Desarrollo Vegetal PDF

DESARROLLO VEGETAL BIOTECNOLOGÍA 2022-2023 DAVID PALACIOS VICENTE DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN AL DESARROLLO VEGETAL. 2. MECANISMOS GENERALES DE SEÑALIZACIÓN CELULAR. 3. HORMONAS VEGETALES. 4. AUXINAS. 5. CITO...

DESARROLLO VEGETAL BIOTECNOLOGÍA 2022-2023 DAVID PALACIOS VICENTE DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN AL DESARROLLO VEGETAL. 2. MECANISMOS GENERALES DE SEÑALIZACIÓN CELULAR. 3. HORMONAS VEGETALES. 4. AUXINAS. 5. CITOQUININAS. 6. GIBERELINAS. 7. ÁCIDO ABSCÍSICO. 8. ETILENO. 9. BRASINOESTEROIDES. 10. OTRAS HORMONAS. 11. FOTORRECEPTORES Y RELOJ CIRCADIANO. 12. REGULACIÓN DEL CRECIMIENTO. 13. FLORACIÓN. 14. FISIOLOGÍA DE LA SEMILLA. 15. DESARROLLO VEGETATIVO. 16. FISIOLOGÍA DEL FRUTO. 17. SENESCENCIA Y ABSCISIÓN. o Profesorado: Berta Dopico Rivela. o Criterios de evaluación: 80% del examen final: examen con una o más partes, cada una de las cuales tiene que estar aprobada. 20% prácticas: 10% de examen de prácticas 1 y 3, 5% de informe de la práctica 2 y 5% de realización de las prácticas. 1 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL TEMA 1 - INTRODUCCIÓN AL DESARROLLO VEGETAL. El desarrollo es el conjunto de procesos fisicoquímicos, bioquímicos, celulares y fisiológicos que evolucionan con una compleja integración (unas estructuras, procesos… de la planta modifican el resto, ocasionando así el cambio) a lo largo de la vida, dando lugar así a diferentes formas, estructuras, procesos, funciones… que se van viendo modificados según la planta crece y cierra su ciclo vital. Es decir, el desarrollo abarca múltiples aspectos interrelacionados y corresponde a la suma total de cambios de forma y función dependientes de la especie durante el ciclo de un individuo. Es una característica específica de cada especie, pues cada una de ellas tiene su propio patrón de desarrollo. Además, este desarrollo tiene un cierto grado de flexibilidad aportada por los meristemos, ya que los individuos de una misma especie de planta pueden tener distinto número de ramas, de hojas, de flores… permitiendo así la adaptación del individuo a condiciones ambientales muy variadas. El desarrollo puede aplicarse a diferentes escalas: a nivel de celular, a nivel tisular, a nivel de órganos, a nivel de individuos completos… y a diferentes etapas vitales: embrión, flor, planta adulta, planta joven… 1. CICLO VITAL DE LAS PLANTAS. El ciclo vital de las plantas terrestres superiores tiene dos generaciones: Generación gametofítica (n): se corresponde con un periodo de tiempo muy reducido en la que el individuo es haploide. En esta fase se lleva a cabo la producción de los gametos en el interior de los órganos sexuales, las flores, por lo que no se ven. Para ello, una célula madre diploide (2n) sufre una meiosis que genera un microsporocito (n) y un megasporocito (n), es decir, las esporas haploides (n), que darán lugar a 4 microesporas (n) y a una megaespora superviviente (n), que sufrirán mitosis para dar lugar a dos gametofitos multicelulares o gametos: - Grano de polen (n): es el gameto masculino, y procede de una microspora. Tiene tres células, dos de ellas son espermátidas y una vegetativa (tubo polínico). - Saco embrionario (n): es el gameto femenino, y procede de la megaespora. Tiene 7 células: 3 antípodas, 2 sinergidas, 1 célula huevo (óvulo) y otra central con los 2 núcleos polares. 2 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Esta generación finaliza con la fusión de los gametos haploides (fecundación) para dar un zigoto diploide (2n). Se trata de una fase fundamental en el proceso de desarrollo de las semillas. Generación esporofítica: se corresponde con un periodo de tiempo muy extenso en la que el individuo es diploide y lleva a cabo la producción de las esporas. Se puede dividir en diferentes pasos para facilitar su estudio: 1. Formación del zigoto, la semilla y el fruto: esta fase comienza con la formación del zigoto, que se desarrolla hasta formar un embrión maduro, proceso conocido como embriogénesis, al tiempo que se forma el resto de la semilla y el fruto. Es decir, dentro de la semilla está el embrión. 2. Germinación de la semilla y desarrollo vegetativo: tras la formación del embrión, la generación esporofítica prosigue con la germinación de la semilla, de forma que el embrión empieza a crecer hasta dar lugar a una plántula (una planta muy rudimentaria que ha desarrollado las dos primeras hojas, una raíz mínima y un pequeño tallo que le permiten realizar la fotosíntesis y captar nutrientes y agua del suelo, es decir, que le hacen independiente), 3. Desarrollo vegetativo: es el proceso de crecimiento y evolución de la plántula hasta producir una planta adulta. 4. Desarrollo reproductor: la planta adulta comienza su desarrollo reproductor dando lugar a las flores (órganos reproductores), donde se formarán los gametos. 5. Envejecimiento y muerte: finalmente, la planta envejece y se produce la muerte, ya sea del individuo o de alguno de sus órganos. 3 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL El ciclo vital de las plantas presenta una tres fases diferentes: Fase juvenil: es un periodo de una duración muy variable que presenta una elevada actividad metabólica y un rápido crecimiento vegetativo y se caracteriza por la inhibición de la floración. Fase adulta: es un periodo en el que predominan aspectos anabólicos del metabolismo y en el que se reduce la velocidad de crecimiento vegetativo. En esta fase, la floración no se encuentra inhibida, de forma que la planta puede florecer siempre y cuando las condiciones sean favorables. Entonces, según la planta presente flores o no, se diferencian dos subfases: - Fase adulta vegetativa: aquella en la que no se produce la floración, y, por tanto, la planta carece de flores. - Fase adulta reproductora: aquella en la que se produce la floración, y, por tanto, la planta presenta flores. Fase de senescencia: es la última fase de la vida de un órgano de la planta o del propio individuo, y se caracteriza porque en el predominan aspectos catabólicos del metabolismo de la planta, pero siguiendo una regulación del desarrollo controlado para conseguir un proceso ordenado de desmantelamiento y reciclaje de las estructuras no útiles, es decir, para el correcto funcionamiento de la planta. El ciclo de las plantas es peculiar porque, en una misma planta y al mismo tiempo, pueden encontrarse todas las fases siguiendo un gradiente espacial, es decir, unas partes de las plantas pueden ser juveniles, otras adultas y otras estar envejeciendo y muriendo. La transición o cambio entre diferentes fases se produce en los meristemos y se denomina cambio de fase. Entonces, que un órgano sea juvenil o adulto depende de dicho meristemo. 2. MERISTEMOS. Los meristemos son tejidos basados en un conjunto de células pequeñas, indiferenciadas (son todas iguales y con características embrionarias), isodiamétricas (es decir, tienen dos lados iguales) y localizadas en determinados puntos de la planta, que retienen su capacidad de división y cuyo destino no está determinado de forma rígida, es decir, no se van a convertir en un órgano o tejido determinado de forma obligatoria, sino que dependerá de diferentes factores, aportando así la flexibilidad que caracteriza a las células, órganos y tejidos de las plantas a la hora de dar lugar a los diferentes órganos y tejidos. A continuación, se presentan las características de los meristemos: Funcionamiento: estas células del meristemo son las únicas células de todo el organismos de la planta que mantienen la capacidad de división, de manera que en estos meristemos las células se dividen, dando lugar a unas células hijas recién formadas que crecen y se diferencian (una vez diferenciadas, las células pierden la capacidad de división, es decir, no se pueden volver a dividir). 4 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Por tanto, los meristemos van a funcionar como fuente de células, ya que al dividirse generan células continuamente que entran en un programa de crecimiento y diferenciación, de manera que dan lugar a todas las células de la planta. Es decir, los meristemos suponen el origen de todas las células de la planta por división celular. - Actividad: la actividad del meristemo es su capacidad de división celular: mucha división, gran actividad. Los meristemos se mantienen activos durante mucho tiempo, llegando incluso a durar toda la vida de la planta teóricamente, aunque algunos meristemos pierden todas sus células y mueren, dejando de funcionar. Esto tiene una ventaja: permite y asegura la continua formación de órganos y tejidos, es decir, las plantas pueden estar continuamente formando órganos y tejidos nuevos en estos meristemos, dando lugar así una morfología flexible característica de las plantas. Por tanto, la flexibilidad de las plantas viene dada por los meristemos. - Autoperpetuación: los meristemos se autoperpetúan, es decir, se mantienen a sí mismos e impiden su desaparición regenerándose continuamente así mismos mediante divisiones celulares asimétricas, que son divisiones en las que las 2 células hijas resultantes tienen diferentes destinos: → Una célula hija se mantiene indiferenciada y meristemática siempre y sustituye a la que procede. → La otra célula hija entra en un ciclo de crecimiento y diferenciación, de manera que crece y se diferencia hasta que sale del meristemo y va perdiendo la capacidad de división. Para llevar a cabo esta división celular asimétrica, existen dos mecanismos diferentes: → División celular asimétrica intrínseca: depende de señales intrínsecas, es decir, del interior de la célula madre. → División celular asimétrica por comunicación intercelular: depende de señales externas procedentes de células vecinas. Este mecanismo es muy importante, ya que el destino de las células hijas depende de su posición, la que viene determinada según las señales externas que aporten las células vecinas a las nuevas células hijas, las que responderán manteniéndose en la posición en la que están (permaneciendo en el meristemo) o desplazándose a otra posición (saliendo del meristemo). 5 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Tamaño: el tamaño de un meristemo viene dado por su número de células y, por tanto, depende de su actividad: cuando más activo esté el meristemo, es decir, cuanto más se divida, mayor será su tamaño, y viceversa. Estructura: los meristemos se encuentran dentro de la región meristemática (zona amplia de meristemos y difícil de delimitar donde tiene lugar la mayor parte de la división y expansión celular). El meristemo tiene dos tipos de células: - Las células iniciales: también llamadas células troncales, founder, madre… son aquellas células que forman el nicho de células troncales y se autoperpetúan, de manera que se dividen lentamente y una de las células hijas permanece en el nicho, mientras que la otra se convierte en una derivada inmediata. - Células derivadas más inmediatas: son aquellas células hijas que rodean inmediatamente a las iniciales y proceden de ellas. Estas células se dividen más rápidamente para formar dos células hijas derivadas (ya no derivadas inmediatas) y se diferencian y crecen para formar los tejidos y órganos. Por tanto, estas células derivadas más inmediatas y no tan inmediatas son las que sufren el alto crecimiento y diferenciación celular. Estados de diferenciación: los meristemos tienen dos estados de diferenciación que no siempre funcionan igual: un estado competente y un estado determinado. - Estado competente o de competencia: aquel estado en el que el meristemo tiene la capacidad celular para reconocer señales y empezar un programa de diferenciación celular específica mediante la activación de rutas especiales de diferenciación. - Estado determinado o de determinación (estado memoria): aquel estado en el que le meristemo tiene la capacidad para activar un mecanismo de “memoria” que se mantiene, aunque se modifiquen las condiciones que indujeron su adquisición, es decir, permite actuar cuando las señales desaparecen, induciendo finalmente a la célula en un programa de diferenciación celular específica. Esto se debe a que, cuando la planta recibe las señales, se supera un umbral que permite que se siga llevando a cabo en ausencia de dichos estímulos. Clasificación: existen dos tipos de clasificaciones de los meristemos: - Según la localización: → Meristemos primarios: son aquellos que dan lugar al cuerpo de la planta (raíz, tallo y hojas) y son los únicos que se encuentran en el embrión. Destacan entre ellos los meristemos apicales primarios (meristemo apical del tallo y meristemo apical de la raíz), que permanecen funcionales durante toda la vida de la planta y son muy activos en plantas jóvenes. Se encuentran rodeando todos los tejidos de la planta y son los responsables del crecimiento en longitud de la planta mediante el desarrollo de los órganos alargados (tallo y raíz) y producen el peridermo, el procámbiun y los meristemo basales. 6 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o Meristemo apical del tallo (SAM): su actividad suele variar con la estación del año (es más activo en primavera que en invierno, de forma que se producirán más células más en primavera) y la latitud a la que se encuentre y dura toda la vida de la planta, excepto si se produce un corte en ella, ya que se localiza en el extremo o la punta del tallo y se encuentra rodeado de los primordios1 foliares. Su zona meristemática se llama yema apical, brote apical o ápice caulinar, e incluye el meristemo, las primeras células derivadas y los primordios foliares. Por ello, las células del meristemo apical del tallo producen el tallo y, como generan las células progenitoras de los primordios foliares de las hojas y los primordios de los meristemos axilares de los meristemos axilares, produce también los órganos laterales aéreos: hojas a partir de los primordios foliares y ramas a partir de los primordios de los meristemos axilares. En cuanto a su estructura, las células del SAM tienen 3 capas celulares y 3 zonas que se superponen: ✓ Capaces celulares: se diferencian según su plano de división: L1: formada por una única capa externa, que produce la epidermis y se divide anticlinalmente (división perpendicular a la superficie del tallo). L2: se trata de una o más capas subepidérmicas (2-3) situadas entre L1 y L3 que se dividen anticlinal, y en los puntos donde tienen que formarse primordios de órganos, se dividen periclinalmente (división paralela a la superficie del tallo) para que los primordios puedan dirigirse hacia la superficie de la planta. L3: está formada por varias capas centrales que tienen una división variable y al azar según las necesidades que tenga la planta. 1 El primordio es un órgano al principio de su desarrollo cuyas células progenitoras tienen una alta división celular y están localizadas en una zona concreta de la zona meristemática. El desarrollo de un primordio conduce a la formación y al crecimiento de un órgano determinado: los primordios foliares dan lugar a las hojas y los primordios de los meristemos axilares dan lugar a estos meristemos axilares para formar las ramas. 7 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ✓ Zonas de células: presentan distintos planos de división, diferente grado de vacuolización y diferente expresión génica. Zona celular central (CZ): constituye el nicho de células iniciales SCN (células meristemáticas puras, tanto en base como en origen) y está formado por dos zonas: ▪ El centro organizador (OC): produce las células iniciales e impide que se diferencien mediante diferentes señales que manda. ▪ Las células iniciales: producen las células derivadas a partir de una lenta división celular. Zona celular periférica (PZ): es una zona de proliferación celular que rodea la zona central y produce la epidermis, los primordios de las hojas y los meristemos axilares. Zonas celular medular o basal (RZ): es una zona de proliferación celular (PZ) que se encuentra en la base del meristemo y produce los tejidos fundamentales y vasculares. LAS ZONAS DE PROLIFERACIÓN NO CORRESPONDEN CON EL MERISTEMO. También es importante destacar que los colores de las letras hacen referencia a la imagen de la derecha, mientras que la imagen inferior tiene su propia leyenda. o Meristemo apical de la raíz (RAM): este meristemo no dura toda la vida de la planta, solo hasta que las raíces laterales suplen su función. La raíz tiene cuatro zonas diferenciadas: ✓ Caliptra: protege el meristemo de daños mecánicos y produce un mucílago que favorece la penetración de las raíces. Su parte central se conoce como columnela. ✓ Zona meristemática: zona situada por encima del ápice (el ápice lo ocupa la columnela de la caliptra), en la que se encuentra el meristemo apical de la raíz, que no produce órganos laterales, solo los diferentes tejidos de la raíz principal. 8 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL En esta zona meristemática se observan 4 zonas: Nicho de células troncales: formado por dos zonas: ▪ El centro quiescente (QC): tiene pocas células iniciales que se dividen muy despacio, de forma que en este centro se producen todas las células iniciales y reprime su diferenciación mediante diferentes señales. ▪ Las células iniciales de tejidos (Stem cells): se encuentran en diferentes tejidos: ❖ Células iniciales de la columnela: se encuentran debajo del centro quiescente y son las precursoras de la columnela. ❖ Células iniciales de la epidermis y caliptra lateral: se encuentran laterales al centro quiescente y se dividen en dos tipos: las precursoras de la caliptra lateral y las de la epidermis. ❖ Células iniciales del córtex y la endodermis: se encuentran localizadas al lateral del centro quiescente y se dividen en dos tipos: las precursoras de las células del córtex y las de la endodermis. ❖ Células iniciales del cilindro vascular: se encuentran encima del centro quiescente y son precursoras del periciclo, sistema vascular y tejidos centrales basales. Zona de proliferación (PZ): en esta zona tiene lugar una gran división celular. Zona de transición: en esta zona, las células dejan de dividirse y empiezan a alargarse. Zona de diferenciación (DZ): en esta zona, las células comienzan su diferenciación. ✓ Zona de elongación: zona cuyas células están creciendo, de forma que tienen una pared celular primaria. ✓ Zona de maduración: células maduras que ni se dividen ni crecen. 9 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Meristemos secundarios: son aquellos que no se encuentran en el embrión, y, por tanto, se desarrollan tras la germinación y se forman por la actividad de los meristemos primarios, es decir, en algunos lugares de los embriones se desarrollan ahí los secundarios. Existen diferentes subtipos de meristemos secundarios: o Meristemos axilares: son aquellos que dan lugar a las ramas, y se encuentran en la parte apical de las propias ramas. o Periciclo: su actividad da lugar a raíces laterales. o Meristemos reproductores: aquellos que dan lugar a las partes reproductoras de la planta (inflorescencia2 y la flor). o Meristemos intercalares: meristemos que se localizan en los nudos de las plantas monocotiledóneas únicamente y permiten el crecimiento del entrenudo, incluso sin el meristemo apical del tallo (crecimiento sin ápice). o Meristemos laterales: son aquellos que permiten el crecimiento secundario (crecimiento en grosor) en el tallo y las raíces, de manera que son dos tipos de meristemos: ✓ Cámbium vascular: aquel que da lugar al xilema y floema secundario del tallo. ✓ Cámbium del felógeno: aquel que da lugar a la peridermis, sustituto de la epidermis, de la raíz. o Meristemoides: grupo celular pequeño que se encuentra en la superficie de la planta, sobre todo en las hojas, y da lugar a estructuras complejas y diferentes como tricomas y estomas. - Según tengan o no la capacidad de división: → Meristemos determinados: aquellos meristemos en el que todas las células dejan de dividirse y se diferencian, de forma que el meristemo no puede seguir aportando células meristemáticas y da lugar a estructuras terminales con crecimiento limitado (es decir, no pueden aumentar su número de células) y al final acaban muriendo. Por ejemplo, un meristemo determinado es el de la flor, donde todas las células se convierten en un órgano y luego no puede seguir dando más. 2 Disposición de las flores sobre las ramas o la extremidad del tallo. 10 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Meristemos indeterminados: son aquellos meristemos que mantienen la capacidad de dividirse y, por tanto, generan estructuras con crecimiento indefinido (meristemos), es decir, son los meristemos que pueden mantenerse activos durante toda la vida de la planta. Estos meristemos suponen una alternativa a la capacidad locomotora de la que carece la planta y pueden convertirse en determinados. Funciones de los meristemos: los meristemos intervienen con gran eficacia en el desarrollo de la planta, destacando sus funciones: - Mantenimiento de células indiferenciadas. - Generación de nuevos tejidos y órganos. - Comunicación de señales. Además, los meristemos dan el carácter juvenil o adulto a los órganos que proceden de el: - Meristemo juvenil: se encuentra en las partes más lejanas de la planta y no tiene capacidad de floración porque no reconoce las señales para ello, por lo que da lugar a órganos juveniles. - Meristemo adulto: tiene capacidad de floración porque reconoce las señales para ello, y, por tanto, da órganos adultos. Diferencia con animales: la existencia de este tejido diferencia los procesos de desarrollo de plantas y animales, destacando como principal diferencia el desarrollo post-embrionario de las plantas: el embrión de las plantas carece de la mayoría de los órganos y tejidos. 3. COMPONENTES DEL DESARROLLO. El desarrollo tiene dos componentes fundamentales: la diferenciación y el crecimiento, y en algunos casos, se habla también de la morfogénesis. Diferenciación: se trata de un proceso de formación de células, tejidos y órganos con estructuras y funciones especializadas en el que se producen cambios reversibles y cualitativos en la morfología y función que acompaña al crecimiento y convierte a las células meristemáticas en células con funciones específicas, es decir, que conduce a la especialización celular, donde algunas células presentan totipotencia (capacidad para proliferar y diferenciarse en otra), de forma esta diferenciación celular puede ser reversible en las plantas. Se puede estudiar a nivel celular (diferenciación celular), tisular (histogénesis) y de órgano (organogénesis), y casi todas las células están diferenciadas, excepto las del floema, ya que son células que carecen de núcleo, y las del xilema, pues son células muertas. Crecimiento: se trata de un cambio cuantitativo basado en la ganancia de volumen y masa de un organismo a consecuencia de la incorporación de materia desde el medio exterior, lo que implica aumentar el tamaño de una forma irreversible (es lo que significa crecer). El crecimiento se mide como aumento del tamaño (volumen/longitud), peso fresco (tejido vivo), peso seco (sin agua) y/o número de células (meristemos), y depende de dos procesos diferentes: 11 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL - División celular: es el resultado del ciclo celular e implica un aumento en el número de células, pero no un incremento de longitud/volumen. Este proceso se produce en el meristemo, de forma que la división celular va a depender de la actividad del meristemo. - Crecimiento celular: se trata de un proceso que produce un incremento de longitud y volumen de cada una de las células, en el que intervienen dos procesos: la expansión y la elongación de las células. → Expansión: es el aumento de tamaño en 2 o 3 dimensiones de las células, es decir, supone un incremento del volumen celular. → Elongación o alargamiento: es el aumento de tamaño en una dimensión de las células, o sea, supone un incremento de la longitud celular. Para entender la importancia de este crecimiento celular, hay que tener en cuenta que una célula vegetal puede crecer hasta 100 veces su tamaño, y en el caso de las células del xilema, hasta 1000 veces su tamaño. Entonces, el crecimiento de una planta es la suma del crecimiento de todas las células de la planta y depende de la actividad del meristemo y del crecimiento de cada una de las células que produce. De esta forma, cuanto más activo sea el meristemo, más células se producen, cada una de las cuáles se alargará y aumentará su volumen. Además, las nuevas células formadas van a empujar a las que se habían formado previamente, de forma que las células más alejadas del meristemo son las células de más edad (aunque pueden encontrarse en estado juvenil o estado adulto independientemente de su edad y su localización. De hecho, las primeras células que se formaron son las que residen en estado juvenil). Debido a este desplazamiento producido tanto en el tallo y raíz, se establezcan gradientes de crecimiento y zonas con diferente actividad desde el ápice a la base de los tallos y las raíces: ambos en el extremo tienen una zona de división celular, seguida de una zona de elongación donde las células paran de dividirse y empiezan a crecer, y tras esta, hay una zona de maduración, donde se lleva a cabo la diferenciación celular. Morfogénesis: es el conjunto de cambios graduales y progresiones en tamaño (es decir, cambios en el crecimiento), estructura y función (ósea, cambios en la diferenciación), que resulta en la formación de nuevas estructuras y determina la forma global del individuo. Evidentemente, si los órganos son diferentes, la forma del individuo también será diferente. 12 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Existe un amplio debate en si la morfogénesis es parte o no del desarrollo: - Para algunos autores, la morfogénesis es un componente del desarrollo, que se corresponde con el desarrollo de órganos que dan lugar a la forma del individuo. Es decir, morfogénesis y desarrollo son el mismo concepto, pero aplicado a diferentes escalas: el término “desarrollo” hace referencia al desarrollo celular y tisular, y el término “morfogénesis” equivale al desarrollo de los órganos y organismos completos. - Para otros autores, es equivalente al desarrollo en sí, ya que, según la definición, la morfogénesis integra y coordina la diferenciación y el crecimiento, lo que equivaldría a desarrollo. Para estos autores, el desarrollo se refiere a todos los niveles (desarrollo de células, desarrollo de tejidos, desarrollo de órganos y desarrollo de individuos completos). 4. REGULACIÓN DEL DESARROLLO VEGETAL. El desarrollo se regula por la interacción de tres grandes conjuntos de factores: Programas genéticos intrínsecos: hace referencia a aquellos genes que presenta la planta en su genoma de la planta. La importancia de estos programas reside en que contienen la información necesaria para llevar a cabo el correcto y característico desarrollo de una planta determinada. Por ejemplo, si una planta no tiene los genes que codifican las enzimas que se encargan de la biosíntesis de compuestos de color azul, la planta no puede tener flores azules). Señales: son aquellos factores capaces de modificar la expresión génica, activando o inhibiendo diferentes genes de la planta específica. Existen dos tipos de señales: - Señales internas: pueden ser de dos tipos: → Señales internas físicas: destacan el potencial de membrana o cambios en el pH. → Señales internas químicas: destacan hormonas y mensajeros secundarios. - Señales externas: el ambiente externo es muy importante en el desarrollo de la planta. Las señales externas más importantes son la luz en todas sus variantes (calidad, cantidad, duración…), temperatura (frío, calor, tiempo de duración…), gravedad, viento, estrés abiótico (disponibilidad de agua…) y biótico (animales patógenos…) … Todos estos factores no funcionan independientemente, sino que se coordinan a través de complejas redes que integran de forma aditiva, sinérgica o antagónica todas las señales que reciban para dar lugar a diferentes tipos de respuestas con el objetivo de encontrar la mejor para permitir el correcto desarrollo del individuo y su supervivencia en todo momento: los programas genéticos intrínsecos tienen determinados genes, que son activados o modificados por las distintas señales. 13 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL El desarrollo se encuentra regulado a diferentes niveles: intracelular, celular, tejido, órgano y organismos. De esta forma, se encuentran distintas señales de diferentes células, de diferentes tejidos, órganos, individuos… que tienen que ser integradas. Entonces, cuanto mayor sea el número de células del organismo, mayor dificultad presentará el desarrollo de este. Sin embargo, destacan la regulación de los componentes del desarrollo: Regulación de la diferenciación: depende, sobre todo, de programas genéticos intrínsecos y señales internas, de forma que la regulación se basa en una actividad génica diferencial controlada por redes de genes que interactúan y determina la identidad de una célula, tejido y órgano. En este caso, las señales externas no suelen ocasionar grandes modificaciones en la expresión génica (por ejemplo, es muy difícil que una señal ambiental cambie la forma de la hoja). El destino de una célula lo determina su posición en el meristemo, como ya se ha mencionado, y está regulado por la comunicación célula a célula. Hay dos mecanismos fundamentales de comunicación intercelular entre dos células vecinas: - Señalización inducida por ligando: el ligando o el compuesto señal no entra a la célula, sino que difunde por el apoplasto y llega a la célula, donde activa receptores de membrana que inducen una respuesta celular determinada. - Señalización por entrada de moléculas: la molécula señal o el compuesto químico que actúa como señal entra en la célula a través de los plasmodesmos si son células vecinas o a través de membranas si no son vecinas, activando receptores intracelulares. Regulación del crecimiento: está regulada principalmente por las hormonas y las señales ambientales: - Hormonas: modifican la expresión génica, pero no la dotación cromosómica del individuo. Por ejemplo, son hormonas las que modifican la presión de turgencia umbral y la extensibilidad de la pared celular. - Señales externas: los factores externos más importantes para el crecimiento son la luz y la sequía (si no hay agua, no se puede modificar la presión de turgencia que condiciona el crecimiento de las células). 14 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL TEMA 2 – MECANISMOS GENERALES DE SEÑALIZACIÓN CELULAR. Las señales (luz, temperatura, contacto, hormonas, nutrientes…) del ambiente o del interior de la planta, llegan al receptor que es la molécula de recibe la señal (receptor quinasa, proteína G receptora, proteínas F-box, canales iónicos…). Tras ello, hay una vía de canalización de la señal, que permite que se dé al final la respuesta, y finalmente se produce la respuesta, y tras ello, la señal se tiene que detener (atenuación de la señal). 1. PERCEPCIÓN DE LA SEÑAL. La percepción es el reconocimiento de la señal por los receptores, y se basa en la interacción de la señal con el receptor, de manera que este recibe la señal y la transforma, lo que se lleva a cabo mediante un cambio de conformación del receptor, y que hace que la señal vaya a la ruta de transducción. Los receptores son las moléculas (proteínas o pigmentos unidos a proteínas) que reciben la señal (física, química, ambiental…) de una manera específica, lo que resulta muy importante, ya que, si no distinguiera lo que está recibiendo, todo sería absurdo. Así, hay un receptor para cada señal (cada hormona tiene su receptor, por ejemplo), aunque, con menos frecuencia, hay algunos receptores que pueden recibir dos señales, e incluso hay más de un receptor para cada señal (que están en distintos tejidos). Por ello, hay miles de receptores, pero no se conocen todos. Estructura: los receptores tienen una naturaleza proteica, normalmente, aunque algunos que reciben señales externas como la luz son pigmentos, que captan esta luz, asociados a proteínas. Es decir, en el receptor siempre hay un componente proteico, el que sufre un cambio conformacional después de la interacción con la señal: - Si la señal es una molécula química: normalmente hay una unión entre la molécula química y la proteína del receptor, provocando en ella un cambio conformacional. - Si la señal se corresponde con una condición como la temperatura o la luz: no hay una unión física, simplemente esa condición provoca un cambio conformacional en la proteína. Sensibilidad celular a cada estímulo: es la capacidad de responder a un estímulo determinado, para lo que se necesita un receptor específico al estímulo y el resto de los elementos de la canalización (porque en cuanto uno de ellos falte, se corta la señal y no se obtiene respuesta). De esta forma, se diferencian dos tipos de células: - Células sensibles: aquellas que tienen receptores y elementos de la canalización para un estímulo determinado. - Células insensibles: aquellas que carecen de receptores y/o elementos de la canalización para un estímulo determinado. Entonces, no todas las células son capaces de responder al estímulo si carece de receptores y elementos de canalización correspondientes. Sin embargo, no todas las células responden de la misma manera ante un mismo estímulo: aunque tengan el mismo receptor, pueden dar una respuesta diferente ante una misma señal, debido a la utilización de vías de transducción diferente. Por ejemplo, una célula puede tener el compuesto de canalización X y sigue la línea de transducción X, mientras que la otra tiene el mismo receptor, pero va por otra vía porque tiene el compuesto de canalización. De esta manera, ante una misma señal, las respuestas son diferentes. 15 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Localización: los receptores pueden estar: - En membranas: gracias a sus dominios transmembrana, los receptores pueden encontrarse anclados en la membran plasmática, la membrana del RE y la del cloroplasto. - No situados en membrana: gracias a que algunos receptores son solubles, están situados en el citosol, núcleo, lumen… Normalmente, los receptores de las plantas suelen estar libres en el núcleo y en el citosol y, sobre todo, anclados a la membrana plasmática y la membrana del RE. Hay que tener en cuenta de que, si el receptor se encuentra libre en el interior de la célula o en el interior de un compartimento celular, así como en la superficie interna de las membranas, la señal tiene que entrar a dicha célula y/o compartimento, mientras que si se encuentra anclado a la cara externa de las membrana plasmática, la señal no tiene que entrar a la célula. Por otra parte, si hay un receptor en la membrana plasmática y la respuesta que codifica se da en el núcleo, lo lógico es que la ruta de transducción sea más larga que si tanto la recepción como la transducción se hacen en el mismo compartimento. Sin embargo, los receptores pueden moverse entre compartimentos, y a veces esto regula su actividad. Por ejemplo, el receptor de los brasinoesteroides se mueve entre la membrana plasmática y el endosoma, y no está claro si funciona en los dos sitios o solo en la membrana plasmática. En cambio, el receptor de la luz roja, que está normalmente en el citoplasma, cuando se activa, pasa al núcleo, que es donde tiene que ejercer su acción. Funcionamiento: los receptores interaccionan con la señal, produciéndose una unión a ella o no según la naturaleza de la señal, y sufren un cambio conformacional, lo que permite la transformación de la señal en algún cambio que la célula pueda detectar. De esta manera, estos cambios conformacionales hacen que se pueda activar o inhibir la ruta, y según esto, va a progresar o no la señalización. Y entonces, comienza la ruta de transducción. Tipos de receptores: - Receptores RGS: es un receptor de membrana que se mueve entre la membrana plasmática y el endosoma, pero solo actúa en la membrana plasmática, de manera que cuando se va al endosoma no es funcional, que funciona asociado a la proteína G, que es una GTP- asa (cuyo mecanismo es muy diferente al de las GTPasas animales, aunque tiene los mismos elementos), y este receptor es un acelerador de proteasas, es decir, favorece la acción de las GTPasas. Estos receptores presentan dos dominios diferentes: → Dominio RGS: es el dominio de unión a GTPpasas o proteína G y está en el citosol. → Un dominio con 7 zonas transmembrana: le permiten anclarse a la membrana. - Receptores con actividad kinasa o receptores kinasa (RK): son receptores de membrana plasmática basados en proteínas kinasas o proteín-kinasas (PK) que se caracterizan porque cuando llega la señal se activa su actividad quinasa, lo que les permite fosforilan otras proteínas (por eso se llama proteín-kinasas). El tipo más abundante son los similares a serina/treonina proteín kinasas (fosforilan o serina o treonina, RLK o Receptor like kinase). 16 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Dominios estructurales: todas las RK y RLK tienen 3 dominios: o Dominio citosólico: es el que tiene la actividad quinasa, por lo que es el dominio que es capaz de fosforilar a otras proteínas (serina, treonina, histidina o tirosina), y se encuentra en el citosol. o Dominio transmembrana: le permite al receptor estar anclado en la membrana. o Domino extracelular: es el que recibe la señal y se encuentra en la cara externa de la membrana plasmática. Hay miles de dominios extracelulares diferentes que poseen distintas características y se clasifican en función de la señal que reciban: ✓ Dominio de leucina: normalmente recibe azúcares. ✓ Dominios LRR-RLK: son dominios ricos en leucina que se repiten en tándem y aceptan hormonas. ✓ Otros dominios sirven para péptidos según su función. Hay muchas señales que funcionan a través de RLK, pero cada señal tiene su propio receptor RLK en función del dominio extracelular. → Funcionamiento: todos reciben la señal extracelular en función del dominio que tenga, lo que ocasiona que cambian de conformación, lo que hace que muchos de ellos o la mayoría formen dímeros. Este cambio de conformación activa la actividad proteín- quinasa, permitiéndoles fosforilar así a la siguiente proteína de la ruta, llamada proteína diana, en el citosol (en algunos casos hay autofosforilación de los receptores). Esta fosforilación activa o inhibe la proteína diana, de manera que comienza la señalización: en función de si se activa o se inhibe la proteína diana, se sigue la ruta o no, y en función de cuál sea la proteína diana fosforilada que hay en cada célula, la ruta puede tirar a uno sitio u a otro, porque esta proteína diana va a interactuar con la siguiente, que luego interactuará con la siguiente, hasta finalizar la ruta. - Receptores del sistema kinasa híbrida: se trata de receptores de membrana del retículo endoplasmático y son un tipo especial de receptores proteín-kinasas que presentan una actividad histidina quinasa autofosforilante. Estos receptores se llaman así porque son muy parecidos a los receptores del sistema regulador de dos componentes bacteriano. → Componentes y estructura: los receptores están asociados a un sistema de transducción de la señal específico y basado en fosforilaciones de diferentes componentes, de manera que la fosforilación cambia la conformación, y, por tanto, la actividad de las proteínas: o Sistema bacteriano: se encuentra el receptor bacteriano asociado a un sistema es de un único componente, es decir, solo tiene el receptor y otra proteína. ✓ Receptor del sistema bacteriano: tiene tres dominios: Dominio de entrada: también se conoce como dominio exterior en la bacteria. Siempre que este dominio interacciona con la señal, se va a dimerizar, es decir, dos moléculas de receptor se van a unir. Dominio transmembrana: le permite anclarse a la membrana. Dominio transmisor: es un dominio citosólico que tiene la actividad proteín- kinasa autofosforilante, es decir, un monómero fosforila al otro monómero del dímero, y esto es lo que activa al receptor. En este caso, siempre se fosforila en una histidina, que es la H que está en el dominio transmisor del dibujo. 17 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ✓ Proteína reguladora de la respuesta: se encuentra en el citosol y tiene 2 dominios: Dominio receptor: recibe la señal del sensor y se activa por fosforilación en un ASP (recibe el fosfato del dominio transmisor en un aspártico, D en la imagen), lo que hace que toda la molécula cambie de conformación. Dominio de salida: gracias a este cambio de conformación ocasionado por la fosforilación del dominio receptor, se activa y provoca la respuesta, que en el caso de las bacterias son cambios en la expresión génica. o Sistema kinasa híbrida: se encuentra el receptor bacteriano asociado a un sistema es de al menos dos componentes: ✓ Receptores del sistema kinasa híbrida: tiene 4 dominios, tres de los cuales comparte con los receptores bacterianos. Dominio de entrada: es el dominio de reconocimiento de la señal, y en plantas, este dominio está hacia el lumen del RE, de forma que la señal tiene que entrar en el retículo endoplasmático para poder interaccionar con su receptor. Siempre que este dominio interacciona con la señal, se va a dimerizar, es decir, dos moléculas de receptor se van a unir. Dominio transmembrana: le permite anclarse a la membrana. Dominio transmisor: es un dominio citosólico que tiene la actividad proteín- kinasa autofosforilante, es decir, un monómero fosforila al otro monómero del dímero, y esto es lo que activa al receptor. En este caso, siempre se fosforila en una histidina, que es la H que está en el dominio transmisor del dibujo. Dominio receptor: es un dominio citosólico que recibe el grupo fosfato del dominio transmisor en un aspártico (D en la imagen). ✓ Histidina fosfotransferasa o fosfotransmisora: es un elemento intermedio basado en una proteína que toma el grupo fosfato del dominio receptor del receptor y, gracias a su pequeño tamaño, lo va a transportar a lo largo de toda la célula hasta que encuentre último elemento, la proteína reguladora de la respuesta. 18 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ✓ Proteína reguladora de la respuesta ARR (Arabidopsis regulator response): es una proteína nuclear que puede tener uno o dos dominios, de manera que, en un principio (porque las plantas tienen además algunos ARR con un solo dominio), recibe el fosfato de la histidina fosfotransferasa, de manera que es fosforilada. → Funcionamiento: una vez se ha activado el receptor y está fosforilado en el aspártico, sigue una cascada de fosforilaciones de los siguientes componentes, más compleja en plantas que en bacterias. - Receptor F-box: son receptores solubles y móviles, por lo que pueden moverse por las células, que forman parte del complejo multiproteico SCF o proteína E3, donde se encarga de reconocer específicamente la proteína diana, de manera que según el F-box, el complejo actuará sobre una proteína diferente. Por ello, se nombra al complejo SCF con un superíndice correspondiente al tipo de receptor F-box: SCTTIR1… Este complejo SCF trabaja en un sistema complejo de marcaje y degradación de proteínas junto al complejo proteico del proteosoma 26S: → Reconocimiento y marcaje de las proteínas diana: mediante la poliubiquitinación. El complejo SCF del que forman parte estos receptores F-box tiene al menos 3 proteínas: SKP, CUL y F-box (de ahí vienen las siglas), que, en conjunto de las tres proteínas que lo forman, tiene una actividad ubiquitina-ligasa-E3, pero hace falta que estén todas estas proteínas, que añade varias ubiquitinas a una proteína, por eso se habla de que presenta un mecanismo poliubiquitinación en el que participan 3 proteínas: E1, E2 y E3 (complejo SCF). o Una molécula de ubiquitina se conjuga con la proteína E1 (enzima activadora de ubiquitina) con gasto de energía en forma de ATP. o Una vez que la ubiquitina está unida a la proteína E1, este la transfiere a la E2 (enzima conjugadora de ubiquitina). o Cuando la E2 está ubiquitinada, se une al complejo SCF, que es la ubiquitina-E3 ligasa. Así, cuando F-box reconoce e interacciona con la señal, este receptor se activa y reconoce y recluta la proteína diana, de manera que el complejo SCF le cede la ubiquitina de la E2, y, tras varias rondas, la proteína diana es poliubiquitinada. 19 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Degradación de las proteínas marcadas: las proteínas poliubiquitinadas son reconocidas por el complejo proteico del proteosoma 26S, que se encarga de llevar a cabo la degradación de la proteína en péptidos, liberando la ubiquitina para que vuelva a ser captado por E1 y cierre así el ciclo. Entonces, la respuesta a la señal por lo tanto es degradar una proteína. De esta forma, la acción del complejo SCF y proteosoma 26S se trata de un sistema de marcaje y degradación de proteínas: el complejo SCF reconoce específicamente y marca las proteínas diana mediante poliubiquitinación, lo que le dice al proteosoma 26S que hay que degradarla. Este sistema se encuentra en el principio de las rutas de transducción, pero también va a participar en muchos procesos de la señalización. Estos cambios (fosforilación, ubiquitinación…) es lo que se conoce como transformación de la señal. 2. TRANSDUCCIÓN. La transducción o canalización es toda la señalización intracelular basada en redes o rutas de modificaciones encadenadas en diferentes moléculas, conocidas como elementos de la ruta, que se producen debido a los cambios ocasionados en el receptor provocados por la señal y que finalizan en una respuesta que da la célula a esta señal, es decir, son todos los procesos intermedios entre la recepción y la respuesta a la señal. Esta transducción se caracteriza por los siguientes puntos: Amplificación de la señal: en algunos casos, en esta transducción de la señal se produce una amplificación de la misma, la que se consigue generando más producto por unidad de señal que llegan (por ejemplo, viene una señal, y se producen 25 productos como consecuencia de esa señal, y cada uno de ellos prosigue en su ruta, haciendo que una molécula inicial señal provoque 25 rutas de señalización), lo que es muy importante en la respuesta hormonal, ya que en función de si no hay amplificación, se necesitará más concentración de las respectivas hormonas para que pueda funcionar un proceso determinado. Integración de la señal: en estas rutas de transducción hay procesos de regulación cruzada entre las rutas de las diferentes señales, que pueden ser positivos o negativos, y esta regulación es lo que permite integrar las señales y dar una respuesta única, de manera que, si a una serie de receptores llegan distintas señales, empiezan las respectivas rutas de transducción y se pueden integrar a este nivel, dando al final una respuesta única. Longitud de la ruta de transducción: las rutas de transducción presentan una duración variable, ya que esta depende del número de pasos intermedios que haya que llevar a cabo, y según donde se reciba la señal y donde se produzca la respuesta, este número de pasos intermedios serán mayor o menor. Por otra parte, en general son muy rápidas, muy sensibles (normalmente necesitan poca cantidad de señal para funcionar) y muy específicas (cada ruda responde a una señal). 20 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Elementos de la ruta: en estas rutas existen elementos activadores y represores de la respuesta, de manera que: - Si la señal activa un represor: se inhibe la respuesta. - Si la señal inhibe un activador: se inhibe la respuesta. - Si la señal activa un activador: se activa la respuesta. - Si la señal inhibe un represor: se activa la respuesta. La mayoría de las rutas vegetales se basan en la supresión o eliminación de un represor de naturaleza proteica que, en condiciones normales, se encontraba impidiendo la ruta, y, por tanto, la respuesta, de forma que la señal elimina el represor y la ruta, y con ello la respuesta, tiene lugar. Para eliminar este represor, la planta tiene diferentes mecanismos: - Inactivación: se basa en modificar la conformación de la proteína por cambios bioquímicos que la inactiven, como puede ser fosforilación. - Redristribución o compartimentación: consiste en secuestrar al represor en un compartimento donde no pueda llevar a cabo su función. Por ejemplo, si el represor actúa en el núcleo y es reclutado al citoplasma, no puede ejercer su efecto. - Degradación: se basa en la rotura del represor por acción del sistema ubiquitina- proteosoma. Por ejemplo, en la ruta de las auxinas, hay un factor de transcripción (ARF) que está bloqueado por un represor (AUX/IAA), y cuando llega la hormona, se degrada este represor y el factor de transcripción puede dimerizar y unirse al gen, activando así la transcripción de este. La ventaja de la regulación negativa es que se trata de una respuesta más rápida, lo que es muy útil ante condiciones ambientales adversas, como puede ser una sequía repentina. De hecho, las plantas han fijado estos mecanismos a lo largo de la evolución porque la planta que los poseía era la que más deprisa respondía, y, por tanto, la que tuvo más posibilidades de sobrevivir. Hay dos grandes grupos de elementos que realizan la transducción de la señal: los segundos mensajeros y las proteínas. 21 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL - Segundos mensajeros: son moléculas de orgánicas o iones metálicos de naturaleza diversa que se producen por la activación de una encima y se movilizan en grandes cantidades (es decir, va a haber amplificación de la señal con estos segundos mensajeros) tras la recepción de la señal, por lo que actúan como una señal intracelular del tipo señal secundaria (la primaria es la que se une al receptor) transitoria (porque su concentración aumenta con la llegada de la señal primaria y disminuye en la atenuación de dicha señal) y es capaz de cambiar la actividad de la una proteína diana, que es la que va a seguir la transducción. Ya se ha mencionado que estos segundos mensajeros tienen una naturaleza muy diversa, pudiendo ser: → Iones y moléculas inorgánicas: calcio, óxido nítrico (NO), protones, radicales libres de oxígeno (ROS)… o Calcio (Ca2+): es un segundo mensajero fundamental porque aparece en muchas rutas de señalización como punto central y punto de confluencia (las variaciones del calcio citoplasmático puede ser el punto de unión de rutas). ✓ Elementos de la ruta de señalización del calcio (Ca2+): Canales de calcio (Ca2+): son canales proteicos que se encuentran en la membrana plasmática y en la membrana del tonoplasto y del retículo endoplásmico, de manera que permiten la entrada de forma pasiva del calcio a la célula y la salida de forma pasiva del calcio del tonoplasto y del RE al citosol. Estos canales pueden ser receptores directos de señal, de manera que se activan cuando interactúan con ella, como por unión a ligando, o pueden ser canales que se activan porque la señal provoca algún cambio en ellos, como una fosforilación, o en otra estructura celular, como cambios en la polaridad de la membrana, que los activa. Bombas de calcio: son bombas de distinto tipo (bombas dependientes de ATP, bombas antiporter H+/Ca2+…) que se encuentran en la membrana plasmática y en la membrana del tonoplasto y del retículo endoplásmico, de manera que permiten la salida de forma activa del calcio de la célula y la entrada de forma activa del calcio al tonoplasto y al RE del citosol. Sensores de calcio o proteínas sensoras de calcio: son proteínas que se activan mediante su unión al calcio (Ca2+) y prosiguen con la señalización intracelular de la ruta sobre sus proteínas diana, bien mediante modificaciones de estas como fosforilación o bien uniéndose a ellas. Las proteínas sensoras de calcio son muy numerosas porque es un punto muy importante en la señalización: 22 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ▪ Calmodulina (CaM) o calmodulina-like: es una proteína de unión al calcio que no tiene actividad enzimática y actúa uniéndose a la proteína diana. De esta manera, cuando llega el calcio, este se une a la calmodulina o calmodulina-like y forma lo que se llama el complejo Ca-Calmodulina o Ca-Calmodulina-like, el que se va a unir a la proteína diana, modificando así la conformación de esta diana, lo que hace que prosiga la señalización. ▪ Proteín-kinasas dependientes de calcio (CDPK, Calcium dependent proteín-kinases): son proteín-kinasas que cuando se unen al calcio se activan y fosforilan las proteínas diana, de manera que esta fosforilación es lo que va a hacer que prosiga la señalización. ▪ Proteín-kinasas dependientes de calcio/calmodulina (CCaMK): una vez el calcio se ha unido a la calmodulina para formar el complejo calcio- calmodulina, este complejo se une a esta proteín-kinasa dependiente de calcio/calmodulina, la que se activa y fosforila la proteína diana, y así sigue la señalización. ▪ Proteínas similares a calcineurina B (CBL) en concierto con CIPK (CBL interaction protein-kinasa): la proteína similar a calcineurina B (CBL) interacciona con la CIPK, y normalmente, también se unen al calcio o al complejo Calcio-Calmodulina, de manera que se activan y fosforilan las proteínas dianas correspondientes, pudiendo así proseguir la señalización. Las proteína diana son múltiples: factores de transcripción, otras proteín- kinasas, bombas de calcio, canales iónicos, enzimas productoras de ROS… Existen diferentes proteínas sensoras de calcio que se activan por diferentes señales, de manera que la planta es capaz de distinguir entre las diferentes estas señales, y en función de eso se activaran unos sensores distintos, lo que hará que la señalización prosiga de una manera o de otra. ✓ Funcionamiento: cuando llega la señal correspondiente, los canales de calcio se activan y se abren, de forma que el calcio entra en el citoplasma celular, bien por la entrada desde el apoplasto o bien por la salida del tonoplasto y del RE, aumentando así la concentración de calcio (Ca2+) en el citosol. Así, se produce una fluctuación de este calcio citoplasmático que es variable en tiempo y amplitud en función de la señal que se conoce como firma de calcio, que es lo que realmente percibe la célula. Este cambio en la concentración del calcio hace que se activen las proteínas sensoras del calcio mediante su unión a este ion, y una vez que estas se activen, actúan sobre proteínas diana, bien por uniéndose a ellas o simplemente fosforilándolas. Estas proteínas diana modificadas prosiguen la señal. Tras ello, se activan las bombas, de manera que se produce la salida del calcio al apoplasto y el secuestro de dicho ion al tonoplasto y al RE, disminuyendo así los niveles de calcio en el citosol. 23 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL En la primera imagen, la señal es recibida por un receptor RDK, que fosforila los canales iónicos de calcio, de manera que entra el calcio y se produce la firma de calcio, de forma que las proteínas sensoras CAM, CML, CBL y CDPK se unen al calcio y actúan produciendo la respuesta. En la segunda imagen sucede lo mismo solo que existen muchos más canales. Además, también se refleja que el calcio puede salir al citoplasma desde el exterior y desde el RE. o Especies reactivas de oxígeno (ROS): se generan por reducción parcial del oxígeno por enzimas formadoras de ROS, que se tienen que activar como consecuencia de la señal. Las más implicadas en los procesos de señalización en plantas son las NADPH oxidasas, que se encuentran en la membrana plasmática y transfieren electrones desde el NADPH al oxígeno (O2) para formar el radical superóxido (·O2-), el que se convierte en peróxido de hidrógeno (H2O2) a través de las peroxidasas y las superóxido dismutasas que hay en la pared celular. Este peróxido de hidrógeno puede atravesar las membranas o pasar por las acuaporinas y llegar al citoplasma, donde va a actuar. Algunas de estas enzimas NADPH se regulan por fosforilación, de manera que pueden actuar antes o después del calcio, y otras por unión al calcio, de forma que, en este caso, actúan después de la señalización del calcio, es decir, las especies reactivas de oxígeno se producen después de la señalización del calcio, aunque otras veces es al revés. Pero por lo general, se dice que estas enzimas parecen actuar después del calcio. Las posibles proteínas dianas de estas especies no son proteínas concretas, sino que son aquellas proteínas que tienen unas características concretas, destacando proteínas con tipos de grupos que son susceptibles de ser modificadas por estas especies reactivas de oxígeno, como las proteínas con grupos tiol, es decir las que tienen cisteína que forman puentes disulfuro, o las proteínas con aquellos grupos que pueden presentar entrecruzamientos oxidativos (fenoles de la pared celular…). 24 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o pH (concentración de protones): es más importante a nivel extracelular, porque a nivel intracelular se tampona muy fácil y rápidamente. Sin embargo, no se conoce muy bien cómo cambia el pH ni los pasos siguientes. Hay cuatro mecanismos que sigue el pH para modificar la ruta de señalización: ✓ Cambios en la protonación de ácidos débiles: según el pK y el pH, los ácidos débiles pueden estar en la forma neutra, donde están protonadas y son moléculas de pequeño tamaño y sin carga que pueden atravesar las membranas, o en la forma cargada, donde están desprotonadas y tienen carga positiva, la que les impide atravesar la membrana. De esta manera, según el pH se producen cambios en la protonación que facilitan su capacidad de atravesar membranas variando su capacidad neutra y cargada (protonada o desprotonada). Esto supone un control en la entrada de la célula, porque pequeñas hormonas protonadas pueden entrar en la célula, mientras que desprotonadas no. ✓ Activación directa de canales de potasio y acuaporinas. ✓ Unión de péptidos a receptores dependiente del pH. ✓ Activación enzimática por modificación del pH. ACCIÓN CONJUNTA DE Ca2+, pH y ROS. 1. Señalización del calcio: el canal de calcio se activa y se, de forma que el calcio (Ca2+) entra en el citoplasma desde el apoplasto. 2. Este calcio (Ca2+) se une a los sensores de calcio (calmodulina, CDPK, CIPK…), que se activan. 3. El calcio (Ca2+) unido a la calmodulina se une a una bomba de calcio que permite la entrada del ion al núcleo, de manera que disminuye la concentración de calcio en el citoplasma y aumenta en el núcleo, donde el calcio se une a las proteínas sensoras de este núcleo (CaM, CDPK), que activan unos factores de transcripción (TF) que regulan los genes, de forma que va a haber genes que se inhiban o se activen. 4. La acumulación de calcio (Ca2+) produce un cambio en el pH, debido a la acción de la bomba de H+/OH. 5. La NADPH oxidasa se activa por fosforilación y por unión al calcio que le cede la CDPK del núcleo, de manera que el oxígeno molecular (O2) del apoplasto se va a convertir en radical superóxido, el que va a formar peróxido de hidrógeno (H2O2). 6. El peróxido de hidrógeno generado entra en la pared celular y va a generar las especies reactivas de oxígeno (ROS), aumentando su concentración en el citoplasma. 25 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o Óxido nítrico (NO): es un compuesto gaseoso que actúa como segundo mensajero, ya que está implicado en rutas de señalización del ácido abscísico (ABA. Para algunos, el óxido nítrico es una hormona, pero como se trata de un compuesto inorgánico y las hormonas son compuestos orgánicos, no podemos considerarla una hormona. En plantas, no está clara ni su síntesis ni qué se tiene que activar para que se produzca, pero parece que existen dos rutas: ✓ Síntesis enzimática por la nitrato reductasa: desde nitratos y nitritos. ✓ Síntesis no enzimática en medio ácido: en la pared celular, el NO se forma por protonación y reducción de nitritos. Una vez que se produce el óxido nítrico, su mecanismo de acción se basa en la modificación de proteínas diana: bien lleva a cabo hidroxilación de otras proteínas o metales, o bien produce una nitración de tirosinas en aquellas proteínas que dispongan de este aminoácido. Estos cambios en las proteínas cambian su conformación y hacen que siga la ruta de señalización. → Derivados de lípidos: todos los lípidos que intervienen en la señalización hoy en día proceden de la ruptura de los fosfolípidos y esfingolípidos de las membrana plasmática por acción de las fosfolipasas, las que están en la membrana plasmática, de manera que cuando llega la señal se activan estas fosfolipasas, buscan a su sustrato en la membrana y lo rompe, dando lugar al derivado del lípido que va a actuar como segundo mensajero. Los cuatro más importantes que se producen en plantas son los siguientes: o Lisofosfolípidos: son los primeros que se producen por acción de la fosfolipasa A (PLA) y por las Acil hidrolasas cuando se activan. Parece que están relacionados con la regulación de las bombas de protones, por lo que serían responsables de una acidificación del apoplasto. o Inositol trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG): estos dos derivados lipídicos se producen por acción de la fosfolipasa C (PLC) sobre el compuesto específico fosfatidil inositol bifosfato (PIP2), compuesto muy poco frecuente en la membrana plasmática de la planta. Están relacionados con la regulación de los flujos de calcio: ✓ IP3: está relacionado con la apertura de canales de calcio. ✓ DAG: activa sensores de Ca del tipo proteín-kinasas (PK). 26 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o Ácido fosfatídico: se produce por acción de la fosfolipasa D (PLD), y, por eso, tiene la característica de que es una molécula carga negativamente, de forma que sus proteínas dianas son proteínas con carga positiva, en su mayoría. Una de sus acciones principales es modular la dinámica del citoesqueleto, lo que modifica muchas cosas como la localización de los cloroplastos o la inhibición de crecimiento de las células. → Otros compuestos: agentes rédox (glutation, ácido ascórbico…) y nucleótidos cíclicos (GMPc, AMPc, ADPRc…). o Nucleótidos cíclicos: tanto el GMPc como el AMPc pueden interaccionar con calcio (Ca2+), pero también hay proteínas sensoras de nucleótidos cíclicos, es decir, hay proteínas que se unen a estos nucleótidos y modifican su conformación para seguir con la señalización. En animales, el más importante es el AMP cíclico, pero en plantas, el más importante es el GMPc, y las dos se forman por acción de ciclasas: el GMPc por la acción de la guanilato ciclasa (tmGC) desde GTP, y el AMPc por la acción de la adenilato ciclasa (tmAC) desde ATP. En el primer esquema se observa como el estímulo activa el complejo receptor, que activa la GC kinasa para formar GMPc a partir de GTP. Este GMPc provoca la modificación del canal de calcio, de manera que se produce la entrada celular de este ion, el que activa la NADPH oxidasa que genera ROS, produciendo un cambio en la expresión génica de la célula. Además, el calcio se une a la calmodulina, de manera que pueden modificar la expresión génica. - Proteínas: pueden participar en las rutas de señalización llevando a cabo dos acciones principales: → Produciendo segundos mensajeros: son las enzimas que los producen, como las fosfolipasas, ciclasas (adenilato ciclasa, guanilato ciclasa) … o aquellas proteínas que permiten la aparición de moléculas que inducen la formación o desactivación de estas enzimas, como los canales… 27 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Actuar directamente: teniendo un papel en la concentración de proteínas: proteín kinasas (PK), proteínas fosfatasas (PP), GTPasas, sistema ubiquitina-proteosoma, factores de transcripción, proteína 14.3.3., proteínas sensoras de calcio como calmodulina… o Proteín-kinasas (PK): son enzimas muy importantes que añaden grupos fosfato a diferentes proteínas a partir de ATP. Son muy abundantes (Arabidopsis tiene 1900 genes que codifican para proteín-kinasas) y provocan cambios conformacionales. Como es una enzima, en general amplifican la señal y pueden ser ellas mismas activadoras o represoras de la ruta de señalización, pero, además, la fosforilación que producen sobre otras proteínas puede activar o reprimir a otros proteínas activadoras o a otros represoras. Un grupo especial de proteín-kinasas del tipo Ser/Thr son las MAPK: son tres PK especiales porque actúan sobre los aminoácidos de serina y treonina en una cascada en la que se fosforilan unas a otras en una secuencia específica en el caso concreto de las de plantas, es decir, actúan en serie. ✓ MAP3K o MAPKKK: es la primera que recibe la señal, de manera que es fosforilada y se activa, lo que le permite transferir un grupo fosfato del ATP a la MAP2K o MAPKK, formando así ADP. ✓ MAP2K o MAPKKK: recibe el grupo fosfato por acción de la MAP3K, lo que la activa y permite que pase otro grupo fosfato de una molécula de ATP a la MAP1K o MAPK, liberando ADP. ✓ MAP1K o MAPK: recibe un grupo fosfato por acción de la MAP2K, de manera que se activa y modifica la proteína diana para seguir la señalización, ya fuera de la cascada. La ventaja de estas MAPK es que los distintos elementos se pueden mover gracias a que tener la cabeza soluble, y pueden ir a distintos sitios, de manera que las cascadas de MAPK, que son muy frecuentes en señalización por ácido abscísico, pueden ser puntos de convergencia de la señalización. o Las proteínas fosfatasas (PP) quitan el grupo fosfato a una proteína, y en muchos casos actúan como antagonistas de las proteínas quinasas, consiguiendo así una regulación bastante especial. Sin embargo, no siempre funcionan como antagonistas, y algunas de estas proteínas fosfatasas se sitúan formando complejos con el receptor de algunas señales, como es el caso del receptor del ácido abscísico (ABA), por lo que se pueden encontrar al principio, al final o entre medias de la ruta. 28 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o GTPasas: son proteínas relacionadas con la degradación de GTP que se dividen en dos tipos: ✓ Proteína G: es una proteína que está unida a la cara interna de la membrana citoplasmática y se basa en una GTPasa heterotrimérica que tiene tres subunidades diferentes: Subunidad β (proteína Gβ): tiene sus propias proteínas diana. Subunidad γ (proteína Gγ): tiene sus propias proteínas diana. Subunidad α (proteína Gα): es un dominio que permite la unión del complejo a GTP/GDP. De esta forma, cuando esta subunidad α está unida a GTP, la proteína G está activa y puede actuar con los siguientes elementos de la señalización, mientras que, si está unida a GDP, no está activa. Entonces, la regulación de la proteína se basa en controlar la actividad de este dominio α, y es característica la capacidad que tiene esta proteína de autoactivación y autoinhibición: la proteína G es capaz de intercambiar espontáneamente GDP por GTP y viceversa, de manera que, en función de las condiciones y lo que necesite la célula, llevará a cabo un cambio o el otro. Además, la proteína G es capaz de interaccionar con el receptor RGS, pero no todas las proteínas G pueden llevar a cabo esta interacción. Esto depende del tipo de subunidad G que tengan, ya que hay dos: ▪ Proteína Gα canónica: es la que funciona como se espera de ello, es decir, esta proteína Gα se une RGS a través del dominio RGS de este. Es importante destacar que cuando esta proteína Gα canónica está unida al receptor RGS pierde su capacidad de transformar el GDP en GTP, por lo que no puede autoactivarse cuando esté unida a GDP, es decir, cuando esté inactiva. En este caso, la señalización funciona de la siguiente manera: para los que consideran que RGS es un receptor, este RGS recibe el ligando, lo que hace que se fosforile, y para los que no consideran que es un receptor, hay un receptor que inicia una cascada de señalización que activa una proteín- kinasa que fosforila RGS, de manera que la final, bien directa o indirectamente, RGS acaba fosforilado. Esta fosforilación provoca un cambio de conformación del receptor que le impide unirse a la proteína G, de manera que se suelta de la proteína G, y cuando se separa, recupera la capacidad de intercambiar GDP por GTP, de manera que convierte en GDP en GTP y se activa, lo que provoca la separación de la subunidad Gα de las subunidades Gβ y Gγ, las que se mantienen unidas, de manera que cada una de estos tanto la subunidad Gα como el dímero Gβ y Gγ siguen la ruta de señalización sobre sus respectivas dianas. 29 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL ▪ Proteína Gα extragrande (XL Gα): esta proteína no se une a RGS, pero está asociada a un receptor RLK, de manera que mientras está unida a un receptor RLK, no está fosforilada, pero llega la señal correspondiente activa este receptor RLK, el que fosforila la Gα extragrande. Una vez que esta proteína Gα se fosforila, sufre un cambio de conformación que hace que se separa del receptor RLK, lo que permite que se active y pueda seguir la señalización mediante las subunidades Gα y las subunidades Gβ y Gγ. Algunos autores dicen que esta proteína Gα extragrande nunca está en la unida a GDP, siempre está en la forma GTP, pero es disfuncional cuando está unida al receptor RLK, mientras que se vuelve funcional cuando está separada. Es decir, no se tiene convertir el GDP en GTP y autoactivarse, sino que siempre está activa, pero está inhibida por RLK. ✓ GTPasas de pequeño tamaño: se piensa que actúan en la transducción de la señal y en función de esta, pero hay pocas GTPasas de pequeño tamaño que se sepa sobre ellas. Hay 93 en Arabidopsis. o Sistema ubiquitina-proteosoma: es un sistema formado por el complejo SCF o ubiquitina-ligasa-E3 y el proteosoma 26S que permite controlar la ruta de señalización mediante la degradación de sus componentes proteicos (mecanismo ya explicado anteriormente), de manera que, en la señalización, sirve para degradar represores, activando así la señal, o para degradar activadores, apagando así la señal. Este sistema funciona en la recepción (el complejo SCF tiene como uno de sus componentes la proteína receptora F-box), en la canalización y atenuación o apagado de la señal. 30 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL o Factores de transcripción: son proteínas de unión al DNA que actúan como reguladores de la expresión génica, ya que se unen al promotor de los genes a través de secuencias concretas cis para modular su actividad, bien funcionando como activadores o como inhibidores de su expresión génica. Los genes que codifican factores de transcripción se conocen como genes reguladores, y estas proteínas tienen tres dominios: ✓ Un dominio de unión al DNA. ✓ Un dominio activador: es el que interacciona para llevar a cabo la modulación de los genes. ✓ Un dominio de dimerización: muchos factores de transcripción actúan en dímeros. En un proceso de señalización, la actividad de los factores de transcripción se controla de la siguiente forma: ✓ Por síntesis de novo: se puede controlar la presencia de un factor de transcripción por su síntesis de novo del y su ausencia por su degradación. De esta forma, cuando llega la señal correspondiente, se produce la síntesis de una proteín-kinasa que no estaba en la célula, o la síntesis de un fator de transcripción que tampoco estaba en la célula, y, por lo tanto, el control de este factor de transcripción se basa en sintetizarlo o no sintetizarlo. ✓ Por activación proteica: el factor de transcripción puede ser una proteína que se produce de forma constitutiva, es decir, en todo el momento del desarrollo, por lo que va a estar siempre presente en la célula, pero su actividad se controla mediante su activación o su desactivación por fosforilaciones, desfosforilaciones, dimerización… de manera que de normal puede estar activado, pero al llegar la señal sufre unas modificaciones que lo inactiva, y viceversa, en condiciones normales puede estar inhibido, y la llegada de la señal permite su activación. Esta sería una respuesta mucho más rápida. La planta es un organismo multicelular y tienen que responder de forma integral, sincronizada y coordinada a todas estas señales. Además, estas señales no funcionan solo a nivel celular, sino que se transmiten en diferentes escalas físicas, en la distancia y en el tiempo, de manera que hay una forma de avisar al resto del organismos de que la planta está respondiendo a esas señales, consiguiendo así el desarrollo sincronizado. Transducción en el espacio: las plantas pueden comunicarse por diferentes tipos de señales entre espacios de longitud muy variables, desde nanómetros hasta decenas de metros, tanto dentro de la planta como entre diferentes plantas y organismos de otros reinos que se encuentren próximos a ellas. De esta forma, se pueden diferenciar dos tipos de comunicación: - Comunicación a larga distancia: aquella que se da en grandes espacios. → Comunicación entre órganos de una misma planta: mediante señales eléctricas por despolarizaciones transitorias de las membranas producidas por cambios en los canales iónicos de voltaje, osmóticas, químicas… Un ejemplo de esta comunicación es la que se da entre hojas y el meristemo o la parte aérea y las raíces. 31 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL → Comunicación entre plantas: hay dos tipos de comunicaciones: o Comunicación por volátiles: las plantas producen volátiles que viajan por la atmósfera hasta llegar a otras plantas. o Comunicación por exudados: los exudados son compuestos que se liberan por las raíces de la planta hacia el suelo por las pudiendo así comunicarse con otras plantas próximas a ellas. → Comunicación con organismos de otros reinos: suele ser con volátiles, útiles para avisar a insectos de distintos factores. Por ejemplo, cuando una oruga se está comiendo una hoja, la planta secreta los volátiles para llamar a las avispas a que se coman a la oruga. - Comunicación a corta distancia: aquella que se da en pequeños espacios dentro de la misma planta: → Comunicación entre células vecinas: mediante señales químicas que se desplazan a través de plasmodesmos. → Comunicación entre células de un órgano/tejido: un ejemplo de ello es el gravitropismo, donde todas las células de la raíz responden frente a la gravedad. Transducción en el tiempo: en cuanto al tiempo, la duración desde que llega la señal hasta que se da la respuesta es muy variable: - En milisegundos: es el caso de las señales electroquímicas, como en las plantas carnívoras, que, si los pelos se van tocando cada x tiempo, saben que hay una mosca y así lo diferencian del viento. - En horas: por transcripción y traducción, como la emisión de volátiles. - En meses: por cambios epigenéticas, como la vernalización (floración de plantas en primavera porque han tenido frio en el invierno). - En años: por morfogénesis, como la dormición de semillas o crecimiento de árboles en condiciones adversas (si un árbol en el inicio de su vida recibe viento, hace que cambie toda su morfología para evitar que en un futuro se vuelque). 3. RESPUESTA CELULAR. La respuesta celular es aquella acción final que produce la célula como consecuencia de la llegada de un estímulo al receptor y de la realización de la ruta de transducción provocada por este estímulo. Es importante entender que la respuesta de mismas células ante un mismo estímulo no tiene por qué ser igual, porque va a depender de los receptores y transductores que se encuentren en ellas: las células pueden tener distintos receptores y/o elementos de la transducción, de manera que si esta célula tiene un receptor y una ruta de transducción la respuesta será una, pero si la otra célula sigue otra ruta, dará una respuesta diferente. En función del tiempo que tarda en darse producirse la respuesta desde que llega la señal, la respuesta esta puede ser de dos tipos: lenta o rápida. Respuestas rápidas: son aquellas basadas en la modificación en flujos iónicos y activación de moléculas y proteínas (postraduccional), de manera que no necesitan modificación de la expresión génica, llevando así menos tiempo realizarlas. 32 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Respuestas lentas: son aquellas que se basan en la modificación en la expresión génica (transcripcional), de manera al llegar la señal, se activan/inhiben (en algunas ocasiones, la respuesta implica que un gen se inhiba, no siempre la respuesta se debe a que un gen se active) unos genes y se produce el RNA mensajero correspondiente que es traducido en los ribosomas para codificar sus proteínas. Tras ello, estas proteínas tienen que sufrir las modificaciones postraduccionales y, una vez son funcionales, se produce la respuesta. Las respuestas lentas son las más estudiadas, y en todas ellas, las últimas proteínas que participan son los factores de transcripción, por lo tanto, en todas las respuestas lentas justo antes del cambio en la expresión génica, se modifican, por activación o por inactivación, los factores de transcripción que actúan sobre estos genes responsables de la respuesta. Cuando se habla de los genes que responden a una señal, estos genes pueden ser: - Genes de respuesta primaria o genes tempranos: se expresan antes estos genes tempranos porque se regulan por factores de transcripción preexistentes, por lo que no requieren síntesis de factores de transcripción, solo tiene que llegar la señal, que produce la activación o inhibición del factor y permite así regular la expresión génica. De esta forma, estos genes provocan respuestas a corto plazo (30 minutos-1 hora en plantas) y, en ocasiones, a entre las proteínas que codifican se encuentran factores de transcripción que van a regular la expresión de los genes de respuesta secundaria. - Genes de respuesta secundaria o genes tardíos: estos genes se expresan después que los tempranos porque necesitan que se lleve a cabo la síntesis de los factores de transcripción que modulan su expresión génica, que son codificados por la expresión de los genes primarios. Esto se comprueba con cicloheximida, que bloquea la síntesis de proteínas nucleares, y, por lo tanto, si un gen responde cuando hay cicloheximida, este gen es de respuesta primaria, y si no, es de respuesta secundaria, ya que se habrá inhibido las síntesis de proteínas y no se ha producido el factor de transcripción correspondiente. 4. ATENUACIÓN DE LA RUTA DE SEÑALIZACIÓN. El proceso de atenuación o silenciamiento de la señal es muy importante y se basa en apagar o atenuar la señal una vez se ha extendido y se ha llevado a cabo su respuesta, con el objetivo de que dicha señal que pueda volver a actuar. Se lleva a cabo mediante lazos de regulación feed- back negativos: entre los genes que se activan en las respuestas lentas cuando llega la señal, se encuentra uno o varios genes que codifican para proteínas que apagan la señal, de manera que la misma respuesta celular produce unas proteínas que inhiben la ruta y apagan así la señal. Existen varios mecanismos de regulación para apagar o atenuar esta ruta: Degradación de activadores: mediante el sistema ubiquitina-proteosoma 26S, de esta manera, la ruta no puede seguir adelante y se inactiva o inhibe. Inactivación de activadores: mediante modificaciones químicas sobre estas proteínas activadoras, de manera que la ruta no puede seguir adelante y se inactiva o inhibe. 33 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL RUTA DE SEÑALIZACIÓN DE GIBERELINAS. Por ejemplo, en la ruta de señalización de las giberelinas, se produce un lazo feed-back negativo: en esta ruta, existe un represor proteico que, en condiciones normales en las que en la célula no hay giberelinas, está actuando tanto positiva como negativamente: Regulación positiva del represor: en ausencia de giberelinas, el represor actúa positivamente (activando) sobre tres genes diferentes: - Un gen codificante del receptor de giberelinas: el represor permite la expresión de este gen y se produce la síntesis de receptores de la hormona, de manera que favorece que la llegada, el reconocimiento y el aumento de giberelinas a la célula. - Dos genes codificantes de enzimas de la biosíntesis de giberelinas: el represor permite la expresión de estos genes y se produce la síntesis de giberelinas de la hormona, de manera que favorece el aumento de los niveles de giberelina en la célula. Es decir, en ausencia de giberelinas, el represor favorece que se produzca/llegue la señal, induciendo así la ruta de señalización y las respectivas respuestas. Regulación negativa del represor: en ausencia de giberelinas, el represor actúa negativamente (inhibiendo) un gen codificante de una proteína que lleva a cabo la inactivación mediante modificación bioquímica de las giberelinas, de manera que esta proteína no se codifica en ausencia de giberelinas. Sin embargo, cuando los niveles de giberelinas aumentan, bien sea por su propia biosíntesis o por la llegada y el reconocimiento de la hormona por parte de los receptores celulares, se produce una ruta de transducción en la que el sistema ubiquitina-proteosoma 26S reconoce y degrada al represor, de manera que: - Se inhibe el gen codificante del receptor de giberelinas: lo que hace que a la célula insensible a la llegada de esta hormona, es decir, insensible a la señal, impidiendo que se lleve a cabo la percepción y se induzca la ruta de señalización. - Se inhiben los genes codificantes de enzimas de la biosíntesis de giberelinas: de forma que no se sintetiza la hormona y sus niveles intracelulares no aumentan. - Se activa el gen codificante de la proteína inactivadora de giberelinas: bloqueando estas hormonas mediante la modificación bioquímica correspondiente, disminuyendo la concentración intracelular de hormona activa. De esta forma, se apaga la señal y se detiene la ruta de señalización. 34 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL TEMA 3 – HORMONAS VEGETALES: GENERALIDADES. Las hormonas vegetales o fitohormonas son un grupo de sustancias de naturaleza orgánica muy variada producidas de forma natural por la planta que funcionan a concentraciones muy bajas como señales químicas internas entre células, tejidos y órganos, donde influyen en los procesos de desarrollo de la planta y en la respuesta ambiental, como la respuesta al estrés. 1. TIPOS DE FITOHORMONAS. Existen varias, pero las fitohormonas principales son las siguientes: Auxinas. Giberelinas. Citoquinas Acido abscísico. Etileno. Brasinoesteroides. Acido salicílico. Ácido jasmónico. Estrigolactonas. Poliaminas: hay cierta controversia sobre ellas. Péptidos de señalización: pequeños fragmentos de proteínas reconocidos por un receptor que provocan un cambio en el desarrollo. 2. CONTROL DE LA ACCIÓN HORMONAL. La acción hormonal es la posibilidad de generar una respuesta, y depende de dos aspectos: Concentración de la hormona activa: las hormonas pueden presentar distintas formas, y solo en su forma activa es cuando se pueden unir al receptor y provocar la respuesta. Entonces, cuando se habla de la hormona activa se refiere a la hormona en la forma que es capaz de unirse al receptor y provocar una respuesta. La concentración de hormona activa depende del metabolismo y de la localización, es decir, depende que se sintetice hormona y se active y de que este localizada donde se encuentran sus receptores. - Metabolismo: el metabolismo de las hormonas depende del equilibrio establecido entre cuatro factores diferentes: → Biosíntesis de la hormona: las hormonas se pueden sintetizar en diferentes células y tejidos y en determinados estados de desarrollo, es decir, la síntesis de las hormonas puede cambiar durante el desarrollo (una célula u órgano no produce una hormona determinada durante toda su vida, sino que solo lo puede producir en algún momento, por ejemplo, como el etileno de los frutos). No obstante, hay lugares principales de las rutas, que suelen ser zonas meristemáticas y células jóvenes en estadios iniciales (meristemos apicales del tallo y raíz, primordios de órganos y semillas). 35 DAVID PALACIOS VICENTE DESARROLLO VEGETAL Hay tres rutas de biosíntesis principales de todas las hormonas: o Ruta procedente de aminoácidos: ✓ El indolacético (IAA), hormona de tipo auxina, se produce a partir de triptófano. ✓ El etileno se produce a partir de la metionina. ✓ Las poliaminas se producen a partir de la arginina o de la ornitina. o Ruta procedente de lípidos: el ácido jasmónico se produce a partir del ácido