Fisiología Vegetal

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Parte I: CRECIMIENTO Y DESARROLLO

I/ Hormonas Vegetales:

Introducción; Hormonas Vegetales:

Las hormonas vegetales funcionan como Reguladores del Crecimiento. Entre ellas podemos destacar: Auxinas (IAA), Giberelinas (GA), Citokininas (CK), Ácido abscísico (ABA) y Etileno. También lo son Ácido Salicílico, Jasmonatos, Oligosacarinas… A menudo estas hormonas han sido descubiertas estudiando patologías vegetales. Por ejemplo, las Oligosacarinas fueron descubiertas gracias a las enzimas hidrolíticas que son secretadas para romper la pared celular vegetal (PC) durante una infección. Su sintesis tiene múltiples y variables localizaciones en funcion de cada hormona, pero las plantas carecen de glándulas y sintetizan las hormonas en tejidos como Ápices aereos y subterráneos u Hojas. Estos tejidos reciben el nombre de Fuente. Generalmente los tejidos jóvenes presentan una alta capacidad de síntesis. Su mecanismo de acción es también de localización variable. Algunas veces tiene lugar en el propio tejido que sintetiza las hormonas, aunque generalmente tienen que ser translocadas hasta diversos órganos o tejidos diana. Estos tejidos reciben el nombre de Sumidero. Generalmente las hormonas vegetales se encuentran en muy bajas concentraciones, lo cual dificulta su estudio.

El balance hormonal es decisivo en el mecanismo de acción fisiológico que ejercen estas sobre el organismo; se trata de la interacción que se produce entre las distintas hormonas. Además, las distintas concentraciones de una hormona en tejidos distintos provoca respuestas diferentes.

Tabla 1; Actividad en función de la Concentración de Hormona

C1 C óptima C2

C1: Inapreciable; insuficiente para desencadenar el mecanismo de acción.

C2: Concentración Supraóptima; Inhibe el mecanismo de acción.

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 1 2 3 4 5

Respuesta en tejido

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La sensibilidad diferencial es la respuesta distinta de una misma hormona en tejidos distintos.

Tabla 2; Sensibilidad Diferencial en Auxinas

Por el balance hormonal y la sensibilidad diferencial, podemos afirmar que la correspondencia Una Hormona -> Un Mecanismo de Acción no es más que una verdad parcial. Deberíamos decir: Una Concentración de Hormona en determinado Tejido -> Un Mecanismo de Acción.

Además, el conjunto de diferentes hormonas en un mismo tejido a menudo interraccionan entre ellas llevando a cabo un mismo proceso, como es el caso de la maduración de las flores y los frutos.

Ejemplo: Concentración de distintas hormonas en el tiempo durante el proceso de maduración de un fruto:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Raíz

Tallo

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La translocación de las hormonas desde la Fuente al Sumidero suele tener lugar a través de Xilema, Floema (larga distancia) o Células acompañantes. Durante el transporte el mecanismo de acción debe quedar bloqueado para evitar pérdida de eficacia en tejidos intermedios. Con tal fin, las hormonas sintetizadas en forma libre (muchas veces insoluble) deben formar complejos con un azúcar o un aminoácido quedando en forma inactiva e hidrosoluble, pudiendo ser translocadas en el medio acuoso. En el sumidero recuperan su forma libre activa.

Al nivel molecular, los mecanismos de acción se desencadenan de manera similar a como sucede en animales; las hormonas deben unirse a su receptor específico, de membrana o soluble citoplasmático, en el sumidero. La unión del ligando al receptor desencadena la liberación de un segundo mensajero que lleva a cabo la respuesta celular. Los más comunes son, al igual que en animales, Ca2+-Calmodulina, cAMP e IPP (o IP3). La respuesta puede ser de dos tipos:

De Acción Rápida: Está relacionada con mecanismos de control a nivel de la membrana plasmática, cambiando sus propiedades de permeabilidad selectiva (Canales, Transportadores y Bombas). Los valores de carga y pH a ambos lados de la membrana son determinantes para el transporte transmembrana. Se trata del potencial eléctrico (polarización/despolarización).

De Acción Lenta: Se produce mediante modificación de la regulación de la expresión genética. La respuesta es inducida por formación de nuevas proteínas, o por cese de su síntesis, e implica generalmente alteración metabólica.

Ejemplo; Respuesta de acción lenta:

Hormona Receptor ATP AMP Específico Kinasa-P cAMP Kinasa mbr RESPUESTA Cadena de Fosforilación

Adenilato Ciclasa En el reino vegetal, es importante destacar que cloroplastos y mitocondrias presentan autonomía genética. El papel del calcio tiene una cada vez mayor importancia en la fisiología vegetal a nivel molecular. El agua difunde libremente a través de la membrana celular, a favor de gradiente elecroquímico, pudiendo arrastrar ciertos iones a favor de este gradiente (y no del gradiente de concentraciones de dichos iones). Por ello debe producirse un transporte activo en contra del gradiente electroquímico, que implica gastos de ATP. Las proteínas encargadas son Bombas ATPasas, Transportadores (antiportador Ca2+/H+), y los Canales con puerta, selectivos y específicos, que sólo pueden facilitar el tranporte a favor del gradiente. De tal manera la organización subcelular permite al calcio ejercer como segundo mensajero, activando a Calmodulina cuando aumenta su concentración citplasmática. El Reticulo Endoplásmico es un importante reservorio de Ca2+, que es liberado al citosol cuando se produce la unión de la Hormona con su Receptor.

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El movimiento de los protones H+ es también decisivo, pues determina el pH del medio. Cambiando el gradiente electroquímico puede desencadenar el movimiento de otros iones hacia un lado u otro de la membrana plasmática.

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A/ Auxinas (IAA): IAA fueron las primeras hormonas vegetales descubiertas (Darwin, 1880), como hormonas responsables de la orientación de los órganos vegetales. Suele utilizarse para su estudio la gramínea Phalaris canariensis. Los primeros experimentos revelaron datos sobre el Fototropismo de los órganos aereos: Figura 1: Respuesta a estímulos luminosos por el tallo:

Luz El tallo se orienta

en dirección a la luz

Ápice Control

Tallo No hay respuesta

Caperuza opaca en el ápice

Cortar el ápice No hay respuesta

Posteriormente otros experimentos consistían en cortar el ápice, pero volverlo a colocar sobre el tallo colocando entre ambas partes una lámina de agar, que permite el paso de la hormona; el tallo se orientó hacia la luz. Además, si primero colocaban el ápice cortado sobre una lámina de agar, y posteriormente eliminando el ápice colocaban la lámina sobre el extremo cortado del tallo, este se orientaba también hacia la luz, siendo su desplazamiento proporcional al tiempo de exposición del ápice y el número de ápices en contacto con el agar. Esto demuestra que existe una hormona sintetizada en el ápice que regulaba la orientación del tallo.

Un último experimento confirmó la teoría (fig. B): Figura 2: Curvatura del tallo en ausencia de estímulos luminosos:

Se corta el ápice

y se coloca en un lado El tallo se curva hacia el

lado contrario al del ápice

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1.- Naturaleza química y Metabolismo: La primera IAA descubierta es el Ácido Indolacético, aunque

actualmente se conocen más de 12 auxinas distintas. Figura 3: Ácido Indolacético:

Para que una molécula presente actividad auxínica debe tener las

siguientes características estructurales bioquímicas:

Uno o más anillos aromáticos con uno o varios dobles enlaces.

Una cadena lateral terminada en COOH, con un carbono intermedio como mínimo.

Una separación entre las cargas COO- (cadena lateral) y NH2+ (anillo) de cómo mínimo 5,5 Å (0,55 nm). Los órganos aéreos son su primordial fuente. De hecho controlan el

fenómeno de dominancia apical responsable del crecimiento primario. Al ser podado el ápice disminuye la cantidad de auxinas, lo que facilita la proliferación de las ramas laterales. Las hojas jóvenes, primordios florales (anteras y ovarios) y semillas en formación son también fuente de IAA, en menores cantidades. Después de ser translocadas se encuentran en todos los órganos de la planta.

Muchos organismo patógenos, durante una infección, son capaces de biosintetizar estas hormonas vegetales a partir de triptófano, para desencadenar el crecimiento incontrolado de los órganos infectados. En este caso el precursor es el triptófano:

Figura 4: Ruta biosintética de Auxinas por organismos patógenos:

Triptófano Indol-3-Acetamida IAA

Hidrolasa

En el caso de los organismos vegetales, existen tres posibles rutas biosintéticas diferentes. El precursor es siempre el Triptófano:

Ruta del Indol Pirúvico: Principal vía de Síntesis.

Ruta de la Triptamina: Semejante a la anterior. Propia de Tabaco, Tomate, Cebada…

Ruta del Indol-Acetaldoxina: Ruta específica de Crucíferas.

Figura 5: Ruta del Indol Pirúvico:

Triptófano Ácido Indol-3-Pirúvico

Aminotransferasa Descarboxilasa

IAA Indol-3-Acetaldehido

Deshidrogenasa (NADH dep) oxidasa

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Figura 6: Ruta de la Triptamina:

Triptófano Triptamina

Descarboxilación Desaminación

IAA Indol-3-Acetaldehido

Deshidrogenasa (NADH dep) oxidasa

Figura 7: Ruta del Indol-Acetaldoxina:

Triptófano Indol-3-Acetaldoxina

Descarboxilasa peroxiddasa Hidrolasa

IAA Indol-3-acetonitrito

Nitrilasa

2.- Mecanismos de Translocación: Se distinguen dos tipos de transporte: El transporte lateral hacia un lado u otro del coleoptilo o la raíz, y el transporte longitudinal, a lo largo de la planta. El transporte longitudinal se caracteriza por ser un transporte polar y dirigido: es siempre basípeto (desde el ápice hacia la base) en los órganos aéreos, y acrópeto (desde la base hasta el extremo) en los órganos bubterráneos. En este transporte intervienen el floema y las células acompañantes. Generlamente las hormonas son transportadas por el floema cuando el órgano diana se encuentra alejado de la fuente, y suele tener lugar en su forma inactiva. Figura 8: Experimentos con un segmento subapical de coleoptilo que demuestran la polaridad en el

transporte de IAA:

T T B B B B T T

Se translocan IAA Se translocan IAA

hasta el agar virgen No hay translocación hasta el agar virgen

Agar con IAA T: Parte superior del coleoptilo

Agar virgen B: Parte basal del coleoptilo

El transporte lateral depende fundamentalmente de las células acompañantes, y es desencadenado por estímulos ambientales: Luz (el tallo presenta fototropismo +) y Gravedad (el tallo tiene gravitropismo – y la raíz tiene gravitropismo +). De hecho las IAA son responsables de los movimientos fototrópicos y gravitrópicos de los órganos vegetales. Estos movimientos son llevados a cabo mediante procesos de elongación celular de determinadas células. Al igual que cuando en una barca reman más rápido los de un lado que los del otro esta cambia de dirección, al alargarse más las células de un lado del tallo o la raíz estos se curvan orientándose hacia el lado opuesto. Un experimento consiste en situar un ápice sobre un bloque de agar dividido por la mitad por una barrera impermeable. Al iluminar uno de los lados se detectaba una mayor concentración de IAA en el bloque del lado contrario: IAA son translocadas lateralmente hacia el lado del coleoptilo en oscuridad. Una mayor concentración de IAA desencadena el proceso de elongación, de

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forma que el tallo se orienta en dirección hacia el sol, o la fuente de luz. Si separamos con la barrera impermeable también el ápice, las concentraciones de IAA son iguales en ambos bloques. Por el contrario, ante un estímulo gravitacional, las IAA son translocadas lateralmente en el sentido de la fuerza gravitatoria, de manera que aumenta la concentración de IAA en la región más cercana al centro de la tierra. En coleoptilos produce una elongación de las células que se encuentran más cerca del suelo (como en el caso anterior), produciendo gravitropismo -. En las raíces, sin embargo, las altas concentraciones de IAA inhiben la elongación, mientras que las bajas concentraciones estimulan la elongación, de manera que las raíces se orientan hacia el centro del planeta presentando gravitropismo +. Tanto el transporte longitudinal polar y dirigido mediado por las células acompañantes como el transporte lateral pueden explicarse por la acción y posición de dos tipos de transportadores específicos de membrana: el transportador de IAAH y el transportador de IAA-. El transportador de IAA- transloca estas moléculas desde el fitoplasma, cuyo pH=7 justifica su estado desprotonado, hasta el Periplasma, de pH=5,8, donde las IAA quedan protonadas, en su forma IAAH. El transportador de IAAH transloca estas hormonas desde el periplasma hasta el fitoplasma, donde de nuevo quedan desprotonados. La disposición de los translocadores en la membrana es clave y determinante para los efectos fisiológicos de IAA, ya que explica la polaridad del transporte longitudinal: Los transportadores IAAH se encuentran en la cara superior de todas las células, es decir, en la cara orientada hacia el ápice en tallos, y en la cara orientada hacia la base en los órganos subterráneos. Los transportadores de IAA- están generalmente en la cara opuesta. De tal manera, el transporte es acrópeto en raíces y basípeto en tallos. Las bombas de protones deben mantener los niveles de pH interno de las células, y presentan alta actividad. Por otro lado, los estímulos luminosos o gravitacionales producen la despolarización de la membrana y la modificación de la disposición de los translocadores de IAA-, e incluso el de los translocadores de IAAH. Sabemos que las concentraciones altas de IAA provocan elongación celular en órganos aéreos, y las concentraciones bajas la provocan en órganos subterráneos. Los translocadores de IAA- tienden a desplazarse hacia la cara inferior a favor de la gravedad, y en contra del foco de luz, en la región oscura. Figura 8: Cambio de disposición de los translocadores tanto en tallos como raíces, debidos a estímulos

luminosos o gravitacionales:

LUZ

[IAAH] periplasma

Células

traslocador IAAH

translocador IAA-

GRAVEDAD

La translocación de las hormonas a través de órganos que no van a

consumirlas suele producirse en forma de Conjugados; las hormonas nunca se tranlocan en su forma activa ya que esto supondría pérdida de eficacia en los órganos diana. Las IAA suelen conjugarse principalmente con azúcares o aminoácidos. Estas formas conjugadas sirven además como sumidero, ya que

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las hormonas vegetales sintetizadas pueden ser almacenadas en esta configuración hasta que puedan ser útiles. Por unión peptídica las IAA pueden conjugarse con oligopéptidos, Asp, Gly, Ala, Val y Lys. Mediante un enlace Ester, las IAA pueden conjugarse con Arabinosa, Glucosa, Mioinositol y Glucano 𝛽 (1,4).

Las IAA son moléculas muy lábiles. Tanto la fotooxidación por la luz ambiental como la oxidación debida a enzimas oxidativos celulares son sus principales fuentes de degradación contínua. Los carotenoides facilitan la persistencia de las IAA sintetizadas ya que protege a las células vegetales de los radicales libres. Existen de hecho diversos procesos que facilitan la activación o inhibición del catabolismo de las IAA:

Los Cofactores Mg2+, Monofenoles, H2O2, que en altas cantidades facilitan la degradación de la enzima sólo en su forma libre.

Los activadores de la degradación de órganos, como el Etileno, considerado como hormona gaseosa, que bloquea los mecanismos de acción de las IAA. De hecho la tasa de crecimiento de los órganos puede ser medida como la relación de concentraciones de IAA y Etileno.

Los inhibidores del catabolismo que protegen a las hormonas de los enzímas oxidativos, como son las hormonas Giberelinas y Citokininas, o también Cumarinas, Polifenoles, Ácido Ascórbico, Glutatión o el aminoácido Cisteína.

3.- Mecanismos de Acción: El mecanismo de acción depende de la unión de la Hormona con su Receptor Específico. En este caso el receptor presenta dos puntos de anclaje separados exactamente por 5,5 Å. Para que se desencadene el mecanismo de acción, una única IAA debe unirse a un receptor en los dos puntos de anclaje. Esto explica que si la distancia entre las cargas es superior o inferior a la distancia entre los puntos de anclaje del receptor, las moléculas análogas de hormonas no pueden llevar a cabo su mecanismo de acción. La inhibición del crecimiento por concentraciones de hormona supraóptimas se explica en este caso por la saturación de hormonas a las que se someten los receptores. Tales concentraciones son responsables de que en cada receptor no se une una sino dos hormonas, una en cada punto de anclaje, y el mecanismo de acción no puede llevarse a cabo. De hecho los niveles de concentraciones óptimas y supraóptimas de hormonas dependen de la cantidad de receptores específicos disponibles en cada tejido, lo cual explica la sensibilidad diferencial, y los distintos tropismos de órganos aéreos y subterráneos.

Existen muchos análogos estructurales de las IAA. El más destacable es 2,4-D, una hormona de síntesis de muy bajo coste de producción y altísima actividad hormonal. Muchas veces se utilizan análogos estructurales que solo pueden unirse a un punto de anclaje de su receptor específico como Herbicidas. Se pueden utilizar análogos de síntesis cuya distancia entre las cargas es distinta de 0,55nm, o análogos en los que se elimina o reemplaza una carga (por ejemplo se puede eliminar el NH (cambiándolo por un carbono) o cambiar el NH por Cloro. Estas moléculas con actividad antiauxínica son utilizadas como herbicidas evitando el crecimiento vegetal. Cuanto mayor es su semejanza con las IAA, menor es el daño que causan, ya que pueden ser metabolizadas. En caso contrario se acumulan en el medio y resultan contaminantes. Las IAA presentan dos mecanismos de acción, ambos dirigidos a una misma finalidad; el control de la elongación celular. Se trata del mecanismo de acción lenta y del mecanismo de acción rápida.

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Los mecanismos de acción rápida son lógicamente los primeros en hacer efecto. Su efecto se lleva a cabo a nivel de la membrana celular, cuando la hormona se liga a su receptor específico y se libera el segundo mensajero. Se trata de la activación de las bombas de protones, que exportan los protones al periplasma. El aumento del pH periplasmático conlleva la activación de enzimas hidrolíticos que van a llevar a cabo la degradación de la Pared Celular, proceso indispensable para la elongación de las células. El aumento de la Presión de Turgor debida a la entrada de un flujo de agua a la célula conlleva, con una Pared Celular reblandecida, un incremento del volumen celular. Se conocen tres mecanismos de activación de estas bombas de H+:

1. Por la unión directa de la IAA sobre la ATPasa de protones de la membrana, quedando la última activada.

2. Por la unión directa de la hormona a una bomba H+/K+ (sistema semejante) que exporta protones e importa Potasio, facilitando el flujo de agua al interior celular por osmosis.

3. Los segundos mensajeros activan la excreción de protones del retículo endoplasmático por Picnocitosis. Los mecanismos de acción lenta tienen lugar a nivel de ácidos nucléicos,

y su acción se basa en la síntesis de proteínas y enzimas importantes en los procesos de síntesis de nueva pared celular. Estos nuevos componentes de la pared se incorporan cuando la célula ya termina su crecimiento y la pared recupera así su rigidez.

A grandes rasgos, los principales efectos a nivel fisiológico de las Auxinas son:

Control del crecimiento celular por división celular en los meristemos; control de la mitosis (Crecimiento de tallos, Rizogénesis, Actividad Cambium, Expansión hojas).

Control del Crecimiento celular por elongación celular, control del crecimiento de la PCV.

Reproducción.

Control de Abscisión (Etileno/IAA).

Control de la Dominancia Apical (división celular).

Tropismos (crecimiento por elongación celular).

Inducción de la síntesis de Etileno. Tejido joven

+ síntesis Auxinas

Etileno

- mecanismo Giberelinas, Citokininas de acción

Abscisión del tejido maduro

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B/ Giberelinas (GA):

Las GA juegan un papel de segundo grado como reguladores del crecimiento. Fueron descubiertas en 1920 por Kurosawa y col., en Japón. Este equipo de investigadores trabajó con infecciones de hongos sobre plantas de arroz, y observó el crecimiento desmesurado de las plantas. El responsable era efectivamente el hongo, al que llamaron Giberella fugikuori, aunque actualmente recibe el nombre de Fuserium maniliforme. Al suplementar el medio de cultivo fúngico detectaron la producción de compuestos químicos responsables del gigantismo, y de la enfermedad Bakanae (planta loca). Durante la década de 1960 se descubrió la estructura química de la sustancia responsable del gigantismo del arroz, que heredando el nombre del hongo fue llamado Ácido Giberelénico, para después cambiar a Ácido Gibérico y finalmente quedarse con su nombre actual; Ácido Giberélico. Esta sustancia es una de las Giberelinas (en concreto GA3), un grupo de hormonas que llevan a cabo un papel fundamental en el crecimiento de las plantas. Varios experimentos con GA mostraban el efecto fisiológico de esta sustancia química. Trabajos con mutantes vegetales que presentan enanismo (respecto a un experimento control) fueron tratadas con suplementos de GA1 (también fueron tratadas con esta hormona plantas control, no mutantes). Todas las plantas tratadas con hormonas eran normales, por lo que se dedujo que las plantas enanas carecían de GA.

Otros experimentos fueron realizados con col. Las coles estaban sometidas a un fotoperiodo de día largo. Estas plantas formaban tallos largos y flores. Las plantas que fueron sometidas a fotoperiodos de día corto no desarrollaban sin embargo estos órganos, y se limitaban a formar una roseta basal de hojas. Otras plantas de col fueron sometidas a fotoperiodo de dia corto con suplementos de GA; formaron tallos largos y flores, por lo que se dedujo que la cantidad de GA sintetizado, responsable del crecimiento y la floración de estas plantas, depende del fotoperiodo.

Utilizando GA para experimentar se observo que suplementando esta hormona, las parras de uvas producían frutos de mayor tamaño. 1.- Naturaleza química y Metabolismo: El núcleo Giberelano (Ent-Giberelano), formado por cuatro anillos aromáticos, es el esqueleto estructural de todas las GA (fig 2). El Kaureno (Ent-Kaureno) es de hecho su precursor directo, y se diferencia por carecer del grupo carboxilo (COOH) característico del grupo Giberelano en posición 7’. Actualmente se conocen 125 moléculas de estructura química similar, y con los grupos funcionales y el mecanismo de acción propios de las Giberelinas. Estas hormonas se dividen en dos grandes grupos, en función de su número de Carbonos (fig 3,4):

19 Carbonos: Estas GA se caracterizan por formar un puente Lactona entre los carbonos 10’ y 19’.

20 Carbonos: En este grupo existen subdivisiones en función del grupo unido en posición 20’ (Aldehído, Metilo, Hidroximetilo, Carboxilo…). Las diferencias entre ambos grupos se deben tanto a la disposición y

número de grupos hidroxilo como a la de saturaciones. Las GA19 (19 carbonos) presentan mayor actividad que las GA20, ya que estas últimas además de tener un carbono de más, tienen más grupos metilo y carboxilo.

La síntesis metabólica de estos compuestos se encuentra integrada en el metabolismo central de los vegetales. Se trata de una ruta relacionada con la biosíntesis de Carotenoides, las Citoquininas y el Ácido Abscísico: La Ruta del Acetato-Mevalonato.

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Entre los principales metabolitos intermediarios destacan el Ácido Mevalónico, que resulta de la condensación de tres moléculas de Acetil-CoA y su posterior reducción por NADPH. También destaca Isoprenil Pirofosfato (IPP), que participa también en la formación de Citokinas, y que resulta de la condensación del Mevalonato con Metileritritol-P. Otro intermediario destacable es Geranilgeranil pirofosfato (GGPP), intermediario común con las rutas de carotenoides y clorofilas.

Estas rutas suceden en el interior de los plastos, y facilitan la formación del ent-Kaureno (fig 5,6). El enzima Kaureno sintetasa es un enzima fundamental para la síntesis de GAs, y presenta dos tipos de actividad, de tal manera que primero transforma el GGPP en Coparil pirofosfato (CPP) y porteriormente transforma el CPP en ent-Kaureno.

El ent-Kaureno abandona los pastos y sale al citosol donde es transformado en GA12-aldehído y posteriormente en Giberelinas, por acción de varios enzimas, mediante interconversiones.

Las interconversiones permiten la formación de todas las GA naturales conocidas a partir de GA12. Por ejemplo, GA3, conocido como Ácido Giberélico, puede perder sus propiedades por interconversiones con GA13, aunque este cambio es reversible.

Los órganos Fuentes de GA son muy diversos. Incluyen ápices aéreos y radiculares, hojas jóvenes, anteras y ovarios de las formaciones florales, semillas inmaduras y embriones durnate la germinación. También son capaces de sintetizar GA algunos hongos, bacterias y algas.

Algunos productos de laboratorio destinados a la ingeniería agrónoma están suplementados con inhibidores del crecimiento, y son utilizados para impedir la aparición de plantas foráneas (autóctonas) en campos de cultivo. Estos inhibidores bloquean la síntesis de GA impidiendo el paso de GGPP a ent-Kaureno. Entre estas sustancias se encuentran AMO 1618, FOSFON D, CCC o B9995. 2.- Mecanismos de Translocación: A diferencia de las IAA, las GA no presentan translocación polar y dirigida. Además son moléculas menos lábiles que las IAA, y tienen catabolismo. Por último, se diferencian en el proceso de sensibilidad diferencial ya que en concentraciones supraóptimas no se produce una acción antihormonal o deletérea en GA como sucede con IAA, aunque en concentraciones superiores a la concentración óptima el mecanismo de acción se hace menos efectivo. La formación de conjugados con azúcares y aminoácidos es aún así normal durante la translocación de estas hormonas por varias causas. Aunque no tanto como IAA, son moléculas lábiles y la formación de conjugados favorece su protección ante la degradación por enzimas hidrolíticos. Además permite el transporte de la hormona en forma inactiva desde la Fuente hasta el sumidero de tal manera que no se desencadene el mecanismo de acción en los órganos de tránsito.

De hecho, la formación de estos conjugados se caracteriza por su triple función:

Forma hidrosoluble para el transporte a través de Xilema y Floema.

Forma inactiva para evitar pérdida de actividad durante el transporte (por catabolismo o mecanismo de acción).

Forma de almacenamiento sin pérdida de actividad, en los órganos sumidero, de forma que en momentos de alta necesidad la planta puede disponer de GA en muy corto tiempo, casi instantáneamente.

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Hoy en día se conocen diversos papeles asociados a GA en los distintos órganos vegetales, entre los que destacan el control de la formación, el desarrollo y la germinación de las Semillas. Durante este proceso las formas conjugadas también desempeñan un importante papel: Las GA se mantienen en forma conjugada (unida generalmente con azúcares por fuertes enlaces Eter y Ester) durante las etapas de desarrollo de la semilla, mientras que durante la germinación se encuentran en su forma libre insoluble en agua. 3.- Mecanismos de Acción: Las GA fueron descubiertas como reguladores del crecimiento, ya que plantas mutantes que carecían de esta hormona presentaban enanismo. Actualmente se reconoce un amplio bagaje de efectos fisiológicos relacionados con las GA, entre los que destacan el control del desarrollo y la germinación de las semillas. El papel fundamental de las GA es activar o inducir en la semilla los enzimas hidrolíticos que liberan los nutrientes de reserva del endospermo o coleoptilo.

Entre estos enzimas se encuentran las -amilasas, que movilizan el Almidón transformándolo en glucosa. Esta vía hidrolítica de catabolismo del almidón sólo es utilizada durante la germinación y ante carencia de enzimas fosfatasas. La glucosa debe ser posteriormente fosforilada a expensas de ATP. La vía central de degradación del glucógeno es la vía Fosforolítica, en la que actúan las fosfatasas y cuyo resultado es directamente Glucosa-P. Las plántulas etioladas (carentes de cloroplastos funcionales, con tejidos blancos) son incapaces de realizar la fotosíntesis por lo que el ATP debe ser también acumulado en la semilla.

GA presentan doble mecanismo de acción en la célula: a nivel de

membrana y a nivel de síntesis proteica por inducción (expresión de genes) o activación (de proteínas preexistentes) de los enzimas hidrolíticos. En cuanto al mecanismo de acción molecular existen dos hipótesis (clásica y nueva), aunque probablemente ambas pueden ser correctas conjuntamente. La Hipótesis Clásica sostiene que las GA libres e insolubles se unen a transportadores extracelulares, y atraviesan así la membrana, por procesos de permeabilidad selectiva. La respuesta a nivel de inducción o activación de proteínas (mayoritariamente los enzimas hidrolíticos) depende del calcio como segundo mensajero. En el interior celular la GA es traspasada del transportador específico hasta el Receptor Específico Calcio-dependiente que activa la síntesis y activación proteica. La respuesta a nivel de la membrana es una reorganización de la misma, la apertura de canales y el aumento de la permeabilidad selectiva que facilita la excreción de los enzimas hidrolíticos al exterior celular. Se detecta en las células un aumento de Lecitina (fosfolípido de membrana) responsable del incremento de permeabilidad, además de la formación de polisomas, gran cantidad de ribosomas y aumento del volumen del Retículo Endoplásmico, explicable por la expresión génica. Según la Hipótesis Nueva las GA son reconocidas por receptores transmembrana asociados a proteínas G, de manera que la señal se transduce por liberación de la subunidad alfa. En el interior celular se produce una señal calcio-dependiente a nivel de las membranas celular y del retículo endoplásmico, de forma que se facilita la liberación de las proteínas por exocitosis. Otro segundo mensajero, probablemente GMPc penetra en el núcleo celular e induce la expresión de los genes por inactivación de Represores de los Operones.

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Los mecanismos de acción a nivel fisiológico son amplios. Suelen estar relacionados con procesos de crecimiento o expansión por división células (no elongación). El balance hormonal (de unas y otras hormonas) es sin embargo decisivo para los efectos producidos:

Crecimiento de Internodos de órganos aéreos.

Crecimiento de Ápices: Estimula la formación de hojas, floral, de frutos y de semillas.

Expansión foliar: Estimula el aumento de la superficie de las hojas jóvenes.

Crecimiento de yemas laterales.

Germinación de las semillas. El papel estrella de las GA es su

efecto en el desarrollo y la germinación de las semillas. Cuando estas se disponen a germinar los enzimas hidrolíticos deben ser sintetizados en la capa de la aleurona y liberados al endospermo en monocotiledóneas o a los cotiledones en dicotiledóneas, que son los tejidos de almacen de nutrientes. Después de la hidratación de la semilla se inicia la síntesis de GA en el Eje Embrionario y su transporte hasta la capa de la aleurona donde ejerce su mecanismo de acción. Los enzimas hidrolíticos (Fosfatasas, Amilasas, RNAasas Proteasas) inducidos y activados atraviesan la membrana de las células de la aleurona y se desplazan hasta los tejidos de reserva, donde movilizan los nutrientes polimerizados; proteínas, RNA, lípidos, azúcares...

Los primeros enzimas activados son las proteasas, ya que el aporte de aminoácidos es necesario para la síntesis proteica en la aleurona.

La regulación de los niveles de GA es indispensable para el correcto funcionamiento del organismo vegetal respecto a su crecimiento. Existen distintos niveles de control:

Fotocontrol: Relacionado con el Fitocromo. La luz es resppnsable de un aumento en los niveles de GA.

Control por la temperatura: La germinación, el crecimiento y la floración dependen de la temperatura ambiental en muchas especies. Este proceso es llamado estratificación en frío y se utiliza para almacenamiento de semillas. Por ejemplo los cereales deben ser sembrados en otoño ya que la temporadada de frío es indispensable para su germinación y desarrollo (vernalización). Esta puede ser suplida por tratamientos exógenos de GA en laboratorio. Cuando la temperatura es baja se induce la síntesis de GA.

Citoquininas: Estas hormonas protegen a las GA frente a la degradación. Son hormonas de retardo del envejecimiento.

Ácido Abscísico: Impide la liberación de GA modificando la permeabilidad de las membranas.

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C/ Citokininas (CK):

La Kinetina (K) es un artefacto que resulta del sometimiento de Ácidos Nucléicos a altas temperaturas en Autoclave, y que presenta actividad hormonal. Trabajando con segmentos internodales de plantas de tabaco, Nicotiana tabacum, Skoog y col. (1950) cultivaron estos fragmentos en un medio mineral con vitaminas, sacarosa y IAA. Observaron que se producía crecimiento por división celular. A continuación eliminaron el tejido vascular y cultivaron los fragmentos en el mismo medio, observando en este caso que se producía un crecimiento por aumento del volumen celular, pero no división celular. Al reponer la médula la división celular se reactivaba. Dedujeron que algún compuesto debía ser sintetizado en la médula del internodo y promover la división mitótica. Al cultivar los internodos sin médula en el mismo medio con un aporte suplementario de Kinetina, que lograron purificar por primera vez, observaron que se producía división celular. Algún factor natural, similar a las kinetinas sintéticas, debía ser el responsable de promover la división mitótica.

Skoog llamó a estos supuestos análogos de la kinetina Quininas. Posteriormente su existencia fue confirmada por múltiples experimentos y su nombre evolucionó a Fitokinas, después a Citokinas. Actualmente este conocido grupo de hormonas es conocido con el nombre de Citokininas. 1.- Naturaleza química, Metabolismo y Mecanismos de Translocación: Todas las CK son muy similares a la base nitrogenada Adenina (constituyente tanto del ADN como del ARN), y la mayoría son derivadas de esta Purina. Sin embargo algunas CK naturales y muchas sintéticas artificiales son derivadas de la Fenilurea. Las CK derivadas de Adenina pueden encontrarse en forma libre o ligadas tRNA. Los sutituyentes que aparecen sobre la base de adenina, R1, R2, R3 y R4, son los que diferencian a unas CK de otras. El sustituyente R1 es el que determina el nivel de actividad hormonal de la molécula. Este sustituyente puede tener hasta 6 o 7 carbonos, y cuantos más tenga mayor es su nivel de actividad. La cantidad de insaturaciones de R1 también influye; cuanto mayor es esta, menor es la actividad hormonal.

Estas CK pueden estar ligadas a moléculas de tRNA cuyo anticodón presente Uracilo (U) como nucleótido inicial. La hormona se ancla en el bucle del anticodón pero sin bloquear el propio anticodón y por lo tanto la actividad traductora del tRNA. Se trata de los tRNA para Phe, Tyr, Trp, Ser, Lys y Leu. Entre las CK derivadas de Adenina destacan Zeatina (1965) (Z), Isoprenil-adenina (IP) y Benziladenina (BA), esta última siendo sintética artificial. Las CK derivadas de Fenilurea son mayoritariamente moléculas artificiales con actividad hormonal (o antihormonal). Entre ellas se encuentran Clorofenil-fenilurea y Nitrofenil-fenilurea (fig. 8).

La fuente de CK son los ápices radiculares. Una vez sintetizadas las CK se pueden encontrar activas en su forma libre, o en forma conjugada, generalmente inactivas aunque algunas pueden presentar actividad. Suelen conjugarse con azúcares, nucleósidos, nucleótidos y aminoácidos (fig. 5, 14, 16). Son translocadas a través del Xilema (donde se encuentra en altas concentraciones) desde las raíces hasta los órganos sumidero, siempre en su forma libre (fig. 19).

Las CK ligadas a tRNA se encuentran en todas las células con actividad genética, pero su origen está en los cloroplastos. Las CK cloroplásticas son distintas de las CK citosólicas, y son además semejantes a las CK bacterianas, reforzando la teoría evolutiva sobre el origen bacteriano de los Cloroplastos de

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células eucariontes. Estas CK son sintetizadas en cloroplastos de células con actividad transcripcional y desencadenan su mecanismo de acción en la misma célula, sin ser translocadas.

La localización de las CK es muy variable (fig. 9). La presencia de CK en ápices radiculares es muy elevada ya que es el órgano donde son sintetizadas. Durante la reproducción vegetativa (esquejes), la aparición de nuevas raíces en el tallo es fundamental para que la planta pueda sintetizar CK y promover su crecimiento, por ello los esquejes se dejan en agua hasta que enraízan, antes de plantarlos en macetas. También es muy importante su presencia en otros tejidos jóvenes con alta actividad metabólica y alta tasa de división celular, como hojas jóvenes, yemas, y yemas florales.

Hay presencia de CK en estadíos de la planta en los que no son translocables. Por ejemplo, la presencia de CK en la capa de la aleurona de la semilla es fundamental para la división celular y el desarrollo de la plántula, pero no pueden ser sintetizados en el Eje embrionario. Las CK aparecen por acción de las RNAasas de la aleurona, que hidrolizan los ácidos nucleicos liberando las hormonas ligadas a tRNA preexistentes y acumuladas, mayoritariamente IP. La unión de CK a tRNA en una forma de reserva inactiva de hormonas.

La síntesis de CK cloroplásticas ligadas a tRNA son el resultado de la

confluencia de dos rutas metabólicas características del interior del Cloroplasto (fig. 11): La Ruta del Acetato-Mevalonato (con intermediarios comunes con GA), basada en la síntesis de IPP a partir de Acetil-CoA, y la ruta de síntesis de tRNA. IPP queda unido a Adenina en el extremo 3’ del anticodón, perdiendo su grupo Pirofosfato (PPi) formando IP, posteriormente modificada para formar Zeatina ligada a tRNA funcional.

La síntesis de CK citosólicas libres tienen también su origen en la confluencia de dos rutas metabólicas que tienen lugar en el Citosol (fig. 12): De nuevo la Ruta del Acetato-Mevalonato, y la ruta de síntesis de Bases Nitrogenadas Purínicas, en concreto de Adenina. La enzima CK sintetasa presenta capacidad para formar a partir de IPP y Adenosina Monofosfato (AMP) Isoprenil-adenosina-P. Esta molécula será desfosforilada por una nucleotidasa, y el azúcar de la adenosina será liberado por Adenosina Nucleotidasa, formando finalmente una CK libre. Si Isoprenil-adenosina-P es hidroxilada en el extremo del radical 1 formará IP. Si además las saturaciones son reducidas formará Z. Las CK sintetizadas (especialmente Z) están sujetas a múltiples interconveriones en nucleótidos y Nucleósidos (fig. 13) y otras (fig. 15). También pueden producirse interconversiones entre las CK conjugadas, entre N-Glucósidos y O-Glucósidos.

La autorregulación de hormonas activas es realizada mediante diversos procesos, entre los que se encuentran la regulación de biosíntesis/degradación, las interconversiones N/O-Glucósidos (N son estables e inactivos, O son activos) y otras interconversiones, y la conjugación con aminoácidos. La degradación es facilitada cuando es necesaria por la hormona CK oxidasa (fig. 17), que separa la base nitrogenada y el Radical R1. Esta ruta oxidativa depende de FAD+, que es reoxidado posteriormente por Flavina. 2.- Mecanismos de Acción: Sus mecanismos de acción y sus efectos fisiológicos son muy variados y en general dependen del balance hormonal general. Entre sus efectos, destacan los de aceleradores mitóticos, controlando el ciclo celular y activando procesos de División Mitótica y de Diferenciación Celular (fig. 28), los

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de protectores contra la senescencia o envejecimiento, y los de reguladores de la morfogénesis (fig. 20). También juegan otros papeles como la regulación de la dominancia apical donde CK (inhiben dominancia apical a favor de yemas laterales) tienen el efecto antagónico al de las IAA, control de la germinación o control de la síntesis de pigmentos fotosintéticos en relación con el Fitocromo. Algunas relaciones de balance hormonal y sus efectos fisiológicos aparecen en la siguiente tabla (fig. 21, 22, 23, 24):

COCIENTE NIVELES EFECTOS FISIOLÓGICOS 𝐶𝐾

𝐼𝐴𝐴

↑↑↑ Diferenciación morfológica en brotes aéreos (control ciclo celular).

𝐶𝐾

𝐼𝐴𝐴

↓↓↓ Diferenciación morfológica en ápices radiculares.

𝐶𝐾

𝐺𝐴

↑↑↑

Crecimiento y diferenciación en paso de plántula etiolada a planta. Engrosamiento de las hojas.

𝐶𝐾

𝐺𝐴

↓↓↓

Inhibición de crecimiento y diferenciación de la plántula etiolada. Hojas débiles.

CK brindan una protección básica contra la senescencia dificultando los procesos de degradación por oxidación de radicales libres de clorofilas y proteínas. Cuando se produce la degradación de los pigmentos fotosintéticos clorofílicos por ausencia de CK protectoras, desaparece el color verde de los órganos quedando colores amarillos y rojizos debidos a los carotenoides. Posteriormente se produce la abscisión y caída de dichos órganos. También protegen ante la senescencia facilitando la transpiración por apertura de los estomas.

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D/ Etileno:

Esta sustancia fue descubierta por Neljubow (1901) contemporáneamente con las IAA, pero no fue considerada como hormona sino como contaminante producido por las farolas. Las bombillas que funcionan por combustión de queroxeno (gas carbón) producen etileno, por ello los árboles pierden sus hojas en las ramas más próximas a los focos de las farolas, y muestran conductas de crecimiento extrañas (fig. 2). Se trata de una hormona muy especial debido a su naturaleza gaseosa; su translocación es facilitada a través de la atmósfera, por lo que no se habla de translocación sino de difusión.

Durante los años 60, contemporáneo al descubrimiento del Ácido Abscísico, se descubrió que el Etileno es en realidad una hormona que controla el desarrollo de los órganos vegetales, en particular los procesos de maduración, senescencia y abscisión de hojas flores y frutos, y el crecimiento de la radícula durante la germinación.

Las frutas también maduran en presencia de Etileno, de tal forma que si colocamos una fruta madura al lado de una fruta verde, la madura va a inducir su maduración por producción y difusión de las hormonas. Algunas bombillas de queroxeno utilizadas para calentar graneros son responsables de la putrefacción prematura de la fruta. En las floristerías utilizan absorbentes de Etileno para evitar el marchitamiento de ramos de flores. Muchas personas aplican aspirinas en las macetas de plantas con flores para prolongar su vida: el Ácido Salicílico es también una hormona vegetal que bloquea las rutas de síntesis de Etileno.

En algunos casos especiales el Etileno puede también funcionar como antihormona, y ser útil en determinadas especies para superar condiciones adversas. Por ejemplo las plantas de arroz y otras especies con afinidad por terrenos encharcados deben sobrepasar rápidamente la capa freática durante la germinación para obtener oxígeno; la regulación de la síntesis de Etileno facilita el rápido crecimiento meristemático. 1.- Naturaleza química y Metabolismo: El Etileno es un hidrocarburo formado por dos átomos de carbono unidos por un doble enlace. Su naturaleza gaseosa permite su difusión a través del aire alrededor del órgano que lo sintetiza. No difunden a grandes distancias y su sitio de acción es próximo al de síntesis. Esta molécula de elevada simplicidad estructural presenta actividad biológica efectiva a muy bajas concentraciones. Se trata de una Fitohormona muy común, sintetizada por organismos diversos; bacterias, hongos, algas, briófitos, pteridófitos, gimnospermas y angiospermas. Su velocidad de síntesis es generalmente muy baja, pero se dispara ante factores estresantes como carencia de agua, bajas temperaturas, depredación por hevíboros, lesiones o patógenos, dependiendo de las especies. Por ejemplo la presencia de organismos patógenos en la raíz desencadena como respuesta síntesis de Etileno en las hojas, ya que dejan de producir Ácido Salicílico: la planta puede morir. Puede interpretarse como mecanismo altruista para impedir la propagación de infecciones en comunidades vegetales.

Los estatus hídricos causantes de estrés desencadenan el cierre de los estomas en las hojas, y un descenso de la transpiración y pérdida de agua. El potencial hídrico (ΔΨ𝑊) es la diferencia en contenido de agua de las distintas fases desde el vegetal hasta su ambiente. El gradiente de agua debe mantenerse en equilibrio por el siguiente orden para el funcionamiento correcto del organismo vegetal:

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ΔΨ𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 > ΔΨ𝑟𝑎 í𝑧 > ΔΨ𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜 > ΔΨℎ𝑜𝑗𝑎𝑠 > ΔΨ𝑒𝑠𝑡𝑜𝑚𝑎𝑠 > ΔΨ𝑎𝑡𝑚 ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎

Si existe un déficit (sequía) o un exceso (inundación y anoxia) de agua en el suelo el vegetal se ve sometido a estrés. Si se prolonga la situación se incrementará la producción de etileno y la planta morirá.

Bajadas drásticas de la temperatura también son responsables de incrementos en la síntesis de Etileno. En fanerófitos de hoja perenne este proceso es natural y controlado. Sin embargo, cuando se producen intensas rachas de frío durante una primavera los cultivos se ven afectados. El frío no es directamente responsable de la congelación y muerte de las hortalizas cultivadas (ya que las células disponen de soluciones tampón osmóticas con propiedades anticongelantes), sino que inducen la síntesis de Etileno y alcanzan la senescencia, indirectamente debido a la bajada de temperatura. La enzima de síntesis de esta hormona, ACC oxidasa, funciona a temperaturas moderadas, entre 10 oC y 35 oC. Por ello la producción de Etileno comienza después de la temporada de frío intenso, y las hojas jóvenes mueren cuando se recupera el clima más cálido. Sucede lo mismo con los frutos verdes de árboles frutales.

La biosíntesis de Etileno está relacionada con el Ciclo de la Metionina

(fig. 6) principalmente en la raíz. En esta ruta, la Metionina sufre una serie de transformaciones; en primer lugar forma en S-Adenosyl-Metionina (SAM) por acción de la enzima SAM sintetasa, a expensas de ATP. A continuación se produce una ruptura en la molécula, formando por un lado Metiltioadenosina, compuesto que permanecerá en el ciclo para volver a formar metionina, y por otro Ácido Aminociclopropano Carboxílico (ACC). Esta reacción es facilitada por la enzima ACC sintasa.

El enzima ACC sintasa es un enzima fundamental en el Ciclo de la Metionina, propio de la raíz. ACC sintasa es un enzima citosólica que se encuentra en muy bajas concentraciones. Tiene una alta afinidad por su sustrato (SAM), y depende de su cofactor, Piridoxal-P. Su vida media es muy baja, y se oxida fácilmente por factores ambientales. Su síntesis está codificada por una familia multigénica divergente, y el control de su expresión depende de estímulos en los tejidos (fig.7): Es inducida por factores adversos como presencia de metales pesados y contaminantes, estrés hídrico, aerosoles, fuerte radiación ultravioleta, bajadas drásticas de temperatura, o suplementos de IAA. Su actividad es inhibida por AVG y AOA (fig. 9). El ACC formado en el ápice radicular es posteriormente transportado a través del Xilema hasta los órganos aéreos, donde se forma el Etileno.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5

Temperatura

[Etileno]

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Finalmente ACC oxidasa, o Enzima formadora de Etileno (EFE), formará Etileno a partir de ACC. Este último enzima solo funciona en condiciones aeróbicas, ya que gasta O2, y solo presenta actividad a temperaturas no extremas (entre 10 y 35 oC), en ausencia de contaminantes como Cobalto o Plata, y en ausencia de luz debido al Fitocromo activo (Pfr). El Ácido salicílico y similares inhiben también su acción. Cuando no es necesaria la síntesis de Etileno, ACC se une con Malonil-CoA formando Malonil-ACC, proceso necesario para la detoxificación y eliminación de ACC en exceso. 2.- Mecanismos de Acción: Los mecanismos de acción del Etileno a nivel molecular y celular son relativamente sencillos. Sus Receptores Específicos de membrana son receptores tipo Proteín-kinasa, que son fosforilados y forman dímeros al unirse el ligando. La respuesta celular es la expresión de genes en el núcleo (fig. 23, 25).

Aunque el Etileno inhibe el mecanismo de acción de IAA, concentraciones muy elevadas de Etileno no lo inhiben y pueden inducir la síntesis de IAA incrementando su efecto. Además IAA a su vez activa al enzima EFE.

Bloqueo de IAA

[Etileno] De esta manera los vegetales suelen morir en suelos encharcados, por

inundación; bajo el nivel freático se dan condiciones de anaerobiosis y EFE es inactiva, de tal manera que no se puede formar Etileno en órganos aéreos y la síntesis de IAA es inhibida, llevando al organismo a la muerte. Las plantas adaptadas a estos sustratos presentan crecimiento masivo en las primeras etapas hasta alcanzar el nivel freático, donde EFE puede funcionar.

También esto explica la reacción de las plantas a temperaturas extremas. Cuando la temperatura disminuye drásticamente, se induce la síntesis de ACC sintasa y se forman grandes cantidades de ACC, pero EFE es inactiva y no hay síntesis de Etileno. ACC se acumula en el xilema y los órganos aéreos durante la racha de frío. Cuando la temperatura supera de nuevo los 10 oC, EFE se activa, y debido a las concentraciones de ACC acumuladas se forman grandes cantidades de Etileno y se produce senescencia y abscisión de órganos verdes.

Entre sus efectos fisiológicos (fig. 11-21) destaca su papel durante la germinación.Estimula la germinación, controla la apertura de la testa, la salida de la radícula y la apertura del gancho epicotilar. Durante los primeros estadíos de la plántula, el extremo del epicótilo se encuentra curvado hacia abajo para

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protección del meristemo apical mientras atraviesa el sustrato edáfico. En ausencia de luz las células de la plántula comienzan la formación de Etileno, que bloquea el crecimiento de la elongación de las células de una cara del epicótilo, formando la curvatura. Cuando la plántula recibe luz se prod uce el bloqueo de la enzima EFE, y cesa la síntesis de Etileno. La plántula recupera su forma natural por fototropismos y gravitropismos. Influye del mismo modo, por ejemplo, en el cierre de las amapolas durante la noche. Este tipo de curvaturas se incluyen dentro de la triple respuesta de los epicótilos y tallos ante presencia de Etileno:

Reducción de la elongación.

Incremento del grosor por crecimiento secundario.

Cambio en la orientación del desarrollo, con pérdida de respuestas gravitrópicas. Estos cambios en la orientación del desarrollo dependen de la inhibición

de la elongación celular; están relacionados con el crecimiento de la Pared Celular Vegetal. Sus componentes son sintetizados en el Citosol y polimerizan en la matriz extracelular. Los depósitos de celulosa están orientados por medio de Microtubulos que penetran en la pared formando rupturas, donde se incorporan las nuevas celulosas. Generalmente estos microtúbulos generan rupturas transversales al tallo, de forma que la elongación celular tiene como resultado el alargamiento de los entrenudos. En presencia de Etileno los microtúbulos aparecen longitudinalemente y la elongación celular provoca crecimiento en grosor. Tiene efectos similares en las radículas y raíces, donde además promueve la formación de raíces laterales, adventídicas y de pelos radiculares.

Las especies adaptadas a hipoxia, que viven en sustratos edáficos inundados, presentan alta capacidad de síntesis de Etileno, y alta sensibilidad, de manera que induce un crecimiento rápido del tallo. Se puede lograr el mismo resultado con especies normales a las que se les aporta un suplemento extra de Etileno.

Por supuesto el Etileno encuentra su papel estrella en la maduración y abscisión de varios órganos, como hojas, frutos y flores. Al eliminar el Etileno (por absorbentes de etileno o ácido salicílico) se retrasa la maduración de frutos y la pérdida de flores. Al suplementar etileno las frutas verdes maduran a mayor velocidad.

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E/ Ácido Abscísico (ABA):

Esta hormona conserva un nombre que no es consecuente con su verdadera función, ya que no es responsable de la abscisión (como sabemos, es el Etileno). En Inglaterra Wareing y col. trabajaron con Acer pseudoplatanus, y descubrieron una sustancia responsable de la dormición de las yemas a la que llamaron Dormidina (nombre más adecuado para la hormona). En Estados Unidos Addicott y col. Realizaron trabajos sobre la abscisión de las cápsulas del algodón, Yossipium hyrsitum, y nombraron Abscisina a la sustancia que creyeron responsable. En 1970 se realizaron pruebas químicas que determinaban que se trataba de la misma sustancia, ABA.

Su papel es fundamentalmente el control de la dormición (letargo) de las yemas y semillas durante la estación desfavorable para la vida. Su acumulación en estos tejidos impide su desarrollo antes de tiempo, lo que sería letal.

También es responsable del nivel de estrés de las plantas y del control de la apertura y cierre de los estomas. Cuando se producen estímulos estresantes el nivel de ABA aumenta, y se cierran los estomas bloqueando los mecanismos de transporte activo. En algunos casos el estrés intenso o prolongado puede acelerar la abscisión por acumulación del Etileno. En cuanto el estrés disminuye, los niveles de actividad de ABA disminuyen drásticamente, y su inactivación facilita la apertura de los estomas. 1.- Naturaleza química y Metabolismo: La estructura del ABA es similar a un fragmento de Carotenoide (fig. 2). Su biosíntesis está también relacionada con la ruta del Acetato-Mevalonato. Su aparición ante situaciones de estrés es casi inmediata. Los carbonos 1’ (ciclo) y 2 presentan isomería óptica y geométrica, por lo que pueden diferenciarse isómeros Cis y Trans (2), y enantiómeros L (levógiro) y D (dextrógiro) (1’). Existen por lo tanto en total cuatro formas posibles para ABA (fig. 3). Su precursor, el Mevalonato (Ácido Mevalónico) forma IPP (intermediario común con GA, CK, y Carotenoides. Se forma por Vía Directa, por ciclación del Farnesil Pirofosfato (fig. 5). También puede ser sintetizada por Vía Indirecta, por fotólisis (fotooxidación) de una Xantófila; Neoxantina, derivada de la ruta de los Carotenoides. (fig. 6, 7). La Vía Indirecta es la utilizada en tejidos etiolados. Su pKa es de 4,5 por lo que ABA puede aparecer protonada (ABAH) o ionizada (ABA- + H+) en función del pH del medio en que se encuentra. 2.- Mecanismos de Translocación: Los tejidos Fuente son muy diversos, y presentan capacidad de acción inmediata (fig. 10). Los tejidos de mayor demanda de ABA son las semillas en desarrollo, las yemas apicales y las raíces El transporte vía Xilema y vía Floema son el método más rápido y eficaz a larga distancia. Es el utilizado para el transporte del ABA desde órganos aéreos hasta las yemas y semillas en desarrollo. En las raíces el movimiento es polar y basípeto.

ABA puede ser tranportado a corta distancia entre los compartimentos subcelulares (fig. 11). Se acumula en compartimento alcalinos (pH>7) donde se encuentra ionizado en forma libre (Cloroplastos, pH=7,5 sin luz, 8,5 con luz). Es muy escaso en las vacuolas (pH=4,5=pKa) y se encuentra en bajas concentraciones en el citosol, protonado (pH=6,5). Se distribuye más fácilmente por el Floema (pH=8).

ABA puede formar conjugados inactivos con Glucosa en una reacción reversible. Estos conjugados permiten un descenso de la actividad de la hormona en el vegetal. Además facilitan su transporte reduciendo la pérdida de eficacia, y facilitan su acúmulo en las Vacuolas en su forma inactiva. Otro

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método de control de los niveles de ABA activo es su oxidación en Ácido Farseico y Dihidrofarseico, que también pueden conjugarse con glucosa (fig. 13). 3.- Mecanismos de Acción:

ABA es responsable de procesos de inhibición de crecimiento por división celular en función del balance hormonal con las otras hormonas vegetales reguladores del crecimiento. Funciona como antihormona bloqueando la acción de las IAA. También controla el crecimiento en condiciones adversas. Ante sequías moderadas inhibe el crecimiento del tallo favoreciendo a la raíz para optimizar la búsqueda de agua. Ante sequías intensas inhibe también el crecimiento de estas. En plantas semiacuáticas adaptadas a la hipoxia la concentración de ABA es muy pequeña en los entrenudos, lo que acelera su crecimiento en longitud.

Las altas concentraciones de ABA en las semillas en desarrollo evita el viviparismo y en general la germinación antes de que se complete el proceso de maduración de la semilla (fig. 16). En los mutantes ABA- donde se produce viviparismo la semilla aborta. Están implicadas en el mantenimiento de la dormición durante el periodo de maduración y latencia de la semilla y en la inducción de la síntesis de proteínas LEA y proteínas de reserva (Respuesta Lenta). Las proteínas LEA, ricas en Gly y Lys brindan protección frente a la desecación en las membranas, y mantienen el estatus de las células protegiéndolas ante los posibles daños de una desecación extrema durante su desarrollo, por lo que está muy implicada en la viabilidad de la semilla. Al disminuir los niveles de ABA después de la dormición se produce la rehidratación de la semilla.

ABA también protege a la planta del estrés hídrico a corto plazo, mediante el cierre de los estomas disminuyendo la transpiración (mecanismo de acción rápido) (fig. 17) y a largo plazo modificando la tolerancia de la planta al estrés hídrico, muy importante para adaptaciones a ambientes con cambios drásticos de humedad (fig. 18).

La transpiración es el proceso de pérdida de agua en forma de vapor. En las plantas la transpiración es esencial para garantizar el arrastre de los nutrientes minerales hasta los órganos aéreos en contra de la gravedad, y tiene lugar a través de los estomas. Los gradientes de potencial hídrico determinan el sentido del flujo de agua, que generalemente va del sustrato a la raíz, de la raíz a los órganos aéreos, y de estos últimos a la atmósfera. Cuando el potencial hídrico de la atmósfera desciende drásticamente, la cantidad de agua perdida por los estomas es mayor, y el gradiente queda descompensado, llevando a la planta a una situación de estrés hídrico. En estos casos se dispara la síntesis de ABA, que desencadena el cierre inmediato de los ostiolos de los estomas hasta que se recupera el gradiente. También se desencadena el cierre de los estomas en ausencia de luz, por control del Fitocromo.

El mecanismo de cierre y apertura del Ostiolo está controlado por la entrada de agua y el hinchamiento de las dos Células Oclusivas que lo rodean, que lo mantienen abierto. Al disminuir la presión de turgor de estas células, el ostiolo queda cerrado. Estas presentan una pared engrosada alrededor del Ostiolo. La respuesta rápida de cierre estomático se inicia cuando ABA se une a su receptor de membrana en las células oclusivas, pudiendo actuar a través de dos rutas distintas; la ruta ROS o la ruta cADPR, IP3 (fig. 24, 25).

Los protones del interior de la célula suelen ser exportados al exterior por medio de bombas ATPasas de membrana. Aparecen mayoritariamente en la ruta de degradación del Almidón:

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ALMIDÓN PEP Malato Malato- + H+ CO2

En condiciones normales los protones son exportados por ATPasas al

exterior celular, y el ácido málico es acumulado en las vacuolas de las células, transportado también por bombas ATPasas. Se produce un transporte retrógrado de cloro y potasio para compensar el gradiente electroquímico, y por lo tanto se produce un flujo de entrada de agua a la célula que mantiene elevada su presión de turgor, quedando el ostiolo abierto.

Ante condiciones de estrés hídrico los niveles de ABA pueden aumentar hasta 40 veces. En presencia de ABA se produce un bloqueo de las bombas de protones, que son causantes de la bajada de pH, y un aumento de la concentración de protones citosólicos. El cúmulo de Malato- en el citosol conlleva el bloqueo de PEP carboxidasa (transforma PEP en Malato), y la acumulación de CO2 en el citoplasma. La bajada del pH induce la retroalimentación negativa o feed-back sobre las rutas de hidrólisis del Almidón. Aunque las células epiteliales no tienen capacidad fotosintética, las células oclusivas del Estoma si tienen.

La bajada del pH produce una despolarización a nivel de la membrana, de forma que los canales iónicos se invierten, cerrando las puertas de entrada y abriendo las de salida para cloro y potasio: se activa el transporte de cloro y potasio hacia el exterior de la célula. La bajada de sus concentraciones en el interior de las células es responsable de una disminución considerable de la presión osmótica, y un aumento del potencial osmótico y del potencial hídrico. La diferencia de potencial hídrico en comparación a la matriz extracelular es responsable del establecimiento de un flujo de agua que se dirige hacia el exterior de la célula. Por otro lado ABA desencadena la entrada masiva de calcio al citosol desde las vacuolas y la matriz extracelular. Esto desestabiliza el potencial electroquímico de la célula y conlleva la salida masiva de los iones. Las células oclusivas pierden así presión de turgor, y se deshinchan, de manera que el ostiolo se cierra impidiendo el intercambio gaseoso hasta que se recupera el estatus hídrico. [ABA] ↑

[H+], [Ca+] ↑ [K+], [Cl-] ↓ Π𝑜𝑠𝑚 ↓ Ψ𝑜𝑠𝑚 ↑ Ψ𝑤 ↑↑↑ ΔΨ𝑤 ↑↑

Caída de la Presión de Turgor Flujo de agua hacia el exterior Cuando el estatus hídrico no está establecido, no se produce fijación de

CO2. Los ostiolos se cierran sacrificando no sólo la transpiración sino también la actividad fotosintética, hasta que se recupera el estatus hídrico normal, o hasta la muerte de la planta. La caída de los niveles de ABA desencadena:

Apertura de los canales de puertas de entrada de iones.

Activación de bombas ATPasas.

Apertura de los Estomas.

Activación de las rutas de degradación del almidón.

Actividad fotosintética. Las plantas de metabolismo C3 son las peor adaptadas al estrés hídrico.

Las plantas de metabolismo CAM (Crasuláceas, Cactáceas) son capaces de mantener abiertos los estomas durante la noche y ante condiciones de estrés.

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