aparentemente no se encuentran en las bacterias, pero sólo en las plantas vasculares se han establecido con precisión sus roles fisiológicos. Mecanismo de acción Los muchos efectos de las giberelinas, sugieren que tienen más de un sitio primario de acción. Aunque ocurra un efecto individual en las plantas, tal como el alargamiento del tallo, este es el resultado de su contribución en, al menos, tres eventos: (1) La división celular es estimulada en el ápice de los brotes, especialmente en las células de los meristemos más basales. Las giberelinas promueven la división celular porque estimulan la entrada de las células de fase G 1 a fase S y porque también acortan la fase S. El mecanismo no ha sido completamente aclarado, pero es razonable afirmar que las giberelinas

11 11 incrementan el número de sitios en el cromosoma donde puede empezar la síntesis de ADN y ARN. Esto puede ser el resultado de su habilidad para combinarse con las proteínas cromosómicas y consecuentemente, para descubrir los sitios de iniciación de la síntesis de los ácidos nucléicos (2) las giberelinas estimulan el crecimiento celular, porque incrementan la hidrólisis de almidón, fructosanos y sacarosa a moléculas de glucosa y fructosa. Estas hexosas, suministran energía por la vía de la respiración, contribuyen a la formación de la pared celular y también hacen que la célula haga más negativo su potencial hídrico momentáneamente. Como resultado de la disminución del potencial hídrico, el agua entra más rápidamente, diluye el azúcar e induce la expansión celular. En los tallos de la caña de azúcar, el crecimiento promovido por las giberelinas, se debe al incremento en la síntesis de la invertasa, que hidroliza la sacarosa proveniente de las hojas (3) las giberelinas incrementan algunas veces la plasticidad de la pared celular y no solamente promueven el alargamiento del tallo, sino también el crecimiento de la planta entera incluyendo las hojas y las raíces.

12 12 Figura 71. Principales formas moleculares de las giberelinas. Las citocininas Durante la década de , G. Haberlandt descubrió que un compuesto desconocido presente en los tejidos vasculares de varias plantas, estimulaba la división celular, originaba la formación de corcho a partir del cámbium y participaba en la curación de las heridas en los tubérculos de la papa. También dedujo que las células parenquimatosas de las heridas producían otros compuestos que participaban en los procesos de división y sanación de las heridas. Esta fue la primera demostración de que las plantas contenían compuestos llamados ahora citocininas, que estimulan la citocinesis. A mediados del siglo 20, Oberbeek, encontró que el endospermo lechoso de los cocos inmaduros, también es rico en compuestos que estimulan la citocinesis, y durante los primeros años de la década de 1950, Folke Skoog y sus colaboradores, quienes estaban interesados en el estímulo por auxinas en cultivos de tejidos vegetales, encontraron que las células de las secciones de los vasos cribosos de los tallos de tabaco se dividían mucho más rápidamente si se colocaba una pieza de tejido vascular, en la parte superior del vaso criboso, verificando los resultados de Haberlandt. Trataron de identificar el factor químico de los tejidos vasculares utilizando el crecimiento de las células de los vasos cribosos de tabaco en sistemas de bioensayo. Estas células fueron cultivadas en medio de agar con contenidos de azúcares, minerales, sales, vitaminas, aminoácidos y AIA conocidos. El AIA mismo, estimulaba el crecimiento ligeramente, principalmente debido a que se formaban células enormes que no se dividían. Muchas de estas células eran poliploides y con muchos núcleos. En la búsqueda de sustancias que estimularan la división celular, encontraron una purina componente de extractos de levadura, con alta actividad. Este resultado, condujo a investigaciones acerca de la habilidad del ADN para promover la citocinesis y al descubrimiento en 1954 de muchos compuestos activos formados a partir de la ruptura del ADN de esperma de arenque y llamaron a estos compuestos cinetinas. Aunque la cinetina misma no ha sido encontrada en las plantas y no es la sustancia activa encontrada por Haberlandt en el floema, algunas cinetinas relacionadas, ocurren en la mayoría de las plantas. F.C. Steward usó técnicas de cultivo de tejidos durante la década de

13 y encontró en la leche de coco muchas citocininas que estimulan la división celular en los tejidos de raíces en zanahoria. Letham, van Staden y Drewes mostraron entre 1974 y 1975, que las más activas de estas eran la zeatina y el ribósido de zeatina. La zeatina fue identificada en el maíz por Letham y Miller en A partir de entonces, se han identificado otras citocininas con estructuras parecidas a la adenina, similares a la cinetina, la zeatina y el ribósido de zeatina. Ningunas de estas son constituyentes del ADN ni son productos de su ruptura, pero algunas ocurren como bases extrañas en ciertas moléculas de ARN t de plantas superiores y aun en primates. Algunos se presentan en forma de citocininas libres. Solamente cerca de un décimo de las moléculas de ARN t contienen citocininas y, entonces, sólo una base de citocinina se encuentra presente en cada molécula de ARN t, ligada luego del terminal 3' del anticodón. Las citocininas ligadas al ARN t pueden ser necesarias para la unión normal del ARN t al ARN mensajero mediante interacciones anticodón-codón durante la síntesis de proteínas en el ribosoma, pero es una citocinina libre no ligada en el ARN t, la que aparentemente, ocasiona las respuestas fisiológicas conocidas. Las citocininas básicas incluyen la zeatina, la isopentenil adenina, la 2-metiltiozeatina y la 2-metiltioisopentenil adenina. Los derivados metiltio no se han encontrado como citocininas libres. También se han identificado en las angiospermas, otra media docena de citocininas derivadas de la adenina, que poseen una cadena lateral en la posición N 6 y se espera encontrar otras. Las citocininas libres, han sido identificadas en sólo unas pocas gimnospermas y aparentemente en no todos los musgos y los helechos, aunque probablemente ocurren en todas las plantas tanto en forma libre, como en forma de ARN t. Según lo anterior, aunque no ha sido demostrado, se supone que las citocininas son sustancias producidas endógenamente y que actúan como sustancias reguladoras del crecimiento de las plantas. Contrariamente a lo anterior, la producción de citocininas por microorganismos asociados a las plantas está bien documentada, y se ha propuesto una hipótesis alternativa según la cual, las citocininas son producidas exclusivamente por simbiontes microbiales de las plantas, tales como las bacterias pigmentadas rosa facultativamente metilotróficas (PPFM). Estas bacterias se distribuyen en todas las plantas, gracias al desarrollo de mecanismos confiables para su transmisión por las semillas,y no

14 14 son ni accidentales ni triviales. Las poblaciones de estos organismos son mayores en los puntos de crecimiento de la planta y su distribución imita la distribución de las citocininas en los tejidos de la planta. La relación entre las plantas y sus simbiontes microbiales, no está completamente comprendida, pero puede ser mutuamente benéfica: los simbiontes dependen de la planta para cubrir sus necesidades nutricionales y para la obtención de un hábitat físico, y se ha propuesto que las plantas dependen de las bacterias para la remoción de los productos metabólicos de desecho que se generan durante el crecimiento, como el metanol producido por la planta y consumido por las PPMF. Esto es razonable debido a que las células metabólicamente activas, generan sustancias de desecho. Estas bacterias, remueven este material desde el apoplasto y lo utilizan como recurso nutricional degradándolo a compuestos más simples como el amonio, que pueden retornar a la planta. Debido a la inmovilidad de las plantas, su habilidad para crecer, depende de su capacidad para eliminar los productos de desecho generados durante el proceso de crecimiento. Las citocininas, son señales emitidas por los microbios hacia la planta, señales que sirven para informar que los mecanismos manipuladores de desechos están presentes y activos: en esencia, que el crecimiento puede comenzar. Las plantas responden a esta señal, iniciando el crecimiento y desactivando la molécula señal a medida que la reciben. Cuando las citocininas se visualizan como señales de los microbios a la planta, la idea del balance entre auxinas y citocininas toma un gran significado. Esto también explica por qué, la modificación de la señal citocinina ocurre en el mismo tejido en el cual dicha señal, se produce aparentemente. La distribución de la bacteria en la planta evita el requerimiento de un mecanismo integrado para la producción de citocinina por ella, y también puede explicar que los niveles de citocininas circulantes parezcan bajos, y cuando se aplican exógenamente parecen inmóviles.

15 15 Como funciones generales de las citocininas, se pueden mencionar: Promoción de la división celular y de la formación de órganos, retardo de la senescencia, promoción del desarrollo de las yemas laterales, aumento de la expansión de los cotiledones y las hojas en algunas dicotiledóneas, promoción del desarrollo de los cloroplastos y del crecimiento general de la planta. Modo de acción de las citocininas La variabilidad de los efectos de las citocininas, sugiere diferentes mecanismos de acción en diferentes tejidos, aunque el punto de vista más simple es el de un efecto primario común seguido por numerosos efectos secundarios que dependen del estado fisiológico de las células objetivo. Como en el caso de otras hormonas, debe ocurrir una amplificación del efecto inicial ya que las citocininas ocurren en bajas concentraciones (0.01 a 1.0 M). Se sospecha que existe un efecto de las citocininas sobre el ARN y la síntesis de enzimas, particularmente porque sus efectos son bloqueados por los inhibidores de la síntesis de proteínas. Cuando las citocininas promueven la citocinesis, ocurre un incremento en el tamaño de los nucléolos de los cotiledones de lino y de los vasos cribosos del tabaco, lo cual sugiere un aumento en la síntesis de ARN ribosomal, que es una de las funciones primarias de los nucléolos, pero este efecto, ocurre únicamente después de muchas horas y no hay duda de que se trata de una respuesta secundaria.

16 16 Figura 72. Principales formas moleculares de las citocininas. Las hormonas pueden estimular la formación de algunas proteínas necesarias para la citocinesis, pero no se necesita la síntesis de ADN, ya que este último proceso, ocurre sin impedimento en tejidos de callo, sin la adición de citocininas. Ácido abscísico (ABA) El ácido abscísico, fue descubierto durante la búsqueda de los factores que forman la zona de abscisión en frutos y hojas y como resultado de la investigación acerca de las señales reguladoras de la iniciación de la dormancia. Fue llamado ácido abscísico, porque inicialmente se creía que esta hormona era la señal primaria para la iniciación de la abscisión de la hoja. Sin embargo, aunque el ácido abscísico puede promover la abscisión de las hojas de algodón y otras pocas especies bajo condiciones experimentales, se sabe en la actualidad que en muchas plantas la abscisión de frutos y hojas es inducida por el etileno. El ácido abscísico, regula muchos aspectos importantes del desarrollo de la planta, entre los cuales, se incluyen la iniciación de la dormancia de la semilla y de las yemas, el control del cierre estomático bajo condiciones de estrés, y la iniciación de la senescencia. Algunas veces, se ha considerado al ABA como una hormona del estrés de las plantas, porque se sintetiza como respuesta a muchos tipos de estrés inducidos por el frío, la salinidad y la deficiencia hídrica. El ABA puede inhibir o revertir la acción de otras hormonas

17 17 promotoras del crecimiento, mientras que induce el crecimiento a partir de semillas y brotes en dormancia. El ABA, inhibe tanto a las giberelinas como a las auxinas que inducen el crecimiento y promueve el inicio de la dormancia. El ABA induce el cierre estomático en pocos minutos y se ha encontrado que el estrés hídrico en la raíz puede incrementar hasta en 40 veces los niveles de ABA en las plantas. Un incremento en un ión, desencadenado por la luz o por los cambios en la concentración de CO 2, resulta en el aumento de la presión osmótica y en la toma de agua por las células guardas. El resultado del incremento en la presión de turgencia, es la deformación de las células guardas, de manera que los estomas se abren. El cierre estomático, es el resultado de la pérdida de iones, lo cual conduce a la pérdida de agua y a una reducción en la presión de turgencia. Las células guardas, poseen un receptor de ABA en la superficie externa de su membrana plasmática, y el ABA, con su receptor, abre un canal iónico y activa la bomba de protones. Figura 73. Principales formas moleculares del ácido abscísico. Etileno El etileno es una molécula reguladora muy simple H 2 C=CH 2 Cuando las plantas se exponen al smog, a diversos gases y al aire contaminado, ocurren muchos cambios fisiológicos en el desarrollo (crecimiento y diferenciación). Desde 1900,

18 18 se sabe que el etileno puede modificar el crecimiento de las plantas, por ejemplo, los cultivadores de piña en Puerto Rico y de mango en Filipinas, encienden hogueras cerca de sus cultivos en un esfuerzo por inducir la floración o la maduración de los frutos, y se sabe que algunos de estos efectos, son causados por el etileno. En 1901, Neljabou (Rusia), encontró que las plantas de arveja que cultivaba en su laboratorio iluminado por lámparas de gas, mostraban lo que se dió en llamar la triple respuesta:(1) ausencia de geotropismo positivo (2) aumento del volumen de los tallos y (3) epinastia de los pecíolos de las hojas. Cuando se analizaron los componentes del gas de alumbrado, se encontró una concentración de etileno de 10 ppm, y se estableció que a esta concentración, el etileno puede producir los efectos observados en las plántulas de arveja. Se sabe ahora, que los eventos que ocurren durante la maduración de los frutos, tales como la suavización de la consistencia, los cambios en la coloración y en la conversión de almidones en azúcar, son desencadenados por el etileno. Como resultado de estos trabajos, se encontró que el etileno es una hormona que actúa durante los procesos de maduración del fruto, y se considera que tiene más bien un papel limitado sobre la regulación del crecimiento de la planta. En la actualidad, se sabe que el etileno se produce en todas las partes de la planta, pero en mayor cantidad en los frutos en maduración, en los tejidos senescentes y en las regiones meristemáticas. El etileno se produce en muchas otras partes de la planta como respuesta al estrés, como en el caso de las heridas y la invasión por organismos patogénicos. Modo de acción del etileno Muchas evidencias, indican que el etileno se une temporalmente a un metal (probablemente Cu) contenido en algunas enzimas no identificadas o quizá a una proteína de membrana. El metal desconocido, parece interactuar tanto con el CO como con el CO 2, y el CO ocasiona a algunos de los mismos efectos del etileno. Si las concentraciones del gas son demasiado bajas, se inhibe la citocromo oxidasa por el CO, mientras que el CO 2 es un inhibidor competitivo para la acción de muchas de las respuestas del etileno. El etileno juega un papel importante en el control de la formación de la zona de abscisión. La zona de abscisión, es una capa específica que se forma en el pecíolo y en la base de la hoja y que representa una región de debilidad estructural que lleva a la hoja a desprenderse

19 19 de la planta. Su formación es inhibida por las auxinas y promovida por el etileno. La biosíntesis del etileno, puede ser inducida por las auxinas y se ha demostrado que muchos de los efectos inhibidores de las auxinas, son causados por el etileno inducido por ellas. En estos casos, el etileno parece ser un tipo de segundo mensajero. De hecho,se ha demostrado que muchos de los efectos que se atribuyeron en primera instancia a las auxinas son mediados por un etileno inducido por ellas.sin embargo, el etileno no puede sustituír a la auxina en la promoción del alargamiento de los tallos de muchas plantas o en la promoción de la división celular en los cultivos de tejidos. Los jasmonatos El ácido jasmónico (JA) y los compuestos relacionados con él fueron aislados inicialmente como inhibidores del crecimiento vegetal, a partir del filtrado del hongo Botrydiploiditheobromae, pero actualmente, se los ha relacionado con varios procesos fisiológicos que incluyen las respuestas de defensa. El JA, es estructuralmente similar a las prostaglandinas, compuestos hormonales que juegan una amplia variedad de actividades en los mamíferos. Tanto el JA como las prostaglandinas, se derivan de los ácidos grasos. El ácido jasmónico (JA) y sus derivados [(principalmente el ácido metil jasmónico (MJA)], pueden modular varios aspectos de la maduración de los frutos, de la producción de polen viable, del crecimiento de la raíz, del enrrollamiento de los zarcillos en las plantas trepadoras, y de la resistencia a insectos y patógenos. El jasmonato activa genes que tienen que ver con la resistencia a patógenos e insectos y genes relacionados con proteínas de almacenamiento vegetativo, pero reprime genes que codifican para proteínas relacionadas con el proceso fotosintético. La activación de la biosíntesis del ácido jasmónico, provocada por elicitores liberados por la pared celular, por el péptido sistemina y por otros compuestos, se relaciona con la función de los jasmonatos en las plantas. El jasmonato modula la expresión génica durante la transcripción, el procesamiento del ARN y la traducción.

20 20 Durante los estudios iniciales, se encontró que tanto el AMJ como el AJ, aplicados exógenamente, promueven la senescencia y actúan como fitorreguladores. A partir de otras investigaciones, se ha encontrado que el AJ altera la expresión génica y que las heridas y los elicitores inducen la acumulación de AJ/AMJ en las plantas. Estos resultados sugieren la participación del jasmonato en la defensa de las plantas, lo cual ha sido confirmado recientemente. Como resultado de otras investigaciones, se ha encontrado que los jasmonatos se encuentran implicados en el desarrollo vegetativo, en el desarrollo del fruto y en la viabilidad del polen. En adelante, se utilizará el término jasmonatos para identificar el complejo AJ/AMJ. Los jasmonatos modulan la expresión de numerosos genes y tienen influencia sobre aspectos específicos del desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación) y de la respuesta a estreses bióticos y abióticos. El MJA, y el compuesto estructuralmente relacionado, la cis-jasmona, son bien conocidos en la perfumería como componentes fragantes de los aceites esenciales del jazmín Jasminum grandiflorum. El ácido cucúrbico, fue aislado de semillas inmaduras del zapallo o ahuyama Cucurbita máxima y a comienzos de los años de 1980, fueron detectados el JA y el MJA como sustancias promotoras de la senescencia y retardantes del crecimiento en muchas especies vegetales como la artemisa Artemisia absinthium, haba Vicia faba, fríjol Phaseolus vulgaris, poroto Dolichos lablaby castaño japonés Castanea crenata. En 1989, se encontró que el glucósido 12-O-β del ácido tuberónico (ácido 12- hidroxijasmónico) es uno de los factores inductores de la tuberización de la papa Solanum tuberosum. El JA y el MJA, son los principales jasmonatos de los tejidos vegetales. Figura XXX. Estructura del ácido jasmónico

21 21 Germinación de las semillas Los jasmonatos inhiben la germinación de semillas no latentes, y estimulan la germinación de las semillas latentes. En algunas semillas recalcitrantes como las de roble, Quercus robur, los jasmonatos, el ABA y el etileno inhiben la germinación. La desecación de estas semillas induce el incremento en la concentración de jasmonatos antes de que se pierda la viabilidad. El incremento en el nivel de jasmonatos está relacionado con la peroxidación de los lípidos, lo cual hace pensar que la producción de jasmonatos, puede no estar asociada con la regulación de la germinación sino más bien con el daño de la membrana. Depósitos vegetativos y proteínas de almacenamiento Las plantas, tienen la capacidad de acumular grandes cantidades de carbono y nitrógeno en células y tejidos específicos, y la de movilizarlos para que sean utilizados en otras partes de ella. Esta capacidad, se utiliza durante la formación de la semilla, cuando los nutrientes se movilizan desde las partes vegetativas de la planta, hasta las semillas en desarrollo, y durante la germinación de la semilla, cuando el carbono y el nitrógeno, se movilizan para el desarrollo de la plántula. El almacenamiento y la movilización transitoria de los nutrientes, también ocurren durante el crecimiento vegetativo. Por ejemplo, el carbono se acumula durante el día en forma de almidón en el cloroplasto, y se moviliza en forma de sacarosa durante la noche, a otras partes de la planta. El carbono y el nitrógeno, pueden acumularse también en las células localizadas en regiones meristemáticas, para su utilización durante el crecimiento celular acelerado. Como el nivel del jasmonato en los sumideros vegetativos es alto, se ha sugerido que el AJ juega un papel muy importante en formación de tales sumideros. Por ejemplo, se ha encontrado que los contenidos de AJ, son altos en los ejes de crecimiento, en las plúmulas y en el hipocotilo de la soya, lo mismo que en las estructuras reproductivas en crecimiento como las vainas. Se ha propuesto, que el AJ o uno de sus derivados, el ácido tuberónico, juega un papel importante en la formación de los tubérculos, los cuales constituyen un tipo especial de depósito o vertedero. Por otro lado, se ha encontrado que el AJ regula la expresión de los genes que tienen que ver con el almacenamiento de proteínas durante el crecimiento vegetativo de las plantas.

22 22 Fotosíntesis, senescencia y estreses abióticos La aplicación foliar de AJ, disminuye la expresión de los genes nucleares y cloroplásticos relacionados con la fotosíntesis. Además, ocasiona también la pérdida de la clorofila de las hojas o en los cultivos de tejidos. El estudio dela habilidad del AJ para ocasionar la clorosis, condujo a establecer el papel del AJ en la senescencia vegetal. Así mismo, la participación del AJ en la inhibición de los genes relacionados con la fotosíntesis, parece indicar, que el jasmonato contribuye a reducir la capacidad de la planta para la asimilación del carbono bajo condiciones de exceso de luz o de CO 2. El aparato fotosintético, puede absorber más energía lumínica que la que puede utilizar durante la fotosíntesis, bajo condiciones en las cuales la fijación del CO 2 excede la capacidad de las células para exportar o almacenar el carbono, de tal forma, que la inhibición de los genes que codifican para el aparato fotosintético bajo estas condiciones, puede balancear las capacidades de absorción y utilización de la energía lumínica. Desarrollo de la flor y el fruto Se ha encontrado que el AJ juega un papel importante en la formación de las flores, los frutos y las semillas. La presencia del AJ o de los derivados volátiles de ácidos grasos relacionados, también tiene que ver con la atracción de los insectos y la dispersión del polen, y con otros aspectos del desarrollo de la flor, el fruto y la semilla tales como la maduración, la composición en carotenoides y la expresión de los genes relacionados con las proteinas de almacenamiento vegetativo. Aparentemente, la inducción de la maduración del tomate y la manzana, ocurre principalmente como una respuesta a la inducción de la producción de etileno. La aplicación de AJ a frutos de tomate, inhibe la acumulación de licopeno y estimula la acumulación de β-caroteno. Resistencia a los insectos y enfermedades El AJ juega un importante papel en la defensa de las plantas contra los insectos y enfermedades. En primer lugar, el AJ se acumula en las plantas heridas y en las plantas o cultivos de tejidos tratados con inductores de defensa contra los patógenos. En segundo

23 23 lugar, el AJ activa los genes que codifican para los inhibidores de proteinasas, los cuales ayudan a proteger a la planta del daño provocado por los insectos. El AJ activa la expresión de los genes que codifican para proteínas antifungosas tales como la tionina, la osmotina, la PDF y la proteína inactivante del ribosoma RIP60. El AJ, modula la expresión de algunas proteínas de la pared celular como la PRP, la cual está relacionada con la síntesis de barreras contra las infecciones. Además, el AJ induce los genes relacionados con la síntesis de fitoalexinas y fenoles relacionados con la defensa de las plantas. Iniciación hormonal de las cascadas reguladoras Al día de hoy, no se tiene un conocimiento completo acerca de cómo las hormonas vegetales llevan a cabo su papel regulador. Sin embargo, ha sido bien establecido que estas moléculas reguladoras, actúan por la ruta de transducción de señales iniciadas como resultado de la unión de la hormona con un receptor. Los receptores esteroides de hormonas, son proteínas que se unen al ADN para iniciar la transcripción de genes específicos después de que ellos se unen a la hormona. Se han identificado receptores para las auxinas, giberelinas y ABA. Los receptores de la giberelina y el ABA, se encuentran en la superficie celular, y los receptores de la auxina se han encontrado tanto en la superficie celular como en el citoplasma. La unión de la hormona con los receptores en la superficie de la membrana, inicia cambios en los eventos que conducen a la generación de mensajeros secundarios de corta vida. Se pueden usar muchos mensajeros secundarios diferentes, pero la acción de una hormona específica en un tipo de célula en particular, puede desencadenar la aparición de un mensajero secundario específico. Estos mensajeros secundarios, incluyen el AMP cíclico, la guanosina monofosfato cíclica (GMPc), el 1,2-diacilglicerol, el inositol-1,4,5-trifosfato, el ácido jasmónico y los iones de calcio. De estos, el ácido jasmónico, el inositol fosfato, el diacilglicerol y los iones de calcio, actúan como mensajeros secundarios durante la respuesta hormonal de las plantas. Aunque casi todos los organismos desde las bacterias hasta los humanos usan el AMPc como mensajero secundario, las angiospermas pueden ser una excepción. No existe evidencia contundente de que el AMPc tenga un papel importante en la regulación vegetal.

24 24 En contraste, existen fuertes evidencias de que el 1,2-diacilglicerol, el inositol-1,4,5- trifosfato, el ácido jasmónico y los iones de calcio, son parte, tanto de la ruta de las señales de transducción para las hormonas como de la ruta de transducción para los factores ambientales como la luz, la gravedad y el tacto. Brassinosteroides (BRs) Los brassinosteroides son un grupo de poli-hidroxiesteroides de ocurrencia natural en las plantas, en las cuales están ampliamente distribuídos y son esenciales para su desarrollo (crecimiento y diferenciación). El brassinólido, que fue aislado originalmente del polen del nabo campestre o colza Brassica napus, fue el primer BR en ser caracterizado luego de que se estableció que un extracto crudo de tal polen, induce el alargamiento de los entrenudos del fríjol pinto Phaseolus vulgaris en forma diferente al alargamiento del tallo mediado por el GA. Este trabajo condujo al aislamiento y caracterización en 1979 del brassinólido, primer regulador vegetal de tipo esteroide, y desde entonces han sido caracterizados más de 60 BRs. Los BRs han sido identificados en muchas plantas que incluyen dicotiledóneas, monocotiledóneas, gimnospermas, algas verdes y helechos, y han sido aislados de semillas, frutos, brotes, hojas, flores, yemas y agallas provocadas por insectos, en niveles entre 0.5 y 30 ng (g peso fresco) -1. En el polen, los niveles son relativamente altos [5 a 190 ng (g peso fresco) -1 ]. Sin embargo, los BRs no han sido detectados en micro-organismos. El brassinólido C 28 -BR, es el BR que provoca la mayor actividad de todos los BRs, y se distribuye ampliamente en todo el reino vegetal, conjuntamente con varios compuestos relacionados biosintéticamente. Los BRs exógenos ocasionan alargamiento y división celular en segmentos escindidos de plántulas, a concentraciones del orden del pm. Además de las actividades promotoras del crecimiento, se ha encontrado que los BRs exógenos inhiben el crecimiento de la raíz, incrementan el gravito-tropismo, retardan la abscisión foliar, incrementan la resistencia al estrés, promueven la diferenciación del xilema, incrementan la tasa de alargamiento del tallo y del crecimiento del tubo polínico, el desenrrollamiento de las hojas de los pastos, la activación de la bomba de protones, la reorientación de las microfibrillas de celulosa, la generación del leño y el incremento en la producción de etileno.

25 25 Figura XXX. Estructura química de dos brassinosteroides De los brassinosteroides más conocidos, los más abundantes son el brassinólido y sus precursores biosintéticos relacionados (campesterol y campestanol y campesteranol). La habilidad de muchos compuestos de ocurrencia natural como los BRs para modular fuertemente el crecimiento vegetal en bioensayos o en estudios con plantas completas, sugiere que ellos pueden funcionar como hormonas vegetales endógenas. Las evidencias inequívocas de que los BRs son esenciales para el desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación), se han obtenido con el trabajo en mutantes enanos de alverja, Pisum sativumarabidopsis, tomate Lycopersicon esculentum y repollo Brassica oleracea insensibles a los BRs. Se ha demostrado quealgunos análogos sintéticos del brassinosteroide natural 24(S)-etilbrassinona, inhiben la multiplicación de los arenavirus Tacaribe y Junín (VJ) y del virus herpes simplex tipo 1 (HSV-1) en células animales.

26 26 Poliaminas Las poliaminas como la putrescina, la espermidina y la espermina, son compuestos nitrogenados alifáticos que actualmente se consideran como reguladores del desarrollo de las plantas por su efecto sobre el crecimiento, la división y la diferenciación celular a bajas concentraciones. Debido a su carácter poli-catiónico, pueden unirse a moléculas cargadas negativamente como ácidos nucleicos, proteínas ácidasy fosfolípidos, alterando la expresión génica y la actividad de ciertas enzimas, así como afectando la fluidez y la permeabilidad de las membranas biológicas. En algunos casos, las poliaminas actúan como reserva de nitrógeno, constituyendo su única fuente. Su biosíntesis está muy relacionada con la del etileno, ya que la S-adenosilmetionina, es el intermediario común de ambas rutas metabólicas. Las poliaminas pueden conjugarse con ácidos hidroxicinámicos y desempeñar funciones, todavía poco claras, en los procesos de diferenciación, floración y maduración; por otra parte,en ciertas plantas, tienen efecto sobre la resistencia a virus y hongos. La pared celular es uno de los compartimentos celulares más importantes en relación con el metabolismo degradativo de las poliaminas, y es destacable el aumento de la conjugación de poliaminas en la pared celular durante el envejecimiento celular. Las poliaminas también son importantes como precursoras de numerosos alcaloides. Se las encuentra en todos los organismos, y se han estudiadoen animales y bacterias por más de medio siglo. Sin embargo, su significado para los vegetales sólo ha sido reconocido hasta recientemente. Sus concentracionesse correlacionan con la frecuencia en la división celular, y las poliaminas estimulan muchas reacciones que tienen que ver con la síntesis de ADN, ARN y proteínas. Las poliaminas son esenciales para el desarrollo, tanto de las células procarióticas como de las eucarióticas. En las plantas, las poliaminas inducen diversas respuestas fisiológicas entre las cuales se pueden citar la división celular, la formación de tubérculos, la iniciación de la raíz, la embriogénesis, el desarrollo floral y la maduración de los frutos. En las plantas, las poliaminas son mucho más abundantes que las hormonas como las GAs y las citocininas, requiriéndose cantidades de poliaminas del orden del mm para inducir la respuesta biológica. Además, la naturaleza policatiónica de las poliaminas parece que limita su translocación. Cuando la planta está en equilibrio, las poliaminas no parecen tener un verdadero papel hormonal, aunque en desequilibrio, como sucede en los animales, parece