*Profesor :Ing. M.Sc. JOSE NECIOSUP GALLARDO

REGULACIN DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO

LAS HORMONAS VEGETALES O FITORREGULADORES

Una planta, para crecer, necesita luz, CO2, agua y elementos minerales, incluido el nitrgeno del suelo. Con todos estos elementos, la planta fabrica materia orgnica, convirtiendo materiales sencillos en los complejos compuestos orgnicos de que estn compuestos los seres vivos. La planta no se limita a aumentar su masa y su volumen, sino que se diferencia, se desarrolla, adquiere una forma y crea una variedad de clulas, tejidos y rganos. Cmo puede una sola clula, el zigoto, ser el origen de las variadsimas partes vstago, raz, flor, fruto, semilla que componen el extraordinario individuo conocido como una "planta normal"? Muchos de los detalles de cmo estn regulados estos procesos no son conocidos, pero ha quedado claro que el desarrollo normal depende de la conjuncin de numerosos factores internos y externos. Los principales factores internos son compuestos qumicos.*

Las sustancias controladoras del crecimiento en las plantas son conocidas como fitohormonas (hormonas vegetales).

Caractersticas:Son pequeas molculas qumicas que afectan al desarrollo y crecimiento de los vegetales a muy bajas concentraciones. Por ejemplo, en el vstago de una pia tropical (Ananas comosus) slo se encuentran 6 mgramos de cido indolactico (auxina), una conocida fitohormona, por kilogramo de material vegetal (el peso de la hormona en relacin con el vstago es comparable al peso de una aguja en 22 toneladas de heno). Son sintetizados por las plantas.

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*En las hormonas animales, su definicin incluye el hecho de que son sintetizados en un lugar del organismo y transportados a otro distinto donde ejercen su accin. En las hormonas vegetales esto no es necesariamente cierto.

El trmino "hormona" procede de una palabra griega (hormaein) que significa excitar. No obstante, hoy se sabe que muchas hormonas tienen efectos inhibitorios. De modo que en lugar de considerar las hormonas como estimuladores, quiz sea ms til considerarlas como reguladores qumicos.

La respuesta a un "regulador" particular depende no slo de su contenido (estructura qumica) sino de cmo es "ledo" por el receptor (especificidad tisular).

*Definicin de fitohormona

Compuesto orgnico sintetizado en una parte de la planta y que se transloca a otra parte donde, a muy bajas concentraciones, provoca una respuesta fisiolgica.

No todas las fitohormonas son necesariamente translocadas (el etileno, p.e.). Algunos compuestos inorgnicos (Ca 2+ , K+) producen respuestas fisiolgicas y pueden moverse por la planta pero por no ser sintetizados por ella no se consideran hormonas vegetales.

Lo mismo podemos decir de algunos fitorreguladores sintticos como el 2,4-D (anlogo auxnico).

La sacarosa no es una hormona aunque la fabrica la planta, se transloca y produce efectos en el desarrollo debido a que se necesita en grandes cantidades. Lo mismo respecto a otros metabolitos (>1 mM - 50 mM o ms ).

*Se conocen cinco grupos principales de hormonas vegetales o fitohormonas: las auxinas, las citocininas, las giberelinas, el etileno y el cido abscsico.

Todas ellas actan coordinadamente para regular el crecimiento en las diferentes partes de una planta (Figura 14.1).

Otras sustancias que eventualmente pueden clasificarse como fitohormonas son: las poliaminas, los jasmonatos, el cido saliclico, los brasinosteroides, y la sistemina.

Figura 14.1 Coordinacin hormonal del crecimiento en diferentes partes de una planta. (AIA es el cido indolactico, una auxina; CQ, citocinina; ABA, cido abscsico; AG, cido giberlico). [Figura modificada de Rost, T.I et al., (1997). "Plant Biology".Wadsworth Publishing Company]+*

Cmo actan las fitohormonas? Dos mecanismos generalmente aceptados:

La hormona atraviesa la membrana celular de la clula y alcanza el citoplasma. All se une a una molcula adecuada (receptor) y forma un complejo hormona-receptor. A partir de aqu, el complejo puede disociarse o puede entrar en el ncleo como tal y afectar a la sntesis de los ARNm. Este efecto sobre la transduccin es lo que produce la respuesta fisiolgica.

La hormona se une a un receptor de membrana en la clula diana (Clula que presenta sensibilidad especifica hacia una hormona determinada, debida a la presencia de determinados receptores en su membrana o en su citoplasma) . La unin hormona-receptor produce en este ltimo un cambio conformacional que conduce a una cascada interna de reacciones citoplsmicas que pueden producir efectos muy variados: nuevas actividades enzimticas, modificacin de procesos metablicos, induccin de sntesis de ARNm, etc.*

LAS AUXINAS

Algunas de las primeras experiencias registrados sobre sustancias reguladoras del crecimiento fueron llevados a cabo por Charles Darwin y su hijo Francis y fueron dados a conocer en el libro The Power of Movement in Plants (La capacidad del movimiento en las plantas), publicado en 1881.

Los Darwin trabajaron con plntulas de alpiste (Phalaris canariensis) y de avena (Avena sativa) y realizaron las primeras observaciones sistemticas referentes a la encorvadura hacia la luz (fototropismo).

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*La cantidad de auxinas presentes en la planta tambin est influida por el resto de las hormonas vegetales: las citoquininas y las giberelinas producen un aumento de la cantidad de auxinas, mientras que el etileno hace que disminuya.

*Probaron que si se cubra la parte superior de una plntula (el denominado coleoptilo; Figura 14.2) con un cilindro de metal o con un tubo de vidrio ennegrecido con tinta china y se le expona a una luz lateral, no se produca el encorvamiento caracterstico en la parte inferior del vstago (Figura 14.3). En cambio, si en los pices se colocaban tubos de vidrio transparentes, el encorvamiento ocurra normalmente.

"Debemos concluir, por tanto, escribieron que cuando las plntulas son expuestas libremente a una luz lateral se transmite cierta influencia desde la parte superior a la parte inferior, que obliga a la planta a encorvarse."Figura 14.2 Germinacin de un grano de avena mostrando la disposicin de un coleoptilo.

Figura 14.3 El experimento de los Darwin. (a) Las plntulas crecan normalmente curvndose hacia la luz. (b) Cuando el pice de una plntula se cubra con un cono metlico no se produca la curvatura. (Si que se produca cuando el pice se cubra con un cono transparente). (c) Cuando se colocaba un collar metlico rodeando la plntula por debajo del pice, se produca la respuesta caracterstica. A partir de estos experimentos los Darwin concluyeron que, en respuesta a la luz, una "influencia" se transmite desde el pice de la plntula hacia la parte inferior, que obliga a la planta a curvarse. [Figura modificada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana]. *

Otras experiencias: Boysen-Jensen (1913); Paal (1919). En 1926, el fisilogo vegetal holands Frits W. Went consigui aislar esta "influencia" de las plantas que la desencadenaba.

Went cort los pices de los coleoptilos correspondientes a cierto nmero de plntulas de avena y los coloc por espacio de una hora sobre lminas de agar, de modo que las superficies de corte estuviesen en contacto con el agar.

Entonces cort el agar en pequeos cubitos y los coloc, descentrados, en cada seccin de los brotes decapitados, las cuales fueron mantenidas en oscuridad durante todo el experimento.

Al cabo de una hora, observ una curvatura apreciable hacia el lado contrario de donde estaba colocado el bloque de agar (Figura 14.4). Los bloques de agar que no haban sido puestos en contacto con pices de coleoptilo no producan encorvadura alguna, o bien producan una ligera curvatura hacia el lado en que haba sido colocado el bloque de agar. Los bloques de agar que haban sido puestos en contacto con un trozo de coleoptilo de la parte baja no produjeron ningn efecto fisiolgico. *

Figura 14.4 Experimentos de Went. (a) Went cort los pices de los coleoptilos y los coloc en agar durante 1 hora. (b) El agar era luego cortado en pequeos bloques y cada uno de ellos se colocaba en un lado de los coleoptilos decapitados de las plntulas. (c) Las plntulas, que se mantenan en oscuridad durante la experiencia, se curvaban entonces hacia el lado opuesto a donde se haba colocado el bloque de agar (d). A partir de estos resultados, Went concluy que la "influencia" que causaba la curvatura en la plntula era un compuesto qumico y que se acumulaba en el lado opuesto a la zona iluminada. (e) La curvatura es el resultado de la influencia de la hormona auxina. Su efecto es el de promover el alargamiento celular. En el experimento de Went, las molculas de auxina (puntitos negros) se transfirieron primero al agar y luego, mediante los cubitos de agar, a un lado del brote de la plntula. [Figura modificada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana]. *

Como puede verse en la Figura 14.5, el AIA se parece mucho al aminocido triptfano, y probablemente es ste el precursor del AIA formado en la planta viva, aunque se conocen cuatro vas de formacin del AIA cada una de ellas con un intermediario distinto. Diferentes grupos de plantas emplean distintas rutas para producir AIA a partir del triptfano. Adems, algunas plantas, tales como el maz (Zea mays) emplean distintas rutas segn su estado de desarrollo. La auxina se produce en los pices de los coleoptilos de las gramneas y en los meristemos apicales de los tallos y, en menor proporcin, de las races. Tambin se encuentra en los embriones, en cantidades notables, y en las hojas jvenes, flores y frutos.Figura 14.5 Biosntesis del cido indolactico (indol 3-acetato; auxina) a partir de triptfano en plantas y en bacterias. Las enzimas que slo se presentan en bacterias estn marcadas con un asterisco. El NAD+ y el NADP+ se sintetizan tambin a partir del triptfano. [Figura modificada de Taiz, L. and Zieger, E., (1998), Plant Physiology. 2nd ed., Sinauer Associates, Inc., Publishers].*

La auxina se fabrica principalmente en los meristemas apicales de los brotes y de all se mueve a otras partes de la planta, siempre en direccin de tallo a raz (basipetal). En el tallo la auxina es indispensable para el crecimiento. Figura 14.6 (Arriba) Estructura de algunas auxinas naturales. Aunque el cido indol-3-actico (AIA; IAA) se encuentra en todas las plantas, otros compuestos relacionados tambin poseen actividad auxnica. En guisantes, por ejemplo, aparece el cido 4-cloroindol-3-actico (4-Cl-IAA). Otros compuestos que no son indoles, como el cido fenilactico (AFA, PAA) tambin poseen actividad auxnica. No est claro el papel que juegan estas otras auxinas en el desarrollo de la planta. Las formas disociadas del AIA y de la auxina sinttica 2,4-D muestran las cargas negativas presentes sobre el grupo carboxilo y la cargas positivas sobre el anillo, separadas entre si 5.5 . (Abajo) Ejemplos de algunas auxinas sintticas. La mayora de ellas se emplean como herbicidas en horticultura y agricultura. Las ms empleadas son las sealadas con un recuadro azul oscuro, es decir, el cido 2-metoxi-3,6-diclorobenzoico (dicamba) y el cido 2,4-diclorofenoxiactico (2,4-D) ya que son muy estables y no son degradados por las plantas. [Figuras modificadas de Taiz, L. and Zieger, E., (1998), Plant Physiology. 2nd ed., Sinauer Associates, Inc., Publishers].*

Efectos fisiolgicos producidos por la auxina

Estimula la elongacin celularEstimula la divisin celular en el cambium y, en combinacin con las citocininas, en los cultivos de tejidosEstimula la diferenciacin del floema y del xilema.Estimula el enraizamiento en esquejes de tallo y el desarrollo de races laterales en cultivo de tejidos.Media en las respuesta fototrpica y geotrpica de las plantas.Inhibe el desarrollo de las yemas laterales. Dominancia apicalRetrasa la senescencia de las hojasPuede inhibir o promover (va estimulacin del etileno) la abscisin de hojas y frutosPuede inducir la formacin del fruto y su crecimiento en algunas plantas.Retrasa la maduracin de los frutos..Promueve la floracin en BromeliasEstimula el crecimiento de algunas partes florales.Promueve (va produccin de etileno) la feminidad en flores dioicasEstimula la produccin de etileno a altas concentraciones*

La auxina estimula la elongacin celular

La auxina incrementa la extensibilidad de la pared celular: hiptesis del crecimiento cido.

Los efectos estimulantes de las auxinas sobre el crecimiento de tallos y races es la consecuencia del alargamiento celular. Bajo la influencia de la auxina, la plasticidad de la pared celular aumenta y la clula se ensancha en respuesta a la turgencia que provoca la entrada de agua en la vacuola (Figura 14.7)

Las auxinas activan las protenas transportadoras de iones hidrgeno (H+) de la clula a la pared celulsica. Como resultado de este movimiento, la pared celular se acidifica y esto hace activar una enzima de la pared celular que rompe los enlaces cruzados entre las cadenas de celulosa. Esto permite que las molculas se deslicen entre s al aumentar la turgencia sobre la pared celular (Figura 14.7).

Esta respuesta llamada crecimiento acido es rpida y se produce a los 3-5 minutos, alcanzando un mximo a los 30 minutos y finalizando al cabo de 1 a 3 horas.*

Figura 14.7 Las auxinas y el alargamiento celular y la curvatura de los tallos hacia la luz. (a) Con el estmulo luminoso, la auxina se desplaza hacia el lado oscuro del tallo, (b) con lo que aumenta la concentracin de la hormona en ese lado. (c) En estas clulas, la mayor concentracin de auxina estimula el transporte de H+ del citoplasma a la pared celular (flechas negras curvas). La acidez que se origina activa una enzima de la pared celular que rompe los enlaces puente entre las molculas de celulosa, con lo que la plasticidad de la pared se ve aumentada. El agua que entra por smosis en la vacuola celular hace aumentar la turgencia (flechas azules verticales) y la clula se alarga (d). Las clulas situadas en el lado iluminado no se alargan (e) y, como resultado, el brote se curva hacia la luz. [Figura modificada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana]. *

La auxina producida por la yema apical caulinar inhibe el desarrollo de las yemas laterales

Poco tiempo despus del descubrimiento de la auxina y del reconocimiento de su actividad en la regulacin de la elongacin clula, se descubri un efecto inhibidor de la misma en relacin a las yemas laterales. Por ejemplo, si el meristemo apical de una planta de juda se corta, las yemas laterales comienzan a desarrollarse. Sin embargo, si se aplica inmediatamente auxina en la superficie de corte, se inhibe el desarrollo de las yemas axilares (Figura 14.8). Figura 14.8en Coleus. (a) Dominancia apical La auxina que se sintetiza en el meristema apical caulinar se difunde hacia abajo, reprimiendo el crecimiento de las yemas axilares. Cuanto mayor sea la distancia entre el pice y la yema axilar, menor ser la concentracin de auxina, y menor ser la represin sobre la yema. (b) Si el meristema apical se corta, eliminndose la produccin de auxina, las yemas axilares quedan desinhibidas y comienzan a crecer vigorosamente. [Figura modificada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana]. *

El movimiento ocurre normalmente en los tejidos como un todo a travs de las clulas, ms bien que usando los conductos del xilema y del floema. Presumiblemente, el proceso de transporte implique una interaccin entre el AIA y la membrana plasmtica de las clulas de la planta. La aplicacin de auxina a las plantas causa una variedad de efectos, que difieren segn la edad de la planta, la especie, y ms particularmente, el tejido donde acta. Al igual que ocurre con otros compuestos qumicos fisiolgicamente activos, la auxina es txica a altas concentraciones. El herbicida 2,4-D es una auxina sinttica, una de las varias que han sido sintetizadas artificialmente para una amplia gama de aplicaciones.*

Las auxinas y la diferenciacin celular

Segn han demostrado experimentos efectuados por W.P. Jacobs, las auxinas influyen sobre la diferenciacin del tejido vascular durante el alargamiento del tallo. Si se corta y se separa un trozo de tallo de Coleus de forma que se retire parte del tejido vascular del mismo, en su lugar se formarn nuevos tejidos vasculares originados por clulas de la mdula

Efectos parecidos se observan en los callos. Un callo es una masa de clulas indiferenciadas que se forma en las heridas de las plantas o en los cultivos de tejidos a partir de clulas aisladas. Si sobre un callo de tejido vascular de lila (Syringa) se injerta una yema, se induce la formacin de tejido vascular en el callo. Igualmente, si se cultiva un callo en un medio que contiene auxina y azcar (puesto que el callo no comprende clulas fotosintetizadoras), se forman tejidos vasculares. El descubrimiento que se describe a continuacin, realizado por R.H. Wetmore y sus colaboradores, es bien curioso. Regulando la cantidad de azcar en el medio, se puede inducir la formacin de xilema slo, de xilema y floema, o de floema slo. Una concentracin baja de sacarosa (del 1.5 al 2.5 %) favorece el xilema; una del 4 % favorece al floema; y una concentracin comprendida entre las indicadas favorece la produccin de ambas a la vez. Aqu se llega a un punto que es necesario sealar que ninguna de estas sustancias reguladoras del crecimiento acta sola. Sus efectos son conseguidos, generalmente, en concomitancia con otros factores internos (tales como el azcar disponible), unos conocidos y otros no, que actan en el cuerpo de la planta.*

La auxina y el cmbium vascular

En las plantas leosas, la auxina promueve el crecimiento del cmbium. Cuando en la primavera empiezan a crecer las regiones meristemticas del vstago, la auxina que desciende desde los pices vegetativos hace que las clulas cambiales se dividan, formando floema secundario y xilema secundario. Tambin en este caso, estos efectos son modulados por otras sustancias controladoras del crecimiento en el cuerpo de la planta (Figura 14.10).*

Experimentos realizados con AIA aplicado externamente junto con cido giberlico indican que, en la planta intacta, las interacciones entre las auxinas y el cido giberlico determinan las velocidades relativas de produccin de floema secundario y xilema secundario. Por ejemplo, el AIA y el cido giberlico estimulan la actividad cambial cuando se aplican a una amplia variedad de plantas leosas. Sin embargo, el, AIA en ausencia del cido giberlico estimula solamente el desarrollo del xilema. Con cido giberlico slo, se estimula el desarrollo de floema solamente, pero el desarrollo de ambos simultneamente alcanza un mximo con la presencia de AIA y cido giberlico.*

La auxina promueve el desarrollo de races laterales.

La auxina, en cantidades pequesimas, puede estimular el crecimiento de las races. No obstante, en cantidades algo mayores, inhibe el crecimiento de las races primarias, aunque puede promover la formacin de nuevas races secundarias. Estimula el desarrollo de las races adventicias y por esta razn se emplean comercialmente para estimular la formacin de races en esquejes, especialmente en el cultivo de plantas leosas (Figuras 14.11 y 14.12).Figura 14.11 Esquejes de flor de Pascua (Ilex opaca). Desarrollan fcilmente races en el extremo de los tallitos cuando sus bases son tratadas con auxinas. El extremo de los tallos se sumerge durante 5 segundos en soluciones conteniendo 50% de etanol y 0.01% (A) y 0.5% (B) de cido naftalnactico, NAA (una auxina sinttica). Luego fueron cultivados en vermiculita hmeda durante 2 semanas. [Figura modificada de Rost, T. et al. (1998). Plant Biology. Wadsworth Publishing Company].*

Figura 14.12 El pecolo de la hoja de saintpaula (izquierda) se ha colocado en una solucin de auxina sinttica durante 10 das antes de tomar la fotografa. El pecolo de la hoja de la derecha ha estado en agua pura. Se observa el crecimiento de races adventicias en el pecolo de la izquierda. Los jardineros emplean preparados de hormonas inductoras de enraizamiento que contienen auxinas para estimular el desarrollo de las races. [Figura tomada de Moore, R. et al.(1998), Botany. WCB McGraw-Hill.*

La auxina y el desarrollo del fruto

La auxina promueve el crecimiento del fruto. Ordinariamente, si la flor no ha sido polinizada, el fruto no se desarrolla.En algunas plantas es suficiente la fecundacin de un nico saco embrionario para el normal desarrollo del fruto; pero en otros frutos tales como manzanas o melones, que tienen muchas semillas, deben ser fecundadas varias de stas para que la pared del ovario madure y se haga carnosa.

Tratando el gineceo de una flor con auxina, es posible obtener un fruto partenocrpico (del vocablo griego parthenos, que significa "virgen" o "doncella"), o lo que es lo mismo, un fruto originado sin haber sido fecundadas sus semillas, como en el caso del tomate o de la uva sin semillas.

Aparentemente, las semillas en desarrollo son una fuente de auxina.. En la fresa (Fragaria ananassa), si se extirpan las semillas durante el desarrollo del fruto, que son aquenios, ste deja por completo de crecer. Si se deja una estrecha banda de semillas, el fruto (en el caso de la fresa el receptculo carnoso) desarrolla un cngulo abombado en el rea ocupada por las semillas. Si se aplican auxinas al receptculo despojado de semillas, el crecimiento tiene lugar de manera normal (Figura 14.13).*

*Figura 14.13 La auxina producida por el embrin que se est formando promueve la maduracin de las paredes del ovario y el desarrollo de los frutos. (A) Fresa normal (Fragaria ananassa). (B) Fresa en la que se han extrado todos los frutos (aquenios). Si se hubiera aplicado una pasta conteniendo auxinas, el crecimiento de la fresa hubiera sido normal. (C) Fresa a la que se han extrado una tira horizontal de aquenios.[Figura tomada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana].

La auxina y el gravitropismo

A diferencia de lo que ocurre con el estmulo luminoso unilateral, la gravedad no acta en forma de gradiente entre las partes superiores e inferiores de un rgano. Todas las partes de una planta, experimentan el estmulo gravitacional de forma semejante. Cmo detectan las clulas de una planta la gravedad? La nica forma en que la gravedad puede ser detectada es a travs del movimiento de un cuerpo cayendo o en estado de reposo. Unos buenos candidatos en las clulas vegetales son los grandes y densos amiloplastos presentes en muchas de estas clulas. Estos amiloplastos son lo suficientemente densos con respecto al citoplasma donde se encuentran como para que se sedimenten en el fondo de las clulas debido a la gravedad (Figura 14.14). Los amiloplastos que las plantas emplean para detectar la gravedad se denominan estatolitos y se encuentran en clulas especiales denominadas estatocitos. En las races, que tienen gravitropismo positivo, los estatocitos se localizan entre las clulas de la cofia. Siempre que la raz est creciendo adecuadamente, los estatolitos estarn sedimentados en las paredes basales de las clulas. Sin embargo, cualquier variacin en la direccin del crecimiento har que los estatolitos se desplacen hacia las paredes laterales de los estatocitos, alterando as la correcta redistribucin de auxina entre las clulas radicales (Figura 14.15) *

Figura 14.14 Figura modificada de Curtis, H. y Barnes, N.S. (1997). Invitacin a la Biologa. Ed. Panamericana].*

Figura 14.15 [Figura modificada de Taiz, L. and Zieger, E., (1998), Plant Physiology. 2nd ed., Sinauer Associates, Inc., Publishers]. *

La auxina retrasa el comienzo de la abscisin en hojas.

En las hojas jvenes se produce auxina, pero parece que sta no tiene efecto directos sobre la velocidad de crecimiento de las hojas. En cambio, influyen sobre la abscisin (cada de las hojas o de otras partes de la planta).

Las hojas caen de los rboles a causa de la formacin de una zona de abscisin, capa peculiar de clulas parenquimticas dbiles y de paredes finas, en la base del pecolo.

Cuando la hoja se hace vieja, ciertos iones reutilizables y molculas son retornadas al tallo, entre ellos los iones magnesio, aminocidos, y azcares (algunos derivados del almidn). Entonces, en algunas plantas al menos, diferentes enzimas rompen las paredes celulares de las clulas que forman la zona de abscisin.

Los cambios en las paredes celulares puede incluir debilitamiento de la lamela media e hidrlisis de las fibras de celulosa. Antes de caer la hoja se desarrolla una capa de sber debajo de la zona de abscisin, que sirve para taponar la cicatriz. Eventualmente, la hoja queda sujeta al rbol solamente por unas pocas fibras de tejido vascular, que puede romperse debido al alargamiento de las clulas parenquimticas que se encuentran en la capa de separacin.*

La abscisin ha sido correlacionada, entre otras cosas, con una disminucin de la produccin de auxina en la hoja; bajo ciertas circunstancias, la abscisin puede ser prevenida por la aplicacin de auxina

El control de la abscisin de las hojas, flores, y frutos es extremadamente importante en la agricultura. La auxina y, ms recientemente, el etileno (ver ms adelante) han sido usados comercialmente para el tratamiento de un nmero de especies vegetales.

Por ejemplo, la auxina previene la cada de hojas y bayas de los acebos (Ilex aquifolium) y por lo tanto minimiza prdidas durante el transporte

La auxina tambin previene la cada previa a la recoleccin de frutos ctricos, un efecto muy importante comercialmente en la produccin de naranjas

Por otro lado, grandes cantidades de auxina, debido a elevada produccin de etileno, producen la cada de los frutos.*

La auxina y el control de las malas hierbas

Las auxinas sintticas han sido empleadas extensivamente para el control de las malas hierbas en las zonas agrcolas. En trminos econmicos, este es el mayor uso prctico que se realiza de los reguladores del crecimiento de las plantas. Aunque un nmero de compuestos puede ser empleado para ello, las fenoxi auxinas tales como el 2,4-D y sus derivados qumicos son importantes herbicidas y representan aproximadamente el 20 % de los empleados.*

Cmo acta la auxina?

La auxina incrementa la plasticidad de la pared celular. Cuando la pared celular se ablanda, la clula se dilata debido a la presin del agua dentro de su vacuola (presin de turgencia). A medida que se reduce la presin del agua, por dilatarse la clula, sta toma ms agua y de este modo continua agrandndose hasta que la pared opone resistencia.

Segn parece, el ablandamiento de la pared celular no es debido a la interaccin directa entre el AIA y los constituyentes qumicos de la pared. Tanto la biosntesis del ARN como la de protenas son necesarias para que se d este efecto de ablandamiento; si son inhibidas, no se observa ni ablandamiento ni crecimiento. Estudios realizados en clulas caulinares demostraron que el AIA incrementaba la biosntesis de celulasa, la enzima que digiere la celulosa. Los tejidos vegetales tratados con AIA tienen de 12 a 14 veces ms celulasa que los no tratados, en condiciones idnticas. As, es presumible que, por lo menos, algunos de los efectos producidos en la pared celular por la auxina provengan de la produccin de nuevo RNA mensajero codificador de la celulasa, la cual rompe las trabazones que impiden el crecimiento de la pared celular (Figura 14.16). *

Figura 14.16 Posibles etapas en la accin de la auxina. (1) El AIA se enlaza a un receptor de membrana especfico (sealado en la membrana plasmtica); (2) el complejo AIA-receptor interacta con otros ligandos, iniciando una cadena de eventos bioqumicos; (3) las bombas de protones de la membrana se activan, acidificando la pared celular y causando su debilitamiento; (4) se estimulan la sntesis y secrecin de los componentes de la pared celular; (5) protenas reguladoras migran desde el citosol al ncleo; (6) estas protenas se enlazan a sus sitios reguladores en genes especficos, estimulando la transcripcin; (7) la traduccin de los ARNm regulados por auxina conducen a protenas que intervienen en el crecimiento celular. [Figura modificada de Taiz, L. and Zieger, E., (1998), Plant Physiology. 2nd ed., Sinauer Associates, Inc., Publishers].*

Sin embargo, experimentos recientes han puesto de manifiesto que pueden ser detectadas respuestas de crecimiento en tejido de coleoptilo dentro de los 10 minutos posteriores a la aplicacin de la auxina. Este efecto es demasiado rpido para que haya produccin de nuevo ARN mensajero, responsable de la sntesis de la celulasa. Esto nos hace pensar que la produccin de celulasa no es el modo de accin primario de la auxina sobre la pared de la clula vegetal. Uno de los efectos primarios del tratamiento con auxina implica cambios en el metabolismo celular que producen un rpido bombeo de protones a travs de la membrana celular (Figura 14.9). La acidificacin resultante de la pared celular conduce, por un mecanismo desconocido, a la hidrlisis de los puentes que unen las distintas molculas dentro de la pared y, consecuentemente, a la elongacin celular forzada por la presin de turgencia. Se han obtenido pruebas de esta hiptesis del crecimiento cido recientemente y que ayudan a entender mejor el mecanismo de accin de las auxinas. Se ha comprobado el hecho de que soluciones cidas (pH 5.0-5.5) causan una elongacin similar a la producida por el tratamiento con auxinas, mientras que tampones neutros, al prevenir la acidificacin, inhiben el efecto de las auxinas sobre la elongacin celular.*

CITOCININAS

Estos compuestos se han encontrado en todas las plantas, particularmente en los tejidos que se dividen de forma activa como meristemas, semillas en germinacin, frutos en maduracin y races en desarrollo. Estas hormonas se llamaron citocininas (de citocinesis) o citoquininas. Los estudios sobre la accin de las citocininas en la divisin celular han demostrado que son necesarias en algunos procesos posteriores a la replicacin del ADN pero anteriores a la mitosis.*

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*Efectos fisiolgicos producidos por las citocininas

La respuesta puede variar dependiendo del tipo de citocinina y de la especie vegetal. -Estimulan la divisin celular -Estimulan la morfognesis (iniciacin de tallos/formacin de yemas) en cultivo de tejidos.-Estimulan el desarrollo de las yemas laterales. Contrarresta la dominancia apical.-Estimulan la expansin foliar debido al alargamiento celular.-Pueden incrementar la apertura estomtica en algunas especies.-Retrasan la senescencia foliar al estimular la movilizacin de nutrientes y la sntesis de clorofila-Promueven la conversin de etioplastos en cloroplastos via estimulacin de la sntesis de clorofila.-Estimulacin de la prdida de agua por transpiracin.-Eliminacin de la dormicin que presentan las yemas y semillas de algunas especies.-Estimulan la formacin de tubrculos en patatas.

Las citocininas regulan el ciclo celular

Los estudios de las interacciones que envuelven a la auxina y a las citocininas estn ayudando a los fisilogos a entender cmo las hormonas de las plantas (fitohormonas) trabajan para producir el patrn de crecimiento global de cada planta. Es obvio que una clula vegetal indiferenciada tiene dos opciones: bien puede alargarse, dividirse, alargarse, y volverse a dividir de nuevo, o bien puede alargarse sin sufrir posteriores divisiones. Las clulas que se dividen repetidamente permanecen esencialmente indiferenciadas, o meristemticas, mientras que las clulas que se alargan tienden a diferenciarse, o especializarse.

En estudios realizados con tallos de tabaco, la adicin de AIA a los cultivos de tejidos produjo una rpida expansin celular, por lo que se formaron clulas gigantes.

La adicin de kinetina sola tuvo poco o ningn efecto.

El AIA ms la kinetina produjo una rpida divisin celular, por lo que se produjo un gran nmero de clulas relativamente pequeas e indiferenciadas.

En otras palabras, la adicin de kinetina, junto con el AIA (aunque no con kinetina slo) condujo a las clulas a un estado meristemtico.*

La relacin auxina/citocinina regula la morfognesis en cultivos de tejidos.

Alterando ligeramente las concentraciones relativas de auxina y citocinina, los investigadores han podido modificar el desarrollo de las clulas indiferenciadas de los cultivos de tejidos.

Una concentracin ms o menos igual de las dos hormona, hace que las clulas sigan indiferenciadas, formando masas de tejido llamadas callos. Cuando la concentracin de auxina es superior, el tejido indiferenciado organiza races. Con una concentracin superior de citocinina, se forman yemas. Con un cuidadoso equilibrio de las dos hormonas se puede producir races y yemas, y por lo tanto, una plantita incipiente. (Figura 14.18).Figura 14.18 Esquema del control de la diferenciacin ejercido por la interaccin de la auxina con las citocininas. Las piezas de los tejidos de la mdula del tabaco se cultivaron aspticamente en un medio nutritivo (cultivo de tejidos) completando varias con varias concentraciones de dos hormonas. Segn las proporciones relativas de auxina y citocinina, el callo de varias especies de plantas continuar creciendo como tejido sin diferenciar, y podr formar races o formar yemas y tallos. [Figura modificada de Rost, T. et al. (1998). Plant Biology. Wadsworth Publishing Company]. *

En otros estudios realizados en cultivo de tejidos, usando tejido de tubrculo de la aguaturna (Helianthus tuberosus), se descubri que un tercer componente, el in calcio, puede modificar la accin de la combinacin auxina-citocinina.

En estos estudios, el AIA ms bajas concentraciones de kinetina conducan a un alargamiento celular, pero cuando se aada Ca2+ al cultivo se inhiba el alargamiento para favorecerse el proceso de divisin celular

Altas concentraciones de calcio prevenan la expansin de la pared celular, por lo que las clulas no crecan y cambiaban su ciclo al de divisin celular.

Es por ello, que no slo las hormonas modifican los efectos de otras hormonas, sino que estos efectos combinados son a su vez modificados por factores no hormonales, tales como el calcio.*

Las citocininas retrasan la senescencia (envejecimiento).

Otra funcin, al parecer independiente, de las citocininas es la de prevenir la senescencia o envejecimiento de las hojas. En la mayora de las especies de plantas, las hojas comienzan a volverse amarillas tan pronto como se extraen de la planta. Este amarilleamiento, el cual se debe a la prdida de clorofila, puede prevenirse usando citocininas (Figura 14.19). Figura 14.19 Efecto de las citoquininas sobre la senescencia en hojas. La aplicacin de citoquininas a la hoja de la derecha, procedente de una plntula de juda (Phaseolus vulgaris), inhibe su senescencia normal. Comparar con el aspecto de la hoja de la izquierda, que no fue tratada con la hormona. [Figura tomada de Rost, T. et al. (1998). Plant Biology. Wadsworth Publishing Company]. *

Cul es el modo de accin de las citocininas?

Desde el primer aislamiento de citocininas a partir de muestras de cidos nucleicos, los fisilogos vegetales han sospechado siempre que estas hormonas han de estar de algn modo relacionadas con los cidos nucleicos. Cuando Holley y sus colaboradores desvelaron por primera vez la estructura de una molcula de ARNt, se encontraron con que la molcula contena un cierto nmero de bases atpicas. Ms tarde se descubri que en algunos tipos de ARNt la citocinina natural i6Ade (6N-isopenteniladenina), que es a su vez una base atpica, est incorporada en la molcula. La i6Ade se encuentra, por ejemplo, en las molculas de ARNt para la serina y para la tirosina, en las cuales est ubicada inmediatamente junto al anticodn. Sin embargo, todava no se sabe si su presencia o su ubicacin en molculas de ARNt est relacionada con su actividad promotora de la divisin celular. Se conoce que el ltimo efecto de las citocininas implica cambios en la expresin gnica, probablemente a nivel transcripcional

Modos de accin :Regulan la sntesis proteica, Afectan las etapas post-transcripcionales en algunas especies, Su presencia en los ARNt pueden regular la sntesis proteica.*

ETILENO

Durante un perodo de aos, el descubrimiento de la auxina condujo, ms o menos directamente, al aislamiento de la kinetina y el reconocimiento de los efectos de las citocininas sobre el crecimiento de las plantas y su desarrollo. El etileno, por otro lado, era un compuesto que se conoca desde antiguo y se saban sus efectos sobre el crecimiento mucho antes de que se le relacionase con la auxina; era considerado ya como una fitohormona.

El etileno fue usado en la prctica desde el antiguo Egipto, en donde se trataban con gas los higos para estimular su maduracin. En la antigua China se quemaba incienso en locales cerrados para incrementar la maduracin de las peras

*H2C=CH2

*El etileno, aunque es un gas en condiciones normales de presin y temperatura, se disuelve en cierto grado en el citoplasma de las clula. Se considera como una hormona vegetal debido a que es un producto natural del metabolismo y a que interacciona con otras fitohormonas en cantidades traza. Los efectos del etileno pueden ser apreciados particularmente durante perodos crticos maduracin de los frutos, abscisin de frutos y hojas, y la senescencia del ciclo de vida de una planta.La historia botnica del etileno, un hidrocarburo sencillo (H2C=CH2), se remonta al siglo pasado, cuando las ciudades se iluminaban con lmparas de gas. En Alemania, se demostr que el gas que se perda desde las lmparas de gas era el principal causante de la defoliacin que ocurra en los rboles que se encontraban en las calles. Como el gas comenz a usarse de modo intensivo para la iluminacin de las calles, este fenmeno fue registrado por muchos investigadores.

Los ambientes estresantes y las concentraciones elevadas de auxinas promueven la produccin de etileno en los tejidos vegetales.

El etileno es normalmente la hormona ms fcil de ensayar. Puesto que es un gas que se libera por los tejidos, no requiere extraccin ni purificacin antes de su anlisis por cromatografa gaseosa.

La biosntesis del etileno comienza con el aminocido metionina, el cual reacciona con ATP para formar un compuesto conocido como S-adenosilmetionina, abreviadamente SAM (Figura 14.20

A continuacin, el SAM se escinde en dos molculas diferentes, una de los cuales contiene un anillo compuesto de tres tomos de carbono. Este compuesto, conocido como cido 1 - aminociclopropano - 1 - carboxlico (ACC), se convierte en etileno, CO2, y amonio por una enzima presente en el tonoplasto, todava no aislada, denominada enzima formadora de etileno (EFE)

Aparentemente, la reaccin formadora de ACC es la etapa de la ruta que es afectada por algunos tratamientos o estados fisiolgicos (por ejemplo, altas concentraciones de auxina, heridas, polucin atmosfrica, maduracin de los frutos, senescencia de las flores, encharcamiento, etc.) que estimulan la produccin de etileno por los tejidos vegetales. *

Figura 4.20 Biosntesis del etileno y su regulacin. El aminocido metionina es el precursor del etileno en los tejidos de todas las plantas superiores. La etapa limitante de la ruta biosinttica es la conversin de la S-adenosilmetionina (SAM) en el intermediario precursor del etileno, el cido 1- aminociclopropano 1 - carboxlico (ACC), etapa catalizada por la ACC sintasa. Otras abreviaturas: AVG, aminoetoxivivilglicina; AOA, cido aminooxiacetico. [Figura modificada de Taiz, L. & Zeiger, E. (1998). Plant Physiology. 2nd ed. Sinauer Associates, Inc., Publishers].*

Efectos fisiolgicos producidos por el etileno.

Estimula la maduracin de los frutos

Produce la triple respuesta en plntulas

Parece jugar un papel importante en la formacin de races adventicias

Estimula la abscisin de hojas y frutos

Estimula la floracin en Bromelias

Induce la feminidad en flores de plantas monoicas

Estimula la apertura floral

Estimula la senescencia floral y foliar

Induce epinastia en hojas*

Tabla 14.1. Cambios que tienen lugar en el fruto durante la maduracin *

Tabla 14.2 Ejemplos de algunos frutos climatricos y no climatricos *Un fruto climatrico es aquel que es capaz de seguir madurando incluso despus de haber sido reco-lectado. Esto es debido fundamentalmente a que este tipo de frutos, independientemente de que ya no estn en la planta, aumentan su tasa de respiracin y su produccin de etileno, principal hormona responsable del proceso de maduracin y envejecimiento del fruto. Sin embargo, los frutos no climatricos apenas siguen madurando una vez separados de la planta. Es por ello que el etileno es usado frecuentemente en tratamientos artificiales para modificar el proceso de maduracin de muchos tipos de frutas que permanecen almacenadas en cmaras de conservacin.

*Tabla 14.3 Concentracin interna de etileno en varios frutos climatricos y no climatricos

Figura 14.21 Efecto del etileno sobre la maduracin de los frutos. La caja de tomates de la derecha fue mantenida durante 3 das en una habitacin con una atmsfera que contena 100 ppm de etileno. La caja de la izquierda fue mantenida en una atmsfera normal, sin etileno. [Figura tomada de Rost, T. et al. (1998). Plant Biology. Wadsworth Publishing Company].*

Figura 14.22 Esquema del balance hormonal durante la abscisin de una hoja. De acuerdo a este modelo, la auxina favorece la persistencia de la hoja durante la fase de mantenimiento. En la fase de induccin a la abscisin, el nivel de auxina disminuye, mientras que el nivel de etileno aumenta. Estos cambios en el equilibrio hormonal, incrementan la sensibilidad de las clulas diana al etileno, lo cual dispara los acontecimientos que aparecen en la fase de separacin. Durante esta etapa, enzimas especficos segregados por las clulas diana hidrolizan los polisacridos de las pared celular, lo cual conduce, finalmente, a la abscisin de la hoja. [Figura modificada de Taiz, L. & Zeiger, E. (1991). Plant Physiology. The Benjamin/Cummings Co., Inc.].*

Figura 14.23 Epinastia de hojas causada por el etileno. La planta de Coleus de la derecha fue expuesta durante 2 das a una atmsfera de etileno; la planta de la izquierda era un control. [Figura tomada de Moore, R. et al.(1998), Botany. WCB McGraw-Hill. ]*La curvatura hacia abajo y el enrollamiento que se produce en algunas hojas cuando el lado adaxial (haz) crece ms que el lado abaxial (envs) se denomina epinastia (Figura 14.23). El etileno y altas concentraciones de auxina inducen epinastia.

Figura 14.24 Efecto del etileno sobre el crecimiento. Un incremento en la concentracin de etileno produce sobre la plntula del guisante (Pisum sativum) un acortamiento, un engrosamiento, y una tendencia al crecimiento horizontal (triple respuesta) del tallito de la misma a medida que la concentracin de la hormona aumenta. [Figura modificada de Rost, T. et al. (1998). Plant Biology. Wadsworth Publishing Company].*

Figura 14.25 Produccin de etileno en flores de Ipomea a lo largo del desarrollo. [Figura modificada de ].*

El etileno tiene importantes usos comerciales

El etileno es una de las fitohormonas ms ampliamente utilizadas en agricultura. Las auxinas y el ACC pueden disparan la biosntesis natural del etileno y en algunos casos se emplean en la prctica agrcola. Debido a su alta velocidad de difusin, el etileno es difcil de aplicar en el campo como gas, pero esta limitacin se soslaya utilizando algn compuesto que libere etileno

El compuesto qumico ms ampliamente utilizado es el ethephon o cido 2-cloroetilfosfnico (nombre comercial Ethrel). El ethephon en solucin acuosa es fcilmente absorbido y transportado al interior de la planta. Este compuesto libera etileno lentamente lo que permite a esta fitohormona ejercer sus efectos. De esta manera, la aplicacin de ethephon produce la maduracin de manzanas y tomates, as como el cambio de color en ctricos, y acelera la abscisin de flores y frutos

Tambin se emplea para promover la feminidad en cucurbitceas, para prevenir la auto-polinizacin e incrementar su produccin.*

El ABA es un compuesto que existe naturalmente en las plantas. Es un sesquiterpenoide (15 carbonos) que es parcialmente producido a partir del cido mevalnico en cloroplastos y otros plastos. Otros autores proponen una ruta biosinttica a partir de la degradacin de los carotenoides (40 carbonos) (Figura 14.27). El cido abscsico (ABA) se obtiene principalmente de las bases ovricas de los frutos. El fruto del algodn (Gossypium) se caracteriza por proporcionarlo en gran cantidad. Las proporciones ms elevadas de ABA se dan durante la poca de la cada de los frutos.Figura 14.27 Rutas biosintticas del cido abscsico. Algunos autores proponen una va directa a partir del cido mevalnico. Otros proponen una va indirecta a partir de la degradacin de ciertos carotenoides. La violaxantina es el carotenoide de partida. Esta es isomerizada y escindida va una reaccin de isomerizacin seguida de una de oxidacin. Se produce una molcula de xantoxina que es inestable y cambia espontneamente a ABA aldehido. El ABA aldehido se oxida a ABA.ACIDO ABSCISICO*

Efectos fisiolgicos producidos por el cido abscsico

Estimula el cierre estomtico (el estrs hdrico dispara la sntesis de ABA)

Inhibe el crecimiento del tallo pero no el de las races; en algunos casos puede incluso inducirlo

Induce en las semillas la sntesis de protenas de almacenamiento. Inhibe el efecto de las giberelinas de inducir la produccin a a-amilasa.

Induce y mantiene la latencia. Induce la senescencia en hojas

Induce la transcripcin gnica de inhibidores de proteasas en respuesta a heridas lo que explicara su aparente papel en la defensa contra patgenos.*

El cido abscsico y la induccin de latencia en yemas y semillas

En las especies leosas, la latencia es una adaptacin importante a los climas fros. Cuando llega el invierno, estos rboles protegen sus meristemos con escamas y se paraliza temporalmente el crecimiento de estas yemas. Esta respuesta a las temperaturas fras necesita un mecanismo sensorialque detecte estos cambios ambientales y un sistema de control que traduzca esta seal y dispare el desarrollo de los procesos que conducen a la latencia de las yemas.

Inicialmente se sugiri que era el ABA el responsable de esta induccin. Sin embargo, posteriores anlisis confirmaron que no siempre el contenido en ABA de las yemas se correlaciona con el grado de latencia. De todas formas, la aplicacin de ABA a las yemas vegetativas las convierten en yemas hibernantes, al transformarse los primordios foliares en catfilos

*

*Los efectos inhibidores del ABA sobre las yemas pueden ser contrarrestados por la giberelina

El ABA parece que tambin acta en la induccin de latencia en semillas.

Las semillas secas latentes contienen usualmente grandes cantidades de ABA

La produccin de -amilasas, inducida por la giberelina en la semilla de cebada (Hordeum vulgare), es inhibida por el ABA, que parece inhibir la produccin de protenas en general.

El cido abscsico y la inhibicin del crecimiento de los tallos

El ABA apenas tiene efectos sobre las plantas enanas, pero reduce el crecimiento de las plantas normales.

Esta inhibicin del crecimiento puede ser contrarrestada por la giberelina

La auxina, por otro lado, parece actuar tanto interaccionando con la membrana plasmtica como por la aceleracin de protenas especficas. Este crecimiento inducido por la auxina es inhibido por el ABA. El ABA bloquea la secrecin de H+ y evita la acidificacin de la pared celular y la posterior elongacin celular

El cido abscsico y la induccin de la senescencia

Si se deja caer una gota de ABA en una hoja, la zona mojada amarillea rpidamente, aunque el resto de la hoja siga verde. Este efecto es opuesto al producido por las citocininas.*

El cido abscsico y el control de la apertura estomtica

Actualmente, no existen muchos usos prcticos para el ABA debido al escaso conocimiento de su fisiologa y bioqumica. Sin embargo, el ABA puede tener una importancia enorme en el futuro de la agricultura, particularmente en zonas desrticas. Hay razones para creer que la tolerancia de algunas plantas a condiciones de estrs, tales como la sequa, est directamente relacionada con su capacidad para producir ABA. Adems, se sabe que el ABA puede causar el cierre de los estomas en algunas plantas, previniendo con ello la prdida de agua por transpiracin a travs de las hojas y disminuyendo as los requerimientos hdricos de la planta

Bajo condiciones de sequedad, las concentraciones de ABA en las hojas pueden aumentar hasta 40 veces

*

*El cierre de los estomas inducido por el ABA es una respuesta rpida y puede detectarse a los pocos minutos

Las clulas oclusivas parecen tener unos receptores especficos para el ABA sobre la superficie exterior de su membrana plasmtica (Figura 14.28). La unin del ABA a los mismos regula la abertura de los canales inicos membranales y la actividad de las bombas de protones

El ABA parece tambin modificar las propiedades de la membrana en las clulas radicales lo que incrementa la entrada de agua e iones a las mismas.

Figura 14.28 Modelo para la accin de ABA en las clulas oclusivas de los estomas. (1) El ABA se enlaza en un receptor, todava sin caracterizar, situado en la membrana plasmtica. La unin del ABA a este receptor dispara una cascada de seales. (2) El ABA produce la apertura de los canales de Ca2+, y una despolarizacin temporal de la membrana. (3) Esta despolarizacin temporal promueve la apertura de los canales de Cl-, que posteriormente despolarizan la membrana. (4) El ABA incrementa los niveles de IP3. (5) El IP3 abre los canales de Ca2+ dependientes de IP3, produciendo una liberacin de calcio desde la vacuola. (6) El incremento del calcio citoslico activa la apertura de los canales de Cl- (de salida) e inhibe la de los canales de K+ (de entrada). Este flujo neto de cargas negativas se traduce en una gran despolarizacin de la membrana. (7) El ABA causa un incremento en el pH citoslico. (8) Este incremento de pH produce la apertura de los canales de K+ y la salida de K+ al exterior. La turgencia de las clulas guarda disminuye por ello, y los estomas se cierran. *

LAS GIBERELINAS

Los agricultores japoneses fueron los primeros en observar un fenmeno consistente en la elongacin anormal del tallo en las plntulas de arroz. Estas plantas eran endebles y macilentas, y se quebraban con facilidad y eran estriles. Los japoneses dieron a esta enfermedad el nombre de "Bakanae" (enfermedad loca de las plntulas)

En 1898, Hori descubri el agente causal de esta enfermedad que result ser un patgeno fngico del gnero Fusarium

En el mismo ao (1926) en que Went realizaba sus primeros experimentos con bloques de agar, E. Kurosawa, en el Japn, descubri que la causa de estos sntomas era una sustancia qumica producida por Giberella fujikuroi, un hongo parsito de las plntulas lo que produjo cierta controversia con el descubrimiento de Hori. Esta sustancia recibi el nombre de giberelina. *

Desde aquel entonces se han aislado giberelinas de muchas especies de plantas superiores, y, en general, en el momento presente se cree que se den en todas las plantas superiores. Se presentan en cantidades variables en todos los rganos de la planta, pero las concentraciones mayores se alcanzan en las semillas inmaduras. Actualmente hay ms de 90 giberelinas aisladas de tejidos vegetales, que han sido identificadas qumicamente. Varan algo en estructura (Figura 14.29), y tambin en actividad. La mejor conocida del grupo es la GA3 (cido giberlico), producida por el hongo cuya actividad fue descubierta por Kurosawa

Las giberelinas provocan efectos sorprendentes en el alargamiento de plantas intactas. La respuesta ms observada en las plantas superiores es un incremento notable en el crecimiento del vstago; a menudo los tallos se vuelven largos y delgados, con pocas ramas, y las hojas empalidecen. Las giberelinas estimulan a la vez la divisin celular y, afectan tanto a las hojas como a los tallos.*

Figura 14.29 Tres de las ms de 65 giberelinas que han sido aisladas de fuentes naturales. El cido giberlico (GA3) es la ms abundante en hongos y la biolgicamente ms activa en muchos test. Las flechas indican las diferencias estructurales menores que distinguen los otros dos ejemplos de giberelinas, la GA7 y la GA4. [Figura modificada de Raven, P.H. & Eichhorn, S.E. (1992). Biologa de las Plantas. Vol. II, Ed. Revert, Barcelona].*

Biosntesis de las giberelinas

Todas las giberelinas conocidas derivan del anillo del gibano. Son terpenoides

En su biosntesis se sigue la ruta del cido mevalnico

En todas las plantas esta ruta es comn hasta llegar al GA12-aldehido

A partir de este punto, las diferentes especies siguen rutas distintas para formar las ms de 90 giberelinas conocidas hoy da

Una vez fabricadas pueden darse un gran nmero de interconversiones entre ellas

Las hojas jvenes son los principales lugares de produccin de giberelinas. Posteriormente son translocadas va floema al resto de la planta. Las races tambin las producen exportndolas al tallo va xilema. Se han encontrado tambin altos niveles de giberelinas en semillas inmaduras.*

Efectos fisiolgicos producidos por las giberelinas

Induccin del alargamiento de entrenudos en tallos al estimular la divisin y la elongacin celular

Sustitucin de las necesidades de fro o de da largo requeridas por muchas especies para la floracin

Induccin de la partenocarpia en algunas especies frutales

Eliminacin de la dormicin que presentan las yemas y semillas de numerosas especies

Estimulan la produccin de a-amilasa durante la germinacin de los granos de cereales

Retraso en la maduracin de los frutos

Las giberelinas y la juvenilidad

Las giberelinas y la floracin

Induce masculinidad en flores de plantas monoicas

Pueden retrasar la senescencia en hojas y frutos de ctricos.*

Las giberelinas y los mutantes enanos

Los resultados ms manifiestos se observan cuando se aplican giberelinas a algunas plantas con enanismo debido a un solo gen mutante (Figura 14.30). Tratadas con giberelina, tales plantas llegan a confundirse con las normales. Este efecto espectacular hace pensar que el resultado de la mutacin, en trminos bioqumicos, ha sido una prdida de la capacidad de la planta para sintetizar sus propias giberelinas.

En maz, por ejemplo, se han identificado cuatro tipos de mutantes enanos, cada uno de ellos defectivo en una etapa especfica de la ruta de biosntesis de la giberelina

Actualmente, estudios de la bioqumica de esta hormona en estos mutantes ha conducido a una importante conclusin. Aunque las plantas de maz contienen nueve compuestos diferentes que cumplen la definicin operacional de giberelina (esto es, la produccin de una respuesta fisiolgica), slo el producto final de la ruta causa efectos directamente. Las otras ocho "giberelinas" necesitan ser metabolizadas posteriormente antes de producir una respuesta fisiolgica

El bioensayo comn para estas hormonas consiste en probar sus efectos sobre plantas enanas; el gran crecimiento provocado en stas por las giberelinas no puede ser logrado por la auxina o por cualquier otra de las fitohormonas conocidas*

Figura 14.30 Aspecto de plantas de juda (Phaseolus vulgaris) mutantes y normales. (A) Mutante ultra-enano que no produce GAs. (B) Mutante enano que slo produce GA20. (C) Planta normal que produce GA1. (D) Planta mutante enana a la que se aaden GAs exgenas. [Figura modificada de Taiz, L. and Zieger, E., (1998), Plant Physiology. 2nd ed., Sinauer Associates, Inc., Publishers]. *

Las giberelinas y la induccin de la germinacin en las semillas

Las semillas de la mayora de las plantas precisan un perodo de letargo antes de que puedan germinar. En determinadas plantas, normalmente el letargo slo puede ser interrumpido por la accin del fro o de la luz

En muchas especies, entre las que cabe incluir la lechuga, el tabaco, y las avenas espontneas, las giberelinas pueden sustituir el factor que interrumpe el letargo, promoviendo as el crecimiento del embrin y la salida de la plntula.

Especficamente, las giberelinas aumentan la elongacin celular, haciendo posible que las races puedan atravesar las cubiertas de las semilla

Este efecto de las giberelinas tiene, al menos, una aplicacin prctica. El cido giberlico acelera la germinacin de las semillas y por ello asegura uniformidad en la produccin de la malta de cebada usada en cervecera.*

Las giberelinas y la modificacin de la juvenilidad

Los estadios juveniles de algunas plantas son diferentes de sus estadios adultos.Entre las dicotiledneas anuales, la juda (Phaseolus), cuyas hojas jvenes son simples y las adultas compuestas (trifoliadas), suministra un buen ejemplo de tal heterofiliaEntre las perennes, muchas especies de Eucalyptus muestran sorprendentes diferencias entre sus hojas jvenes y adultas (Figura 14.31)Figura 14.31 Hojas juveniles (A) y maduras (B) de Eucalyptus globulus, en las que se pueden apreciar las grandes diferencias que puede haber dentro de una misma especie. Las hojas juveniles son opuestas y ms blandas que las otras. Su nica capa de parnquima en empalizada est situada justo por debajo de la epidermis superior. Las hojas maduras son duras, se disponen en espiral sobre el tallo, y penden verticalmente. En las hojas maduras, tanto el haz como el envs estn expuestas a la luz, y existe parnquima en empalizada en las 2 caras. [Figura modificada de de Moore, R. et al. (1998), Botany. WCB McGraw-Hill. ]*

La hiedra (Hedera helix) es otro buen ejemplo de ello. Si se tiene ocasin de observar una hiedra sobre una pared, comprense las ramas superiores, adultas, con las inferiores; la forma de la hoja es diferente. Las ramas jvenes emiten races con facilidad, las maduras no. Las ramas adultas florecen, las jvenes no (Figura 14.32)

Si se coge una rama adulta y se la priva del meristemo apical, las yemas axilares se desarrollarn y formarn nuevas ramas adultas. Sin embargo, si se aplica giberelina a una yema de este tipo, se convertir en una rama joven tpica.Figura 14.32 Diferentes morfologa foliar de la hiedra (Hedera helix). (a) Forma juvenil. (b) Forma adulta. [Figura tomada de Biology: Form and Function. Plant Physiology. The Open University. Hodder & Stoughton].*

Las giberelinas y la floracin de plantas de da largo

Algunas plantas, como las coles (Brassica oleracea, var. capitata), las zanahorias (Daucus carota), y la beleo (Hyoscyamus niger), de rgimen bienal, forman rosetas antes de florecer. (En una roseta se desarrollan las hojas pero no los entrenudos). En estas plantas la floracin puede ser inducida por la llegada de los das largos, por el fro (caso de las bienales), o por ambos. Bajo el estmulo apropiado, los tallos se alargan -o espigan- y la planta florece

La aplicacin de giberelina a algunas de estas plantas de da largo permite que se espiguen y florezcan sin necesidad de fro o de das largos (Figura 14.33)

La elongacin producida se debe tanto al incremento en el nmero de divisiones celulares en ciertas localizaciones como a la elongacin de las clulas resultantes de dichas divisiones

Es por ello que las giberelinas pueden ser utilizadas para producir semillas tempranas en flores bienales. Tratando coles con cido giberlico pueden obtenerse semillas despus de slo una estacin de crecimiento.*

Figura 14.33 (A) Las coles, una planta de da largo, permanece como planta en roseta durante los das de tipo da corto y slo espigar despus de haber pasado por una poca de das de tipo da largo. (B) Sin embargo, la aplicacin exgena de giberelinas induce el espigamiento y la floracin sin necesidad de haber sido estimulada naturalmente por das tipo da largo. [Figura tomada de Moore, R. et al. (1998), Botany. WCB McGraw-Hill. ]*

Las giberelinas y el desarrollo del fruto

En cierto nmero de gneros de plantas, entre los que figuran los lirios, las lobelias, las petunias, y los guisantes, se ha demostrado que las giberelinas estimulan la germinacin del polen y el crecimiento del tubo polnico

Al igual que la auxina, las giberelinas pueden ocasionar el desarrollo de frutos partenocrpicos, como por ejemplo, manzanas, grosellas, pepinos, y berenjenas

En algunos frutos, como la mandarina, la almendra y el melocotn, las giberelinas favorecen la partenocarpia, mientras que la auxina se muestra inefectiva

La principal aplicacin de las giberelinas es, sin embargo, en la produccin de uvas de mesa. En algunos pases, se aplican anualmente grandes cantidades de cido giberlico sobre ciertas variedades de uva (Vitis vinifera). Estos tratamientos producen racimos llenos de uvas de mayor tamao (Figura 14.34). *

Figura 14.34 El efecto del cido giberlico sobre el crecimiento de las uvas Thompson Seedles, un cultivar de Vitis vinifera. El racimo de la izquierda contiene uvas no tratadas, mientras que el de la derecha fue tratado con cido giberlico. [Figura modificada de Raven, P.H. & Eichhorn, S.E. (1992). Biologa de las Plantas. Vol. II, Ed. Revert, Barcelona].*

Cmo actan las giberelinas?

Las giberelinas incrementan tanto la divisin como la elongacin celular, debido a que tras la aplicacin de giberelinas se incrementa el nmero de clulas y la longitud de las mismas. En el caso de las auxinas, el debilitamiento de la pared celular, necesario para el alargamiento celular, est mediado en parte por la acidificacin de la misma. Sin embargo, ste no parece ser el mecanismo de accin de las giberelinas. Las giberelinas pueden inducir el crecimiento a travs de una alteracin de la distribucin de calcio en los tejidos. Los iones calcio inhiben el crecimiento de los hipoctilos de lechuga, y esta inhibicin puede ser revertida por la aplicacin de giberelina (GA3).

Los estudios ms importantes sobre el mecanismo de accin de las giberelinas y de las fitohormonas en general han sido llevados a cabo simultneamente por investigadores de Japn, Australia y Estados Unidos. Estos estudios, que fueron hechos sobre semillas de cebada, sealan la secuencia de cambios que ocurren en el embrin en vas de crecimiento y demuestran el papel principal desempeado por la giberelina es esta secuencia. Adems, suministran uno de los mejores ejemplos de como las hormonas integran la bioqumica y la fisiologa de los diferentes tejidos de una planta

*

*En las semillas de cebada (Hordeum vulgare) y de otras gramneas hay una capa de clulas especializadas, la capa de aleurona, que est inmediatamente por debajo del episperma. Estas clulas son ricas en protena. Cuando las semillas empiezan a germinar tras la imbibicin de agua, el embrin desprende giberelina, segn han puesto de manifiesto estos estudios. Por efecto de la giberelina, las clulas de aleurona producen enzimas hidrolticos, de las cuales la principal es la -amilasa, que desdobla el almidn en azcares (Figura 14.35).

Figura 14.35 La liberacin de azcar desde el endospermo puede ser inducida por el tratamiento con giberelinas (GA3). Estos datos muestran que los azcares slo se producen cuando est presente la capa de aleurona. Esta es, de hecho, la fuente de la enzima -amilasa que digiere el almidn almacenado en el endospermo. [Figura modificada de Raven, P.H. & Eichhorn, S.E. (1992). Biologa de las Plantas. Vol. II, Ed. Revert, Barcelona]. Las enzimas digieren las reservas nutritivas almacenadas en el endospermo amilceo, que son entonces utilizables para el embrin, en forma de azcares y aminocidos, que son absorbidos por el escutelo y transportados a continuacin hacia el embrin (Figura 14.25). De este modo, el embrin pide anticipadamente las sustancias necesarias para su propio crecimiento, las cuales estarn a su disposicin en el momento que las necesite.*

Figura 14.36 Accin del cido giberlico (GA3) en semillas de cebada. Las giberelinas son sintetizadas (1) por el coleoptilo y el escutelo del embrin y liberadas en el endospermo (2); las giberelinas difunden hacia la capa de aleurona; (3) las clulas de la capa de aleurona son inducidas a sintetizar y segregar enzimas (a-amilasas y otras hidrolasas) en el endospermo amilceo. (4) el almidn y otros polmeros son degradados a pequeas molculas; (5) los solutos liberados (monmeros) son transportados hacia el embrin donde son absorbidos y utilizados para el desarrollo del embrin.Los investigadores creen que la giberelina activa ciertos genes que sintetizan molculas de ARNm, las cuales, a su vez, se encargan de la sntesis de las enzimas. No ha sido demostrado que la giberelina acte directamente sobre el gen, aunque los investigadores han demostrado que tanto la sntesis de RNA como la de protenas son necesarias para la aparicin de las enzimas. Por otro lado, no se conoce cul pueda ser la relacin entre el modo de actuacin de la giberelina en estas semillas y sus efectos en otros rganos de la planta.*

Aplicaciones comerciales de las giberelinas.

El principal uso de las giberelinas es para incrementar el tamao de los granos de uva sin semillas. Tambin, la utilizacin de una mezcla de benciladenina (una citocinina) y GA4+7 produce la elongacin del fruto en las manzanas y se utiliza para modificar la forma de las manzanas tipo Delicius bajo determinadas circunstancias. En los ctricos, la aplicacin de giberelinas retrasa la senescencia, por lo que los frutos pueden dejarse ms tiempo en el rbol retrasando as su comercializacin

El incremento en la produccin de enzimas hidrolticos (-amilasa, fundamentalmente) se emplea comercialmente para incrementar la produccin de malta a partir de la cebada como paso previo a la fermentacin

El tratamiento con giberelinas puede incrementar la produccin de caa de azcar unas 20 ton por acre y la produccin de azcar en unas 2 ton por acre. Este incremento se debe a la elongacin de los entrenudos durante el invierno.*

Aplicaciones ms importantes:

Retardantes del crecimientoSustancias sintticas como el cycocel (CCC) y el phosphon-D provocan una disminucin del nivel de giberelinas endgenas en los tejidos vegetales, y por tanto, un crecimiento mucho ms lento de los distintos rganos vegetales

.El CCC se usa para reducir el tamao de la caa de los cereales, ya que retarda la elongacin de los entrenudos, lo que previene el encamado

Enraizamiento de estaquillasLo inducen sustancias como el cido indolbutrico (IBA) y el cido naftalnactico (NAA)

El etileno tambin lo induce

Citocininas, giberelinas, retardantes del crecimiento y el cido abscsico lo inhiben

Eliminacin de la dormicin de yemas y semillasLas giberelinas. El cido giberlico (AG3) se emplea en la industria cervecera para acelerar la etapa de malteado de la cebada

El AG3 rompe tambin la dormicin de los tubrculos de patata recin cosechados y conseguir as una brotacin rpida y uniforme

Control de la brotacin de yemasEl NAA previene la brotacin de las yemas de tubrculos de patata almacenados.Tambin el MENA (ster metlico del cido naftalenactico) y la MH (hidrazida maleica) tambin inhiben la brotacin de yemas. El primero en tubrculos de patata y el segundo en bulbos de cebolla, en zanahoria y en remolacha.*

Control de la floracinAplicaciones exgenas de NAA inducen la floracin de numerosas especies frutales: floracin sincronizada y fructificacin uniforme

Otras sustancias como el ethephon, CCC, phosphon-D, inducen la floracin..Las giberelinas retrasan esta floracin

Desarrollo de frutos partenocrpicosLas auxinas y las giberelinas inducen la partenocarpia en frutos

Aclareo qumicoEl IAA se emplea en el aclareo qumico de flores y frutos de diversas especies frutales (manzano, peral, melocotonero,...)

Control de la madurez de los frutosEl etileno. Aplicaciones de ethephon aceleran la maduracin de algunas especies hortcolas cultivadas en invernadero (tomate, pimiento, meln, ...)

Retraso de la senescenciaLa bencilaminopurina (BAP), el 2,4-D, el CCC, etc. retrasan la senescencia de especies hortcolas como la coliflor, col, lechuga,

Alteracin del tamao, color y forma de los frutosLas giberelinas, la BAP, el 2,4-D, etc. alargan los racimos de uvas

Cultivo de tejidosLas auxinas y citocininas se emplean en el cultivo de tejidos vegetales in vitro.*

Desfoliantes y desecantes

La cianamida clcica, el paraquat, etc., son sustancias que se emplean con esta finalidad para facilitar la recoleccin mecanizada

Herbicidas

Las auxinas sintticas 2,4-D, 2,4,5-T, etc., se usan con esta finalidad.*

*FISIOLOGIA DE CULTIVOS I*