Transcript
Fisiología vegetal
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Ilustración. Hoja fotosintetizadora: unafábricaintegral decarbono y oxígeno. Micrografía al microscopio de barrido de una sección transversal de Euphorbia, X650 (Fotografía original, cortesía del Dr. Graham Walker, DSIR, Nueva Zelanda).
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R.G.S. Bidwell, .-"
Queen's University. Kingston. Ontario. CanadB
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Fisiología vegetar PRIMERA EDlCl6N EN ESPAÑOL
FlGT EDITOR, s.R.
Título del original en inglés: Plant Physiology Copyright @ 1979 ( 2 a . edicibn j R . ( ; . S . Bitlwell Copyright @ 1 9 7 9 ( 2 a . edicionj Macmillan Publishing C o . , Inc Primera reimpresión 1990 Segunda reimpresión 1995
@ A . G . T . Editor, S . A . Progreso 2 0 2 - Planta Alta México, D.F. Traduccibn: Guodalupe G w o n i r n o (’ano y Cano. Biólogo ( U N A N I , ) , MaestroenBotánica Agricola ( U A C H ) . Profesor d e planta a nivel deposgradode:ParasitologíayBotánica (1.1”). Manuc,/ Rolas Gu,.ciduerias Biólogo ( I J N A M ) , M. enC.(Universidadde nesota). Profesor de plantaa nivel deposgradode:FisiologíaVegetal,Herbicidasy Fitorreguladores ( I T M ) y ex director del Depto. de Biología.
Min-
Reservados todos 10s derechos. Ninguna parte de este libro puede ser re;broducida, almacenada en un sistema de informática o transmitido de cualquier forma o por ccalquier medio electr6nico, mecánico, de fotocopiad o , de grabacibn u otrosmétodos, sin previo y expreso permiso del propietario del Copyright. Impreso y hecho en México Printed and made in Mexico ISBN: 968-463-015-8
Dedico este libroa mi esposa Shirley M.R. Bidwell, sin cuyo estímulo, ayuda y paciencia reo hubiera podido escribirlo.
R.G.S.B.
Prefacio
Este libroes un texto introductorio para estudiantes de fisiología vegetal o de botánica experimental a nivel profesional. Presenta los conceptos actuales sobre el funcionamiento de la planta, desembarazánddos (hasta donde es posible) de complejos procesos metabólicos o mecanismos bioquímicos. gstos se ven en detalle, separadamente, en los primeros capítulos (Sección 11) y se retoman en forma simplificada, o por referencias, conforme se requiera, posteriormente. Siempre que el material cubierto en los parágrafos o capítulos sea tan complejo o controvertible como para exigir una revisión, se ofrece un resumen de él. Esta segunda edición * ha sido reescrita en buena parte y puesta al d í a ; suprimiéndose ciertomaterial irrelevante, y se han clasificado y revisado un gran número de tópicos actualizándolos conformea los modernos descubrimientos en fisiologíavegetal. He tratado de presentar el material en un estilo interesante para que el texto sea fácil y se obtenga una visión general de /as grandes áreas de la fisiología vegetal, El campo integro de la fisiología vegetal, junto con las necesidades básicas de bioquímica, se tratan con la profundidad suficiente a fin de que el libro sea útil tanto como un fundamento general así com.0 texto de referencia para estudiantes de posgrado. Puede utilizarse en cursos co,rtos de fisiología vegetal, botánica experimental, bioquímica vegetal o desarrollo del vegetal, y el material puede ser adaptado conforme lo deseen los profesores. La Sección I es primordialmente una revisión, pero los estudiantes deben estar seguros de su familiaridad con los fundamentos esenciales antes de seguir adelante. También sirve como una referencia con.cisa sobre la clasificación y descripción de las sustancias quimicobiológicas, de la estructura de la planta y de la célula, de las relaciones con el agua y otros tópicos relacionados. La Sección 11 cubre los procesos básicos del metabolismo vegetal. La Sección 111 está dedicada a la nutrición y metabolismo del organismo vegetal integral y sus relaciones con las fuentes de alimento internas y externas. Los procesos del desarrollo y determinismo de la planta se resumen en la Sección .IV y la fisiología de organismos especializados, de situacionesespeciales y de interrelaciones de las plantas, se describen en las Secciones V y VI. *El autor se refiere a l a segunda edición en inglés (N. del Eld.).
Este libro presenta tres divergencias con respecto a la estructura tradicional 111, Cap. 15) una visión de conjunto de la nutrición de las plantas por el carbono que coloca los procesos integrales defotosíntesis,fotorrespiración, respiración oscura y metabolismo del nitrógeno asociado, bajo una misma perspectiva: la de la propia planta.Puede ser leído y entendidoporestudiantesqueno se hayanempapado de los detallesdel metabolismo presentados en la Sección II. La segunda novedad está en la Sección IV, que basala descripción del desarrollo del vegetal en el propio ciclo de vida de la planta más que en las sustancias químicas y mecanismos que lo controlan. El punto de vista mecanicista se desarrolla en el Capítulo 23 en forma de resumen dela Sección IV, La tercera divergencia es la inclusión, en las Secciones V y VI, dediscusiones sobre h fisiología de organismos especiales importantes y de asociaciones, tales como algas, patógenos, simbiontes, y los factores que afectan la distribución de los vegetales. La plantas se vuelven cada día más importantes para el hombre y sus relaciones, en particular cuando dependen de factores fisiológicos, son parte importante del estudio dela fisiología vegetal. En un texto con el nivel del presente es imposible documentar todos los conceptos y los hechos que debenpresentarse. Por otra parte, una lista de hechos, aunque se liguen por una narración aceptable, no es suficiente para un estudio efectivo. Por lo tanto, he provisto apoyos experimentales describiendo técnicas y experimentos reales en relación con algunas de las evidencias más importantes que se presentan. Espero que estohaga al texto interesante y legible y , al mismo tiempo, estimule el interés del estudiante en la base experimental de la fisiología vegetal. No he usado referencias en el texlo. Cada capítulo está seguido de una lista bibliográfica que incluye monografías, artículos y libros, ya que esto me parece más valioso que cualquier lista de referencias que pudiera dar. En el texto se mencionan varios científicos prominentes relacionados con hechos o conceptos específicos. He enfatizado la importancia de investigar lecturas estimulantes en publicaciones tales como el Treatise on Plant Physiology de F.C. Steward y los Annual Reviews of Plant Physiology. Estos y otros artículos recientes proveeránuna excelente fuente dematerial de discusión en las clases o en seminarios. Escribir un libro de fisiología vegetal esuna tarea considerable. Ningún fitofisiólogo puede esperar conocer todos los tópicos, a s í que he tomado muy en cuenta las sugestiones y críticas de mis colegas y de los estudiantes para conservar el texto tan confiable como es posible. Deseo reconocer la ayuda de varios revisores que leyeron el manuscrito de este libro, por cuyotrabajo estoy en deuda con ellos, En particular soy dcvdor de A.T. Jagendorf, W .T. Jackson e I.A . Tamas que revisaron exhaustivamente la ediciónprecedente. Muchas de las mejoras y correcciones se deben a su crítica detallada. Por último, por supuesto,la responsabilidad por lo que se ha incluido y lo que se ha omitido, es mía. El producir un libro de texto es también un gran trabajo. Estoy muy agradecido a la Sra. Judy Bollen por mecanografiar parte del manuscrito y por su ayuda en organizar el material para las ilustraciones. También deseo expresar m i gratitud a los miembros de la editorial Macmillan Publishing Co., Inc., por su asistencia y aliento, y particularmente a Woody Chapman y Pat Larson cuya ayuda y apoyo fueron indispensables durante la escritura y producción de estelibro. de los textos de fisiologíavegetal.Primero,heincluido(Sección
R.G.S.Bidwell
ca
Sumario
SECCIÓN I INTRODUCCIóN Y GENERALIDADES
Capítulos 1. Introducción de 2. Fundamentos 3. La célula 4. Estructura y crecimiento de plantas
superiores comunes
3 9 45 75
SECCIÓN 11 METABOLISMO VEGETAL
95 117 157 207 245
5. Metabolismoenergético 6. Respiración
7. Fotosíntesis 8. Metabolismodelnitrógeno 9. Polímeros y grandes moléculas
SECCIÓN 111 SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICIóN DE LAS PLANTAS
10. El suelo y la nutrición mineral 11. Absorción y movimiento del agua 12. Absorción y transferencia de solutos 13. Transporte 14. L a hoja y la atmósfera 15. Nutrición por carbono - Una síntesis
265 293 309 327 349 375
S E C C I ~ NIV L A PLANTA EN DESARROLLO - EL FUNCIONAMIENTO DETERMINISTA DEL VEGETAL
16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.
Interpretación del crecimento y desarrollo Reproducción sexual en las plantas superiores Patrones dedesarrollo Organización en el espacio Organización en el tiempo Modelos de nutrición durante el desarrollo Letargo, senescencia y muerte Acción de las hormonas y reguladores del crecimiento
409 439 459 483 507 549 569 599
S E C C I ~ Nv FISIOLOGÍA DE ORGANISMOS ESPECIALES
24. 25. 26. 27.
629 641 657 673
Fisiología de los árboles Fisiología de algas marinas Parásitos y enfermedad Simbiosis
SECCIÓN VI FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
28. Fisiología de las plantas bajo tensión 29. Factores fisiológicos en la distribución de 30. Las plantas y el hombre
687 703 723
las plantas
747
fndice de de
fndice fndice
plantas
755
temático
762
Contenido general
S E C C I ~ NI INTRODUCCIóN Y GENERALIDADES
3
Capitulo 1 INTRODUCCI~N Lavegetal fisiología Las plantas y los animales Características de las plantas y de la vida vegetal que conducen a la fisiología especializada Evolución La botánica aplicada y la economía adicionales Lecturas
3 3
Capitulo 3 LA
5 6 6 8
Capítulo 2 FUNDAMENTOS DE
-QUÍMICA
Soluciones Soluciones de gas Concentraciones Ácidos y bases Amortiguadores Coloides Enlaces químicos Enlaces electrovalentes o iónicos Enlaces covalentes Enlaces de hidrógeno Fuerzas de atracción débiles Oxidación y reducción Algunos compuestos orgánicos Carbohidratos Estereoisómeros
9 9 10 I1
12 13 14 16 16
17 18
18 18
19 25 26
Lactonas Disacáridos y polisacáridos Alcoholes azúcares, ácidos ur6nicos y ácidos azúcares Aminoácidos, péptidos y proteínas Ácidos nuc'leicos Lecturas: adicionales
27 30 30
34 40 44
CBLULA
La teoría celular La célula y sus partes Pared celular Membranas Núcleo Retículo endoplásmico Aparato de Golgi y dictiosomas Ribosomas Mitocon.drias Plastidios Glioxisomas y peroxisomas Otras estructuras subcelulares La vacuola El agua y las células Potencial de agua Difusión Membranas diferencialmente permetables ósmosis: Potencial osmótico y potencial de presión Medición de $n Potencial de agua en las células:
45 45 46 47 47 52 56 57 57 59 59 61 61 62 63
63 64 65 65 65 67 68
Movimiento de agua entre células Imbibición El método antiguo para explicar la ósmosis y el movimiento del agua Crecimiento de las células Lecturas adicionales
70 71
71 72 73
Capítulo 4 ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES COMUNES Germinación El tallo Raíces Estructura de la hoja Flores y frutos Meristemos: patrones de crecimiento Lecturas adicionales
75 75 78 83 86 87 91 91
SECCIÓN 11 VEGETAL Capítulo 5 ,METABOLISMO ENERGETIC0 Reacciones de oxidación y reducción Reacciones de hidrólisis Producción de ATP Una cadena de transporte de electrones Medición de los cambios de energía Compuestos de alta energía Mecanismo de síntesis del ATP Reacciones de transferencia de grupo El concepto de “carga energética” y el control metabólico Acción enzimática Lecturas adicionales
95 95 97 97 99 102 106 106
109
Introducción Glicólisis Reacciones Balance de energía Ciclo de Krebs
117 117 118 118 118 120
120 120 124 125 125 127 127 128
129 132 134 135 135 136 136 137
138 138 139 139 140 140 141
141 141 142 146 147 148 149 149
149 149 151 154 156
Capitulo 7 FOTOS~NTESIS
111 113 115
Capítulo 6 RESPIRACIdN
Formación de acetilcoenzima A Reacciones del ciclo Balance de energía Vía accesoria de las pentosas Reacciones Balance de energía Fermentación Localización de los procesos Movilización de los substratos Reacciones de carboxilación Ciclo del glioxilato Control de respiración la Efecto Pasteur Control de retroaccióny alostérico Control de cofactores Reacciones laterales Otros sistemas respiratorios y oxidasas Fenoloxidasas Oxidasa del ácido ascórbico Catalasa y peroxidasas Oxidasa del ácido glicólico Participaciónotras de oxidasas en la respiración Respiración ‘
Sistemas para designar los carbones
Cg o @-carboxilo
Derivados: bcido a-catoglutárico ácido a-aminoglutárico(bcido glutámico) Seis carbonos, Q : Ácidos tricarboxílicos
HzC-COOH
I HOC-COOH
H,C-COOH
I ¡I
C-COOH
I
HzC-COOH
HC-COOH
Cítrico Cisacon ltico (Advihase la asimetria del Cido dtrico)
HzC-COOH
I
HC-COOH
I
H,C-COOH
I
HC-COOH
I
O=C-COOHHOCH-COOH lsocltrico
Oxalosuccinico
*TambiBn llamado bcido 2-oxoglutBrico
H Propanol primario o n-propanol
I I
CH,--CH,--C--OH H H
Propanol secundario o isopropanol
I I
CH,--C-OH
CH, CH,
I I
CH3--C-OH
Butanol terciario
CH3 Los tiolessonalcoholesdesustituciónenlosqueelazufrereemplaza al oxígeno. Los tioles, o compuestos "SH,se encuentran con frecuenciay son importantes enmol6culasbiológicasporquesonfácilmenteoxidados a laforma S-S (puente de disulfuro):
RSH
+ R'SH e RS-SR'
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
23
Los éteres son alcoholes en los que el por otro radical orgánico
H de un grupo OH es reemplazado
CH~y"H,-O"CH,-CH~, éter dietllico
Los aldehídos son el resultado de la oxidación de alcoholes o de la reducción de ácidos. Contienen un átomo de oxígeno unido por un doble enlace, a un carbono terminal H
I
C H :,-C=O acetaldehído
cetonas son similares a los aldehídos, pero el = O esti ligado a un carbono secundario, es decir, que posee dos enlaces con. otros átomos de carbono O
II
CH,,"C"CH,, dimetil cetona
Los ácidos poseenungrupo carboxilo quepuederesultardela oxidación de un aldehído. Este es el estado de más alta oxidación posible para un átomo de carbono. //O C ti :i-C -O H ácido acético
El H adherido al átomo de oxígeno eselhidrógeno ionizable o acídico. Los ácidos orgánicos pueden formar sales exactamente de la misma manera que los ácidos minerales
También formannumerosos compuestos de sustitución, como ésteres y amidas. Los ésteres se forman por la reacción de un alcohol con un ácido.
ácido acético
'o ti
metano1
met11 acetato
Debe advertirse que, no obstante su apariencia, ésta no esuna reacción ácido-básica para formar una sal. Los éteres no iorlizanen forma apreciable y el mecanismo de reacción es distinto al de la formación de una sal. Las aminas poseen un grupo amino ("NH, ) que sustituye a un hidrógeno.
INTRODUCCIdN Y GENERALIDADES
24
H
I
CH,-C-NH,
I
tl etilamina
Lasaminas, como los alcoholes, puedenserprimarias,secundarias o terciarias. Las midas se forman por la sustitución deun grupo amino por el OH de un grupo carboxilo O / CH,--C-NH, acetamida
Las grasas son un grupo importante de compuestos queposeen el triple alcohol (trihidroxilo) glicerol como soporte básico. Cada grupo alcohólico forma un enlace estérico con un ácido, usualmente una cadena recta ácida no sustituida llamada ácido graso H O
I1
I
H-C-O-C-C~~H,~ I
I
R
H-C-O"C--C17H~~ I
H"C-O"C"C17H35 I H glicerol triestearato una grasa
El triglicérido resultante debe su propiedad más importante (su carácter hidrófobo o lipófilo) a causadelascadenaslargasderesiduosde ácidos grasos insustituidos. La longitud de la cadena y su grado de insaturación (el número de dobles ligaduras) afecta aún más el comportamiento químico de los ácidos grasos y grasas individuales. Se conocen varios glicéridos de posible sustitución. El grupo más importante es el de los fosfolípidos, que poseen una molécula de fosfato que esterifica uno de los grupos alcohólicos del glicerol, como se muestra: O
I1
H,C-O-C-C,H2,+l
I
H O
I
O=P-O-CH
o H
R
HC-O-C"C,,H~,+~
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
25
Esto forma una moldcula con un extremo fuertemente polar. El grupo fosfato es fuertemente hidrofílico, mientras que las cadenasde carbono de los ácidos grasos son fuertemente lipofílicos. Estas moldculas son de gran importancia en la estructura de membranas, como se verá posteriormente. Los compuestos cíclicos pueden ser totalmente saturados, o insaturados en diversos grados. El benceno, un anillo de seis carbones, es una molécula insaturada de la máxima importancia que forma el soporte de muchos compuestos de importancia biológica. Convencionalmente se representaasí H
H
Las sustituciones se pueden haceren cualquiera de los carbones. Si se hacen dos o más sustituciones senumeranusualmentedesdelaposiciónqueocupael más reactivo de los grupos. Los fenoles constituyen ungrupo importante de compuestosqueposeen uno o más grupos OH sustituidos en uno o múltiples anillos bencénicos. OH
H fenol
Los compuestos heterocíclicos son estructuras anilladas que poseen uno o más átomos de nitrógeno u oxígeno en el anillo. Algunos anillos heterocíclicos importantes son
piridimidina
purina
indol
pirrol
CARBOHIDRATOS Los azúcares poseen la fórmula (CH20 ) n . Existen muchas estructuras posibles que poseen esta fórmula, pero sólo un número reducido de ellas son de importancia biológica. Además, hay varios azúcares cuyas fórmulas difieren por la pérdida de una moléculade oxígeno o una molécula deagua, o porlaadicióndegrupos como sulfato o fosfato. Los azúcares más simples, de importancia biológica, son las triosas. CH,OH"*CHOH"CHO dihidruxiacetona gliceraldehído *Carbono ó p t i c a m e n t e a c t i v o .
CH,OH"CO"CH.,OH
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
26
Ambos poseen lamisma fórmula empírica; sin embargo, puede advertirse que el gliceraldehído es una aldosa, un azúcar que posee un grupo aldehído o =O terminal, mientras que la dihidroxiacetona es una cetosa, que poseeun grupo cetónico o un = O secundario. ESTEREOIS6MEROS. Muchas moléculas orgánicas son Ópticamente activas, es de-
cir que causan la rotación del plano de polaridad de la luz polarizada. Laactividad óptica está dada por la existencia en la moléculade un átomo de carbono que posee cuatro grupos diferentes ligados a ella. Puede verse que el gliceraldehído poseeunode tales carbonos, el carbono medio o segundo,marcado con un asterisco. Es, por lotanto, ópticamente activo, mientras que la dihidroxiacetona no lo es. Una consecuencia adicional de la posesión de ese carbono es que existen dos configuraciones espaciales posibles del gliceraldehído; ambas poseen la misma fórmula que se describió anteriormente, pero no son interconvertibles sin reacción química. Ello se debe a los enlaces covalentes quevinculan los átomos de esta molécula, que aunque puedan rotar, no pueden doblarse mucho. La fórmula correspondiente a la estructura del enlace de un átomo de carbono no se representa correctamente mediante 1
3
lo cual sugiere que todos los enlaces están en un plano a 90" unos de otros. De hecho, los enlacessontridimensionales y elángulo entre dos enlaces cualquiera esde 109". El resultado es que para la estructura representada anteriormente, existen dosposibles configuraciones, y seve quenopueden interconvertirse sin ruptura y reconstrucción de enlaces.
El azúcar más simple que posee isómeros ópticamente activos es el gliceraldehído. Una forma, rota la luz polarizada hacia la izquierday se llama levorrotatoria (el prefijo L- seagregaal nombre para identificar este compuesto). La otra forma de gliceraldehído, rota la luz hacia la derecha y se denomina dextrorrotatoria (este compuesto se identifica mediante el prefijo D-). Estos isómeros se escriben convencionalmente CHO
I* HCOH I
CH,OH
D-gliceraldehído
CHO
*I
HOCH
I
CH,OH L-gliceraldehído
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
27
El D-gliceraldehído es la forma biológicamente importante. El ácid0 L-glicérico y los L-azúcares son, en general, relativamente de poca importancia biológica,raravezse sintetizan, y usualmente no son metabolizados por los sistemas biológicos. Los azúcares de cuatro carbones, llamados tetrosas y con frecuencia abreviados azúcares C 4 , poseen dos carbones asimétricos en la sene aldosa y unoen la cetosa. Los carbones de una molécula orgánica se numeran usualmente, a partir del extremo activo de la'molécula; así, una tetrosa, con los carbones numerados, se representaría comosigue: CH,OH"CHOH-CHOH-CHO 3
4
I
2
Convencionalmente las D-tetrosas y todos los D-azúcares poseen la misma OH configuraciónqueelD-gliceraldehídoenelpenúltimocarbono;esdecir,el se escribe a la derecha CHO
CHO
I* ""k 1 HCOH j ""t"""
"_
HCOH
CH,OH CH,OH D-eritrosa
*I i*"-7
HOCH
! HCOH I " "
L---t------
D-treosa
Desafortunadamente,aunquelosdossonazúcares,ambosnosondextrorrotarios. La D-treosa rota la luz hacia la derecha (+ ), pero la D-eritrosa, debido a C-2, es su actividad óptica que resulta también de la configuración estérica del levorrotatona (-). Aunque la mayoría de los azúcares biológicamente importantes poseen la forma D, muchos son levorrotatorios. Los símbolos D- y L-, por tanto, aluden a la estructuramás que a la actividad óptica de un compuesto. Mientras que hay dos D-tetrosas en la serie aldosa, hay cuatro D-pentosas, ochoD-hexosas y dieciseisD-heptosas. La mayorpartede Bstas seencuentran raravezen la naturaleza. Las fórmulas estructurales y relaciones de las aldosas y cetosas biológicamente importantes se muestran en las Figuras 2-2 y 2-3. LACTONAS. Los azúcares de las Figuras 2-2 y 2-3 se representan mediante fórmulas de cadena recta. Sin embargo, los azúcares que contienencinco o más carbones
normalmente existen en estructura d a d a . Dos estructuras básicas comunes son los anillosde furano (cinco miembros) y el pirano (seis miembros).
furano
pirano
Las estructuras en anillo, o lactonas, se llaman furanosa o piranosa, respectivamente.Lasfórmulasde la configuraciónHaworth o estereoquímica para la glucosa y fructosa se representan como se muestranen las siguientesfórmulas estructurales.
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
28
6CH,OH
)x-"\
I
,H
H Ho>c\TH
c3-c2 I
I
OH
H
OH
a-D-glucopiranosa
H
B-D-fructofuranosa
Figura 2-2. Aldoazúcares importantes. La rotaci6n de cada azúcar se muestra mediante (+) y (-) para compuestos dextrorrotatotios y levorrotatorios,respectivamente. CHO
a
a
1
1
o
t
I I
o
9 u
I
HOCH
I o
I
HCOH
HOCH
CHO
I HOCH
HCOH
HOCH
a
CHO
I
s
HCOH
I
I
'
d
HCoH
I
o
HOCH
I
a
I
HCOH CH20H ( + ) D-glucosa
CHO
CHO
HCOH
I
HCOH
HCOH
I
I
I
(-)
HOCH
I
I
HCOH
HCOH
I
I-)
I
I I
I
CH,OH
CH20H
D-ribosa
HOCH
HOCH
I
CH,OH
I
HCOH
I
HCOH
CHO
I
HOCH
HCOH
(Serie-L)
CHO
I
I
( + I D-galactosa
( + ) D-manosa
0-arabinosa
CH20H
( + ) D-xilosa
CHO
(-)
CHO
I
I
HCOH
I
I
HCOH
HCOH
I
I
CH,OH
CH,OH
( - ~ )D-eritrosa
( + ) D-treosa
( L-gliceraldehldo)
CHO
I
HCOH
I
CH,OH ( + ) D-gliceraldehIdo
D-lixosa
t a I O S
29
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
Figura 2-3. Cetoazúcares importantes. CH,OH
CH,OH
C=O
c=o
I
I
I
I
HOCH
HOCH
I
I
HOCH
HCOH
I
I
HCOH
HCOH
I
v
t
HCOH
I
HCOH
I
c-
CH20H D-sedoheptulosa
CH,OH D-manocetoheptulosa
CH20H
I
c=o
I
HOCH
I
HCOH
I
I
HCoH CH,OH
t t
D-fructosa
O-psicosa
v CH,OH
CH,OH
I c=o
I
C=O
I
I
HOCH
HCOIi
I
I
HCOH
HCOH
I
I CH,OH D-xilulosa
CH,,OH D-ribulosa
v CH,OH
I
c=o
t
I
I
HCOH
D-eritrulosa
CH,OH
I
C=O
I
CH20H DihidroxiaCetOna
INTRODUCC16N Y GENERALIDADES
30
DISACARIDOS Y POLISACARIDOS. La glucosa y la fructosa se unen mediante un enlace anhidro (por eliminación de agua) para formar el importante disacárido sacarosa. La fórmula se muestra a continuación. CH,OH
I
I
H
OH
OH
41
H
sacarosa
Adviértasequelaestructura lactónica en anilloañade otro carbonoasimétrico que previamente no se presenta en la glucosa en C-1 y enla fructosa en C-2.Las dos configuraciones posibles (en la glucosa, de los grupos H y OH; en la fructosa de los grupos OH y CH,OH) se llaman (Y y p. Enla sacarosa la glucosa está en la forma (Y y en la fructosa, en la forma p. El enlace está entre el C-1de la glucosa y el C-2 dela fructosa, de manera que la molécula resultante puede describirse como a-D-glucopiranosa-l:2-p-D-fructofuranósida. Otros importantes disacáridos son la maltosa (a-D-glucopiranosa-1 :4-D-glucopiranósida) y la celobiosa (p-D-glucopiranosa-l:4-D-glucopiranósida). astos tienen relación con los polisacáridos vegetales más importantes, almidón y celulosa, como se muestra en la Figura 2-4.La diferencia importante entre estos dos polisacáridos se presenta a continuación. El almidón, un carbohidrato de reserva metabólicamente activo, está formado de largascadenasdeunidadesdeglucosa unidas mediante enlaces a -1 :4 y cadenas laterales ocasionales unidas por enlaces a-1:6. Lacelulosa, un carbohidratoestructuralmetabólicamenteinactivoestá formado de largas cadenas de unidades de glucosa articuladas por enlaces p-1:4. Otros disacáridos y oligosacáridos de importancia biológica se enlistan en la Tabla 2-1 y los polisacáridos se resumen en la Tabla 2-2. ALCOHOLES AZOCARES, ACID- uR6NIcoS Y ACID- AZOCARES. El oxígeno aldehídico o cetónico delosazúcarespuedereducirseen un alcohol, y producir alcoholes polihídricos como se muestra en la Figura 2-5.Los alcoholes polihídricosestánconfrecuenciaenlanaturalezacomoazúcaresdereserva,particularmenteenplantasprimitivas y frutos de plantas superiores. Los ácidos iuónicos sederivandehexosasporla oxidación del carbón sexto a un ácido. Ciertos ácidosurónicosimportantes,localizadosencompuestosestructurales y mucilaginososdeplantassemuestranenlaFigura 2-5.Laoxidacióndelprimercarbón de la glucosa produce el ácido azúcar, el ácido glucónico.El fosfato que deriva del ácido glucónico es importante en el metabolismo respiratorio. La relación de la glucosa en sus formas reducidas y oxidadas se muestran en la Figura 2-6.
31
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
Maltosa a -D-glucopiranosa-1, 4-D-glucopiran6sida
(enlace a-1.4) Almid6n
OH
H
H
OH
Celobiosa
43
P-D-glucopiranosa-l,4-D-glucopiran6sida 6
6
I
1
I
6
(enlace p - l , 4 )
Celulosa
Figura 2-4. Estructuras de disacdridos importantes y su relaci6n con los polisacaridos.
INTRODUCCIdN Y GENERALIDADES
32
Figura 2-5. Estructurasdealcoholes dos urbnicos comunes. Relacionados con la glucosa
polihídricos y Bci-
Relacionados con la manosa
CH,OH
CH,OH
I
I
HOCH
HCOH
HOCH
I
I
HCOH
HCOH
HCOH
HCOH
HOCH
I
I
I
HCOH
I
I
CH,OH
CH,OH
Manitol
Sorhitol
CHO
CHO
I
I
I
I
HOCH
HOCH
HOCH
I
I
I
HCOH
HCOH
HCOH
HCOH
I
HOCH
I
I
HCOH
I
I
COOH
COO H
Ácido glucurdnico
Galactitol
HCOH
HOCH
HCOH
I
CH,OH
CHO
I
I
I
I
HOCH
I
CH,OH HCOH
I
I
HOCH
Relacionados con la galactosa
Ácido manur6nico
I
COO H
Ácido galacturdnico
Tabla 2-1. Lista de oligosacáridos de importancia biolbgica. (glucosa-1 Gencianosa DISACARIDOS genciobiosa glucosa) glucosa Glucosa Maltosa (-glucosa1 :4-glucosa) Celobiosa (-glucosa-1 :6-glacosa) Genciobiosa (glucosa-1 :6iglucosa) Trealosa i-glucosa-1 :1 -glucosa)
:6-fructosa-2:1fructosa
+
+
Galactosa glucosa (-galactosa-1 Lactosa :4-glucosa) Melobiosa (-galactosa-l:6-glucosa) Glucosa
+ fructosa
Sacarosa Verbascosa
(-glucopiranosa-l:2--fructofuranosa)
Turanosa estaquiosa
(-glucopiranosa-l:3--fructopiranosa)
T R ISACÁRI DOS Melezitosa (glucosa-1 :3-fructosa-2:1 glucosa) turanosa glucosa
+
+
o sacarosa
Rafinosa
+ glucosa
(galactosa-l:6glucosa-l:2-
+
fructosa) melobiosa fructosa o sacarosa galactosa
+
TETRASACÁRIDO Estaquiosa (ga1actosa:galactosa:glucosa: fructosa) rafinosa galactosa
+
PENTASACÁRIDO (ga1actosa:galactosa:galactosa: g1ucosa:fructosa) glactosa
+
ANHlDRlDOS DE DI-, TRI- Y POLI F R UCTOSA
33
FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Tabla 2-2. Algunos polisacáridos importantes.
Uso y fuente
Tipos y ejemplos
Homopolisacdridos (un azúcar) Pentosana arabana, xilana Hexosanas glucanas almid6n (-1 :4-y -1 :6-glucosa) celulosa (-1 :4-glucosa) fructosanas inulina (1 :2-fructofuranosa) galactosanas mananas laminarina (-1 :3-glucosa) Heteropolisacdridos (m& de un azúcar) Pentosanas,vgr., araboxilana Hexosanas, vgr., galactomanana Mixtos, vgr., galactoarabana Ácidos urbnicos Poliur6nicos Acido pktico (1 :4-D-Bcido galactur6nico) &ido alglnico (Acidos gulur6nicoy manur6nico) Azúcares mds dcidos ur6nicos Gomas y mucilagos vegetales Otros derivados de azúcar Quitina (2-acetilaminoglucosa) Fucoidina ( fucosa sulfatada) Agar y carragenina (galactosa sulfatada)
Estructural
Reserva Estructural Reserva Estructural Reserva (nueces) Reserva (algas marinas)
Estructural Estructural y reserva (alga marina)
Estructural (hongos) Estructural (alga marina) Estructural y reserva (alga marina)
CH,OH
I
(HCOH),
I
CH,OH
Figura 2-6. Productos de oxidaci6n o reducci6n de la glucosa.
Manitol
t
Reducido en C1
CHO
I
(HCOH),
1\
CH,OH
Glucosa c6
Oxidado/’
en C1 Y c6
Oxidado en CHO
COOH
I
I
(HCOH),
(HCOH),
CH,OH
COOH
I
Ácido gluc6nico
I
Ácido glucurónico
COOH
I
(HCOH),
.I
COOH
Ácido sacárico
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
34
AMINOACIDOS, PBPTIDOS Y PROTE~NAS Aunque los carbohidratos constituyen ungrupo mayor de polimeros estructurales y de reserva, el grupo de máxima importancia de polimeros biológicos es, sin duda, el de las proteínas. Estas moléculas son responsables de casi todas las propiedades de la vida, tal como la conocemos. Existen unascuantasclasesde proteínas fácilmente distinguibles, y cada clase contiene un número enorme de compuestos individuales de alto peso molecular y gran complejidad química. Todas las proteínas poseen la misma estructura básica: son polimeros compuestos de gran cantidad de aminoácidos individuales ligados unos con otros mediante enlacespeptídicos, como se muestra c " " _
H I R-C-C
/ / O
NI
\OH
H/
.'.
/kH"\, /kH"\ !
I
II
I
i1,, HO /
\,-,x n/
C-C-R' I
extremo N-terminal
dos aminoácidos forman un enlace peptidic0 por sustracción de agua
extremo C-terminal
tres aminoácidos forman un tripéptido
Los grupos R pueden fluctuar desde H en el aminoácido más simple,la glicina, a uno de los muchos radicales orgánicos más o menos complejos. Se sabe dela presencia de veinte o veintiún aminoácidos enlas proteínas, así como dos amidas, glutamina y asparagina. Las plantas contienen muchos otros aminoácidos que se encuentran libres pero no se sabe si se integran a las proteínas. Un sumario de los aminoácidosimportantes enuna relación estructural aproximadasepresenta en la Figura 2-7.Los 23 aminoácidos y amidas que comúnmente se encuentran en proteínas vegetales están marcadoscon un asterisco. Todos los aminoácidos se comportan como ácidos y como bases, debido a que el grupo amino es una base fuerte y el grupo carboxilo, un ácido fuerte. R
HOP
+ +H"N-C-CI
/O
H/
O 'P
base
+ H+
ácido
Ciertosaminoácidos,comoarginina o lisinason más fuertemente básicos porque contienen grupos amino (NH,) extras; otros, tales como el ácido aspártico y el ácido glutámico son más fuertemente ácidos debido a susgrupos carboxilos (COOH) adicionales. El pH, al cual la carga positiva neutraliza exactamente a la carga negativa, se llama punto isoeléctrico, o pK del ácido. Las proteínas también muestran un pronunciado punto isoeléctrico. En el pK, las proteínas son muy sen-
FUNDAMENTOS
QUhICA
36
sibles a la precipitación porque no poseen la protección contra la aglomeración que da la presencia de la carga elbctrica. La individualidaddecadamoléculaproteicaestádadapor su estructura primaria, que se define como los monómeros (o residuos) de aminoácidos especiy elordenenque se disponen estos ficos de los cuales se compone la proteína y pleaminoácidos. Un polímero como la molécula proteica tiende a enrollarse NH2 y grupos garsesobre s í mismo.Puestoquelasproteínasposeengrupos COOH que se repiten regularmente, tienden a formar enlaces de hidrógeno internos. Debido a la configuración de los enlaces y a la forma y tamaño de los monómeros, existe la tendencia a que se formen enlaces de hidrógeno entre el oxígeno de un residuo y el nitrógeno del cuarto residuo siguiente, a lo largo de la cadena. El resultado es que la cadena tiende hacia la formación de una hélice a , altamente 2-8. Esta estabilizadaporenlacesdehidrógeno,comosemuestraenlaFigura configuración se denomina estructura secundaria de la proteína. Figura 2-7. Estructura de aminohcidos comtlnrnente encontrados enplantas. Los quesesabequeOcurrenenproteínasseindican con un asterisco (*l. NHZ
I
*Glicina
CH,-COOH NH2
I
'Alanina
CH,-CH-COOH NH,
I
'Serina
CH,OH"CH-COOH
'Fenilalanina
'Tirosina
NH2 Dihidroxifenilalanina (dopa)
HO NH, *Triptofano
I
CH,-CH-COOH
I
H
Con tinú,
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
36 Figura 2-7 (continuación)
NHZ 'Histidina (AdviBrtase la relación con
rz
I
CH,"CH-COOH
I
la arginina)
C-N
II
C ,H - HC -,
II
N
I
H
NH,
I
*Cistelna
HS-CH,"CH-"COOH
'Cistina
CH,-CH-COOH
I
S
I
s
NH2
I
/
CH,"CH-COOH NH2 Ácido a-amino butlrico
!
CH,
-
CH2 - CH"C0OH NH,
'Metionina
I
CH~"CH2"CH-COOH
I
S-CH, NH, Etionina
~
CH,~-CH,"CH-COOH
I
S-CH,-CH, NH, Homoserina
I
CH20H-CH,-CH-"COOH NH2
"Treonina
I
CH,"CHOH-CH-COOH NH,
"Ácido asphrtico
I
COOH"C~2"CH-COOH
NHZ 'Asparagina
I
CONH2-CH,-CH-COOH NHZ
p-alanina
COOH--CH2-CH,
I
Continúa
37
FUNDAMENTOS DE QUfMICA Figura 2-7 (continuación)
Ácido azetidín carboxílico
NH2 *Ácid0 glutamico
I
COOH-CH,-CH,-CH-COOH
(Varios derivados y-hidroxi, y-metil, y-metilina)
NH2 *Glutamina
I
CONH,-CH,-CH,--CH-COOH NH2
Ácido y-amino butirico *Prolina
I
COOH"CH,-CH,--CH2 CH2-CH,
I
1
CTZ ,CH-COOH NH *Hidroxiprolina
HO-CH-CH,
I
1
CH-COOH CH \ 2/
NH
(AdviBrtase la relación con ornitina, arginina y citrulina)
* Valina CH-CH-COOH
* Leucina
NH2
I CH3)CH--CH2-CH-COOH CH,'
Norvalina
CH3-CH2-CH2-CH-COOH
NH2
i
Ornitina
CH2"CH2-CH2-CH-COOH
I
Continúa
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
38 Figura 2-7 fcontinuacibn)
*Arginine
CH,"CH,"CH~-CH"COOH
I
NH
I
C=NH
I
NHZ NH, Citrulina
I
CHz-CHz-CH,"CH-COOH
I
NH
I
c=o
I NHZ NHZ *Isoleucina
I CH,-CH,-CH-CH-COOH
I
CH3 NHZ
I
Norleucina
CH~-CH,-CHz-CHz-CH-COOH NHZ
Lisina
I
CH,-CH,-CH,-CH,-CH-COOH
I NHZ CH
Ácido pipecólico
CH,
' 2
CHZ
I
C H :
I ,CH"COOH NH
La forma helicoidal tiende a ser relativamenteinelQtica y rígida, así que las proteínas queposeen extensas hélicesasumenusualmenteunaforma fibrosa. Además,lacadenadepolipéptidopuedeplegarse y comprimirseenformamuy semejante a un filamento enmarañado. Con todo, estas estructuras comprimidas no son fortuitas; se forman con toda precisión y semantienenunidasmediante numerosos y diferentes tipos defuerzasde atracción, desdelasdébiles vander Waals y los enlacesdehidrógeno y enlacescovalentes como los puentesdediLa mayoría de tales ligamentos involucran las cadenas laterales sulfur0 (-S-S-). de aminoácidos y constituyen lo que se llama estructura terciaria de la mol6cula de proteína. Se conoce la estructura primaria de numerosas proteínas. Las estructuras secundaria y terciaria son más difíciles de determinar y se han dilucidado en sólo unas pocas proteínas. Un ejemplo de una proteína cuya estructura completa es conocida, es la mioglobina, que se muestra en la Figura 2-9.
39
FUNDAMENTOS DE QUWICA H
1
Extremo N-terminal H-
N-
H I
I
?
O
I
R6
N
Figura 2-8. DiagramadeunahBlice proteica, que muestra los enlaces hidr6geno de (Ilneas punteadas).Esto es enrealidad un octopdptido (que contiene ochoaminodcidos).Una mol& cula de proteina contendrla muchos mas.
O Extremo C-terminal
Figura 2-9. Estructura de la mioglobina, una molkula proteica que contiene 153 amino4cidos y un grupo hem.
40
INTRODUCCION Y GENERALIDADES
ACIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son los últimosgruposmayoresdecompuestosbiológicos que se examinarán. Estos son polímeros de nucleótidos, de la misma manera que las proteínas son polímeros de aminoácidos. Cada nucleótido consiste en una base y un azúcar esterificado con una molécula de ácido fosfórico. La combinación base-azúcar, sin el ácido fosfórico, se llama nucleósido. Existen dos azúcares, ribosa y desoxirribosa (carente de un átomo de oxígeno), y los nucleótidos que los contienen se denominan ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos,respectivamente. El ácido ribonucleico (RNA) es un polímero de ribonucleótidos(poseedores del azúcar ribosa), mientras que el ácido desoxirribonucleico (DNA) esun polimero de desoxirribonucleótidos (poseedores del azúcar desoxirribosa). Las bases orgánicas son adenina, uracilo, citosina y guanina en el RNA; mientras que la adenina, timina, citosina y guanina ocurren en el DNA. Los monómeros se unen entre sí mediante enlaces estéricos con los grupos fosfatos del C-5 de un azúcar al C-3 del siguiente. La estructurz.delos ribonucleótidos y los desoxirribonucleótidos, así como el enlace de sus polímeros se muestran en la Figura 2-10. Los ribonucleótidos son importantes en las principales reacciones de transferencia de energía del metabolismo celular. Un segundo y tercer grupo fosfato, pueden esterificarse sobre el primer grupo fosfato que se:une , a l C-5 de la mitad ribósica del nucleótido. Una cantidad mayor de energía se requiere para la síntesisde estos ésteres fosfato, particularmente el tercero. Inversamente,se libera mucha energía en la hidrólisis de estos enlaces. Así pues, la energía de lasreacciones de oxidaci6n celular puede almacenarse en estos compuestos y transportarse a otras partes de la célula y ser liberada más tarde para las reacciones de síntesis o para desempeñartrabajos (ver Capítulo 5). Los más importantes ribonucleótidos son los de la serieadenosina: monofosfato deadenosina(AMP), difosfato de adenosina (ADP) y trifosfato de adenosina (ATP), que se muestran en la Figura 2-11. Los otros ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos tambidn producen ésteres di- o trifosfato. La formación del RNA y el DNA tiene lugar por la unión de los Bsteres triples de los nucleótidos; eliminándose dos grupos fosfatos en la condensación de cada nucleótido. El DNA es el portador de la información genética de la célula.Los cordones paralelos del DNA están fuertemente unidos entre sí mediante enlaces de hidrógeno entre los grupos amino y carbonilo (C=O) de bases adyacentes de tal manera que una purina siempre se une con una pirimidina.La adenina siempre se enlaza a la timina y la citosina a la guanina. Estos pares de bases se llaman complementarios; se eslabonan solamente una a otra porque su tamaño y estructura molecular permiten un ajuste exacto sólo entre bases complementarias. La estructura así formada se arrolla iuqgo en una doble hélice debido a la formación de enlaces de hidrógeno, como semuestraen la Figura 2-12. La doble hélice puede autoduplicarse con toda precisión porque las bases siempre se aparean del mismo modo, puesto que sólo las bases complementarias pueden hacerlo. Así es que cuando se forman dos nuevos cordones, usando cada uno de ellos la mitad de una doble hélice original como modelo, se forman dos copias exactas de la misma, como se muestra en la Figura 2-13. Este proceso ocurre durante la división celular. La información contenida en el DNAes “leída” mediante la síntesis de un cordón de RNA, que es complementario respecto a la parte del cordón de DNA que forma su modelo (excepto que la adenina del DNA se complementa con el uracilo del RNA, envez de la timina). Este proceso de ilustra en la Figura 2-14.
FUNDAMENTOS DE Q U ~ I C A
41
Figura 2-1O. Estructura de componentes de 6cidos nucleicos. OH
I
Bases púricas
H Adenina
H
Guanina
OH
I
N//c\cH
I
I N4c\C-CH3
I
I1
Ho/C\N/CH
íI
HO Citosina
Timina
Uracil0
OH
I
c-c
I
1
OH fosfato
OH
- azúcar azocar
I
HO-P-O-
azúcar
--
-
base
Nuclebtido
___
base
Nuclebsido
base
I
O
I
HO-P-O-azúcar
-
.- base
Acido nucleic0
I
O
I
HOP-O-
azúcar
- base
!
El RNA así formado se llama RNA mensajero (RNAm). La información genética está contenida en tripletes de nucleótidos, o codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido específico, como se muestra en la Figura 2-15. Los detalles son los siguientes: Los codones son leídos por el RNA soluble (RNAs) de bajo pesomolecular también conocido como RNAde transferencia (RNAt). Cada RNAtposee un triplete debasesquecomplementa exactamente a un codón. Cada RNAt específico, poseedor de un codón específico, es capaz de combinarse con el aminoácido específico requerido por e' codón. Así es que los
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
42
OH
/
OH
I
OH
l
HO-P"O"P"O~P"~"C
11
11
11
H
l
I 'c
I
H
I
H
Figura 2-11. Adenosln trifosfato.
aminoácidos requeridos se alinean en la secuencia ordenada por el RNAm, donde en forma sucesiva se eslabonan químicamente y se liberan de los ácidos ribonucleicos de transferencia. El péptido resultante posee precisamente la secuencia de aminoácidos requeridos por la información genética del DNA original, conforme setrasmiteporelRNAm y se leeporelRNAt.Aunquelosaminoácidos,los y lasenzimasqueformanloscomplejos ácidosribonucleicosdetransferencia
Figura 2-12. La doble helice del DNA.
43
F U N D A M E N T O S D EQUíMICA Doble cordón original
%c
A
A
Figura 2-13. Duplicación del DNA. Dobles cordones nuevos
DNA
Figura 2-14. Transcripción del DNA.
\ R N A m en formación
RNArn Nuevo
44
INTRODUCCIdN Y GENERALIDADES
Aminoácido
Aminoácido
Aminoácido
I
l
l
I
l
l
A
A
U
C
G
U
1 U
1 A
1 G
1 C
1 U
1 G
I
l
l
A
U
A
mRNA
Figura 2-15. Los aminoácidos se alinean para articularse en proteínas rnedian'te mol6culas de RNAt que "leen" los codones del RNAm.
aminoácidos-RNAt están libres en el citoplasma, las enzimas y el dispositivo para el verdadero montaje de las proteínas están contenidos en partículas diminutas llamadas ribosomas (ver página 57). Se sostiene que los ribosomas se mueven a lo largo de los cordones de RNAm, leyendo la información (esto es, alineando los complejos aminoácidos-RNAt conforme se necesiten) y formando el polipéptido o la protefna, que luego se liberan. Los RNAt, habiendo entregado sus aminoácidos a la cadena peptídica, salen nuevamente para constituir otros complejos con moléculas de sus aminoácidos específicos, y están listos para entrar otravez y entregar otro aminoácido a la cadena peptídica, conforme a las directivas del RNAm. Este bosquejo de la síntesis proteica ha sido muy breve y sólo se intentó a manera de base para el estudio posterior de los mecanismos genéticos que controlan el metabolismo y el desarrollo. Si se tiene dificultad para comprender este aspecto de la bioquímica se pueden leer uno de los tantos excelentes textos introductorios sobre biología celular o molecular.
LECTURAS ADICIONALES El material cubierto en este capituloestá tratado con mayor profundidad en textos actualizados de química orgánica o bioqutmica. Bronk, J.R.: Chemical Biology. Macmillan Publishing Co. Inc., Nueva York, 1973. The Molecular Basis of Life (Readings from Scientific American). W.H. Freeman & Co., San Francisco, 1968. Watson, J.D.: The Molecular Biology o f the Gene. Benjamin. Menlo Park, Calif., 1970. White, E.H.: Chemical Background for the Biological Sciences. Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J., 1970.Foundations o f Modern Biology Series.
Capítulo 3
LA CÉLULA
LA TEORÍA CELULAR La mayoría de los sistemas biológicos están formados por unidades llamadas células. Cada célula es una entidad viva completa; la “biounidad” más pequeña capaz de mantener una existencia independiente. Este concepto (una de las doctrinas básicas unificadoras de la biología) fue elaborado por Schleiden y Schwan en 1839, más de 150 años después del primer reconocimiento evidente de la naturaleza celular de las plantas superiores, por Robert Hooke. La única excepción a este concepto son los virus, que no tienen capacidad de vida independiente, debido en gran parte a su lapso de vida, pues deben asociarse y vivir dentro de células a fin de reproducirse, así que no son, en el sentido más amplio, verdaderos organismos vivos. Las células de los organismos más simples son capaces de realizar todas las actividades y manifestaciones vitales. En organismos más complejos las células pueden alcanzar un alto grado de especialización, para realizar solamente actividades específicas. Necesitan, por lo tanto, de la capacidad para comunicarse unas con otras, de manera que las actividades de grupos de células especializadas puedan coordinarse y los productos de un proceso metabólico de un grupo de ellas puedan transferirse a otro grupo para promover elmetabolismo. Cadauna de las células de un organismo multicelular porta inicialmente, y quizá por toda su vida, la totalidadde la información del organismo. Obviamente, no es posible extraer o utilizar toda esta información inmediatamente, por lo tanto, la célula debe tener algún sistema de selección y ciertas instrucciones externas que la habiliten para seleccionar la información apropiada. Es evidente que el organismo influyesobreelpatrón de desarrollo de las células individuales o, en otras palabras, elcomportamientode una de ellas es influenciado por las otras. Este es un hecho importante y básico en el estudio y comprensión de la fisiología vegetal. Para comprender el comportamiento de un organismo, deben conocerse íntimamente los detalles del comportamiento y capacidades de las células que lo constituyen. Inversamente, el estudio de las actividades y reacciones de una sola célula o de sus partes es una pretensión estéril, a menos que se la estudie en la perspectiva de todo el organismo del que es una parte y el cual controla y dirige su comportamiento y desarrollo. Las células, y los organismos formados con ellas, puedendividirse en dos tipos: las procarióticas (pro,antes; haryotic, que posee núcleo; por 10 tanto, C & l -
INTRODUCCIdN Y GENERALIDADES
46
las que carecen de núcleo organizado o membrana nuclear) y las eucarióticas (eu, bueno;por lo tanto, células que poseenunnúcleo bien definidoseparadodel citoplasma por una membrana). Las bacterias y las algas verde-azules son procariotes y todos losorganismossuperioressoneucariotes. Las células procarióti1 p dediámetro y muestrancomparativamente cas sonpequeñas,cercanasa escasa organización estructural. Las c8ulas eucarióticas son por lo regular mucho más grandes (10-100 p o mayores) y poseen unacompleja estructuraint,erna, inclusive numerosos organelos de función específica. Aunque las células pueden llegar a ser más y más complejas con el transcurso del tiempo, es probable que sean tan simples y sencillas como la complejidad de su comportamiento lo requiera. Los sistemas biológicos tienden amenudoa seguir ei principio de la “navaja de Occam”: la manera más simple y directa de hacer algo es l a más idbnea. Las formas costosas (en términos de energia y material) y complicadas de hacer las cosas, no tienen la probabilidad de sobrevivir a la evolución como las no merece ser más simples, para el mismo fin.Esterazonamiento(realmente calificado de “principio”) ha sido útil en el estudio y comprensión de los cornplejos sistemas de control intercelular e jntracelular de organismos pluricelulares.
L A CBLULA Y
SUS PARTES
En la Figura 3-1 se muestra una micrografía electrónica de una célula, junto a diagramas de una típica célula vegetal que muestra sus diversas partes. A estos diagramas se referirá toda la subsecuentediscusión. Las células vegetales contiey generalmente nenplastidiosdemaneracaracterística (aunquenosiempre), poseen una pared celular bien definida, que puede estar diversamente engrosada. Con excepción de esto y de la ausencia de un centrosoma en las células de las espermatofitas, las células vegetales no difierensensiblemente de las animales. E,l tamaño relativo de las partes celulares se muestra en la Tabla 3-1. Las cifrasdadas allísonsolamenteaproximadas,pero sirven para dar una idea de las relaciones de tamaño de una célula y sus partes. Las unidades de medida que se usan se muestran en la Tabla 3-2.
Tabla 3-1. Relacióndeltamaño aproximado de las células y sus partes. Rango detamaño usual aprox. -~ ~
~~~~
Cdlula Núcleo Cloroplasto Mitocondria Peroxisoma Ribosoma Retículo endoplásmico Unidad de membrana Molécula proteica
10 p-10 mm 5-30 p 2-6 0.5-5 1-1 1P
250 a 200 A 75 A
20-100 A
Tabla 3-2. Unidades con las que se miden el tamaño de células y partículas subcelulares. 1 milímetro (mm) =
i o 3 micras ( p )
= lo6 mihmicras (mp)
o nanómetros (nm) = I O 7 unidades Angstrom (a) 1 y = I O 3 my (nm) = 104 1 mp (nm) = I O A
LA CÉLULA
47
PARED CELULAR. La pared celular no funciona como barrera fisiológica, su fun-
ción principal es mecánica; es soporte de la célula y estructuras pluricelulares e impide la ruptura de las membranas externas como resultadode las presiones hidrostáticas que se producen dentro de la célula. Además, las plantas carecen de mecanismos directos, tales como la fagocitosis, para hacer frente a organismos patógenos invasores que podrían penetrar a través de heridas y aberturas naturales. Es probable que la fuerte resistencia de las plantas a la infección de tales invasores se deba en gran parte a sus paredes celulares relativamente impenetrables. La pared celular más delgada y simple de las plantas es la que encierra el protoplasma de las células meristemáticas, la pared primaria. Luego de la división celular se forma una pared primaria entre las dos células resultantes, la cual se desarrolla de la placa celular (que se muestra en la Figura 3-2), fina estructura formada por la coalescencia de muchas vesículas citoplásmicas que derivan del aparato de Golgi (ver página 57). El contenido de estas vesículas, queforman la lámina media de la nueva pared enformación,consiste,principalmente,de pectina y pectato de calcio, sustancias fundamentades de la lámina media. Cordones de citoplasma llamados plasmodesmos penetran usualmente la pared celular los contenidos celulares de vía numerosos orificios o aberturas,demodoque células adyacentes pueden, de hecho, estar en intimo contacto. Se ha sugerido, asimismo, que elementos del retículo endoplásmico penetran la pared celular o se prolongan con la plasmalema, pero esto no se sab'e en definitiva. Tan pronto se forma la placa celular, la celulosa comienza a depositarse como largas y finas varillas, o microfibrillas, para formar la pared primaria, la cual está construida principalmente de celulosa. Al principio estas microfibrillas son usualmente isotrópicas (sin orientación preferente u ordenada) como se muestra en la Figura 3-3A. Sin embargo, las paredes continúan creciendo, tanto en área como en grosor, a medida que las células se alargan o dividen. El crecimiento de la pared celular determina que las microfibrillas se deslicen unas sobre otras y adquieran una orientación acorde con la dirección del crecimiento. Las fibrillas que se forman después se depositan usualmente bajo un patrón de alta orientación, como se ilustra en la Figura 3-3B. Indudablemente, las microfibrillas de celulclsa constituyen los principales elementos de fuerza y rigidez de las células, impidiendo que se hinchen, estallen o revienten a causa de la presión de sus contenidos, aunque ellas no son las únicas constituyentes de las paredes celulares. Las microfibrillas de celulosa están embebidas en un gel amorfo consistente en gran parte de polímeros distintos al almidóny la celulosa, principalmentepectinas JT hemicelulosa junto conuna pequeña cantidad de proteína. Conforme la célula madura, la pared engruesa y se depositan capas adicionales de microfibrillas celulósicas orientadas hasta que la célula llega a ser rígida. En muchas células se deposita masivamente celulosa casi pura (como en el algodón) o celulosa mezcladia con otros componentes tales como ligninas y hemicelulosas (como entraqueidas y vasos). MEMBRANAS. Todas las propiedades de las células vivas dependen en algún grado de las cualidades de sus membranas. Una célula está rodeada por una membrana que la separa de su ambiente y la capacita para controlar selectivamente la entrada y salida de sustancias. Asimismo, virtualmente toldos los organelos subcelulares están formados de o circundados por membranas partes de membranas y gran parte de la maquinaria enzimática celular está montada o asociada de una forma 01
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
48
A
LA CÉLULA
49
Idario
Figura 3-1. La c6lula vegetal. A. Micrografía electrónica de una c6lula radical de Vicia. B. Diagrama que muestra la ultraestructura de una cdlula. C6digo: CP, cloroplasto; SER, retículo endoplismico liso; RER, retículo endoplásmico rugoso; G, aparato de Golgi; M, mitocondria. C. Representacih tridimensional de las partes de dos células vegetales. (Compárese con la Figura 3-1A, de la cual se dibujó este diagrama.) El retículo endoplásmico forma láminas fenestradas, muy ramificadas en todas las c6lulas y atraviesa de una c6lula a otra vía los plasmodesmos. Se muestransecciones a travésde las mitocondrias (M), plastidios (P) y cuerposde Golgi (G) y vistas transversales y superficiales de la membrana nuclear (NM). (A y C de F.A.L. Clowes y B.E. Juniper: Plant Cells. Blackwell Scientific PublicationsLtd., Oxford, 1968. Utilizadasconpermiso.)
50
INTRODUCCION Y GENERALIDADES
u otra con membranas. En consecuencia? la fisiología de las membranas es de importancia central en la fisiología de las plantas. La estructura de las membranas ha sido durante mucho tiempo un asunto de controversia debido a que es difícil imaginarse una barrera que permita el paso de ciertas sustancias e impida el de otras y, ademas, que permitael paso de ciertos materiales en un solo sentido. Se han hecho varias proposiciones, inclusive cribas de distintos tipos y mosaicos de compuestos Zipofllicos e hidrofilicos. Parece probable ahora, que ciertas propiedades de las membranas resultan de su naturaleza química, otras de la existencia de poros que acaso actúan como cribas diferenciales y aun otras propiedades resultan de la existencia de mecanismos de transporte altamente especializados que mueven activamenteciertassustancias enforma direccional a travks de barreras celulares. Figura 3-2. Micrografía electrónica de una placa celular en formación, de una hoja joven de trigo (Triticum). Se cree quenumerosas y pequei’íasvesículas formadas por el aparato de Golgi se fusionan para constituir las vesículas mayores (cp), y Bstas finalmente se integran para foumar la propia placa celular. 6 s t a se está desarrollando hacia la izquierda de la fotografía. Sobre el extremo izquierdo numerosos microtúbulos (t) parecen estar guiando las pequeñas vesículas de Golgi hacia su sitio (flecha), Estos microtúbulos son relativamente rectos, en tanto que íos ya embebidos en la pared se han tornado sinuosos (S), y no existe ninguna señal de microtúbulos en la sección más antigua de la pared hacia la derecha. (De F.A.L. Clowes y B.E. Juniper: Planr Cells. Blackwell Scientific Publications Ltd., Oxford, 1968. Utilizado con permiso. La micrografía fue suministrada originalmente por el Dr. J.D. Pickett-Heaps y el Dr. D.H. Ncrthcote.1
LA CÉLULA A
Figura 3-3. Disposición de las microfibrillas en las paredes celulares de Valonia, 12,000 X . A. Microfibrillas de la pared primaria isótropas o dispuestas al azar. B. Microfibrillas de la pared secundaria paralelas (anisótropas). (De J. Bonner y J.E. Varner: Plant Biochemistry. Academic Press, Nueva York, 1965. Utilizadas con permiso. Fotografías cortesía del Dr. K. Mühlethaler, Zurich, Suiza.)
Se ha descubierto que la apariencia básica de las membranas es tan constante de organismo a organismo y de organelo a organelo que el concepto de “unidad de membrana” ha sido propuestopor J.D. Robertson y col. Las membranas dan la apariencia de una estructura de tres capas en las micrografías electrónicas (ver Figura 3-4); las dos capas externas son principalmente de proteína, y la capa interna de lípido. Los diagramas para ilustrar los conceptos actuales sobre la disposición molecular de las unidades de membrana, tal y como fue descrita por H. Davson y J.F. Danielli, se muestran en la Figura 3-5. Tal estructura sería extremadamente estable, soportada por fuerzas polares y por fuerzas de atracción como enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals;sin embargo, suficientemente flexible si se toma en cuenta el hecho de que tales membranas no son estructuras estáticas: son capaces de moverse, reventar o romperse, y reconstruirse para producir vesículas mediante pliegues que se remueven a presión. Investigaciones más recientes han demostrado que la hipótesis de la unidad de membrana no es de validez universal. Ciertas membranas parecen estar compuestas por glóbulos de fosfolípidos revestidos de proteína envez de dobles capas de lípido revestidas de proteína. Ciertas membranas son claramente asimétricas; poseen en un lado una capa proteica más gruesa que en el otro o parecen tener, en vez de capas, glóbulos de proteína. Se ha sugerido que las moléculas de proteína pueden penetrar la doble capa lipídica a intervalos, formando esencialmente “poros” hidrófilos, o que las proteínas, o cadenas de polipéptidos, pueden entremezclarse en el interior de la capa de lípidos. En 10s CapítÚlos 5 y 12 se examinará cómo se involucran las membranas en reacciones de transferencia de electrones y de prlotones conducentes ala sínte-
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INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
Figura 3-4. Micrografía electrbnica deunapared celular ( A l l i u m ) ensecci6ntransversal que muestra la capa doble de la membrana plasmática (nota: no una doble membrana), y microtúbulosalineados a lo largode la membrana. (Micrografía electr6nica cortesía del Dr. A.K. Bal, Departamento de Biología, Memorial University,Terranova.)
sis de ATP y al transporte iónico. Estas reacciones exigen que numerosas proteínas-enzimas de la cadena de transporte de electrones y otras estén específicamente orientadas en las membranas y en sus superficies internas y externas. El bioquímico norteamericano E. Racker describió un modelo de estructura de membrana, mostrado en la Figura 3-6, que satisface estos requisitos. Esta estructura puede relacionarse, en general, al arreglo que se presenta en la Figura 3-5, pero difiere de ella en que muestra la localización interna de ciertas moléculas de proteína. Sin embargo, la estructura exacta de varias membranas puede diferir en detalles que probablemente se relacionan con su función. La mayoría de las estructuras subcelulares, tales comonúcleo,mitocondrias o cloroplastos, están rodeadas por membranas dobles; sin embargo, la capa viva más externa del citoplasma -membrana celular o plasmalema-, así como la membrana interna que limita la vacuola -tonoplasto- se componen de unidades de membranas sencillas. Estas dos membranas controlanprincipalmente el intercambio de compuestos entre el citoplasma y el espacio extracitoplásmico fuera de la célula, y el interior de la vacuola. Ellas marcan los límites del material vivo de la célula. Esto no significa que el citoplasma no pueda ejercer su influenciamás allá de los límites de sus membranas. Lo ejerce, evidentemente, puesto que es capaz de modificar los contenidos vacuolares y dirigir la síntesis de paredes celulares que se emplazan por fuera y encima de la plasmalema. NSTCLEO. La estructura organizada más grande y notable en la mayoría de las células es el núcleo. Esta estructura contiene gran parte del material genético de
LA CBLULA
53 Figura 3-5. Dos interpretaciones de la estructura de las membranas celulares.
P
2019
9 5.108,
Unidad de membrana tal y como seveen micrografías electrónicas (el material opaco a los electrones separado mediante espacios claros)
CLAVE
{Y -
Galactolípido (incluye el azúcar galactosa que es altamente polar)
Cadena peptídica extendida
Proteína
Hélice a-peptídica
8
Catión libre
Ácido graso
"b
Grupo polar (noiónico)
E
Trioleato graso (triglicérido)
Fosfátido
Grupo polar aniónico 4
Fosfolípido ""
Grupo polarcatiónico Fuerzas cohesivas no Dolares
I N T ~ R O D U C C P ~YNGENERALIDADES
54
Fosfol ípinosy proteínas superficiales
Fosfolipido biestratificado
Sistemas de enziroas q u e penetran Is membrana
superficial
Figura 3-6.Modelo de estructura de membrana. (De E. Racker: A New Linok at Mechanisms in Bioenergerim. Academic Press, Nueva Yoric, 1976.)
la c6lula: los cordones de D X A , presentes en complejos de proteína que forman las nucleoproteinas. Éstas se presentanusualmentecomofilamentosdecromatina(Figura 3-71>perodurante la división celular se transformanclaramente en cromosomas, o mejor dicho: en pares de cromosomas puesto que se duplican antes de que se inicie la divisibn (ver Figdra 3-8). El nlicleo contiene usualmente de unoacuatro nucleolos (Figura 3-71? cuerpos esféricos que se tiñendensamente y que parecen ser reservas de RNA, las cuales se supone sor, utilizadas durante la transcripcióndel mensaje del DNA de la cromatina. El núcleoestá circundadoporunadoblemembranaque posee numerososporospequeños Figura 3-7.Micrografia electrónica de una cBlula del rneristetno apical del trigo ( T r i f i c ~ r n ) 10,000 X , El núcleo, que ocupa casi toda \a c8lula, contiene crornatina y una Gran nucleolo. (Preparación por el Dr. J. Mahor; micrografia cortesía de la Sra. E. Paton.)
Fase rnetab6lica
Profase temprana
Anafase
Profase Metafase tardía
Células nuevas-fase metabólica
Figura 3-8. Diagrama de la mitosis en una c6lula vegetal. (De W.H. Muller: Botany: A Funtional Approach, 3a. edición. Macmillan Publishing Co., Inc., Nueva York, 1974.)
Figura 3-9. Micrografía electrónica de parte de unacdlula de hoja de espinaca. La membrana nuclear con poros (P) estáanastornosadaalretículo endoplhnico rugoso (J). La c6lula tambidn contiene rnitocondrias ( M ) y un cloroplasto en desarrollo ( C ) . (DeF.A.L. Clowes y B.E. Juniper: Plant Cells. Blackwell Scientific Publjcations Ltd., Oxford, 1968. Utilizada con permiso.)
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INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
(Figura 3-1A).Se ha sugerido, aunque sin pruebas inequívocas, que grandes moléculas como las ribonucleoproteínas pueden atravesar los poros de la membrana nuclear, permitiendo con ello la salida del material informativo desde el núcleo al citoplasma. Aparentemente la membrana nuclear continúa en el retículo endoplásmico, el cual se conectaa su vez con la plasmalema (Figura 3-9), proporcionándose así una ruta entre el núcleo y el entorno de la célula. La significación de tales rutas no ha sido investigada exhaustivamente.
RETÍCULOENDOPLÁSMICO. El retículo endoplásmico (RE) es una red de membranas que se ramifica por todo el citoplasma de la mayoría de las células en metabolismoactivo. Consiste de dobles unidades de membranas, quea veces se separan para formar vesículas. Gran parte del retículoendoplásmico posee numerosos ribosomas (ver página 57), ya sea adheridos a é1 o unidos a su lado externo. Éste se llama retículo endoplásmico rugoso y cuando carece de ribosomasse llama retículo endoplásmico liso. Dado que los ribosomas son los sitios de síntesis proteica de la célula, es probable que esta asociación de ribosomas y retículo endoplásmico esté directamente comprometida con la síntesis de proteínas. El retículo endoplásmico desempeñaría el papel de conjuntar las subunidades para la síntesis proteica y distribuirlos productos. Se ha sugerido que el retículo endoplásmico se comunica con y probablemente a través de la plasmalema y la envoltura nuclear. Si ello fuera cierto, todas las partes de la célula, el núcleo incluido, pueden estar en intimo contacto con un sistema de cavidades continuo con el exterior y con otras células. Las conexiones entre el retículo endoplásmico y la envoltura nuclear están ahora bien probadas (ver Figura 3-9), pero la asociación de l a membrana nuclear con la plasmalema y con los contenidos de células adyacentes se apoya en evidencias menos claras. Las posibilidades de un sistema tal son enormes, pero no se sabe en quémedida el retículoendoplásmicofuncionacomoun sistema para transferencia de material -o información- entre células. Una interpretación más reciente sugiere que el retículo endoplásmico realmente no se comunica con la plasmalema sino quedesprende vesículas que se asocian a la membrana celular y en esa forma pasan a su través sus contenidos. Parece entonces que, eventualmente, habría continuidad entre el retículo endoplásmico y el exterior de la célula, pero no necesariamente una vía directa desde la envoltura nuclear hasta el exterior de la misma. La formación de nuevas paredes celulares durante la división celular principia con la alineación de los microtúbulos (página 62) y continúa con la puesta en formación de las vesículas, derivadas aparentemente de los dictiosomas o del retículo endoplásmico. Estas vesículas contienen material de carbohidratos que se usan para formar la lámina media de la pared. Por lo tanto, el retículo toma parte activa en la formación de la pared celular. Una consecuencia de la ramificación del retículo endoplásmico y su continuidad con la envoltura nuclear es que el citoplasma de la célula puede dividirse en pequeños compartimientos. Las divisiones no son absolutas porque el retículo es una membrana viva que puede reventar o romperse y,reconstruirse, y porque puede haber orificios y grietas en los compartimientos. Estos, sin embargo, pueden ser de gran importancia en el mantenimiento de diversos sistemas metabólicos dentro de unacélula. Las divisiones impiden que los metabolitos de unsistema interfieran con los de otro; ya sea mediante un suministro excesivo de un metabolito indeseable o por el drenaje de algunos intermediarios que se necesiten.
LA CBLULA
Figura 3-10. Interpretación diagramática de un dictiosoma vegetal o aparato de Golgi. El recuadro muestra una vesícula secretora en formación,(De H.H. Mollenhauer y D.J. Morré: Golgi apparatus and plant secretion. Ann. Rev. Plant Physiol. 17:27-46 (1966).Utilizada con permiso. Fotografía cortesía del Dr. H.H. Mollenhauer.)
APARATO DE GOLGIY DICTIOSOMAS. Los dictiosocnas son cuerpos en forma
de plato constituido porvarias capas de vesículas planas, o cisternas compuestas de unidades de membrana (ver Figuras 3-1 y 3-10). Uno o muchos dictiosomas constituyen el aparatode Golgi de la célula. Los bordes de estas cisternas seven frecuentemente globosos o hinchados y, evidentemente, dan origen a las vesículas que se separan de los bordes por una especie de estrangulación. El aparato de Golgi está fundamentalmente relacionado con la formación de la pared celular y es extremadamente importante como sistema principal de transporte de materiales hacia el exterior de la célula, vía las vesículas que se forman de las cisternas de los dictiosomas. La síntesis de los polisacáridos de la pared celular se inicia en el retículo endoplásmico pero se completa en los dktiosomas y luego se transporta al lugar de síntesis de la pared, mediante vesículas formadas por los dictiosomas. Así pues, el principal papel del aparato de Golgi parece ser la secreción y síntesis de polisacáridos.
RIBOSOMAS.Los ribosomas son pequeños cuerpos (150-250 A de diámetro) que contienen la maquinaria para la síntesis proteica de la célula (ver página 39). Pueden estar libremente dispersos por todo el citoplasma pero a menudo se hallan asociados con el retículo endoplásmico, dándole una apariencia rugosa (ver Figuras 3-1, 3-4 y 3-9). La síntesis proteica ocurre en los ribosomas, y las nuevas proteínasformadaspueden liberarse al citoplasma o atravesar de algún modo la membrana del retículo endoplásmico.
Figura 3-11. La mitocondria. A. Diagrama de una mitocondria. B. Diagramade la estructura de la membrana mitocondrial. C. Micrograf ía electrónica de una mitocondria. (Fotografía original cortesíadel Dr. G.P. Morris. Queen’s University, Kingston, Ontario, Canadá.)
/
Membrana interna Membrana externa
B
LA Cf3LULA
59
Se ha encontrado que organelos más grandes, tales comocloroplastos, mitocondrias y núcleosposeenribosomasen su interiorasociadosa sus membranas internas. MITOCONDRIAS. Estas estructuras grandes, generalmente ovales (alrededor de 4-7 p de largo y 0.5-1 p de diámetro) contienen gran parte de la maquinaria metabólica
celular. Se presentan en gran númeroen células metabólicamenteactivas, pero no abundan en las seniles o en reposo. La mitocondria está formada por lo que parece ser una doble unidad de membrana normal. La capa interna de esta membrana estáprofundamente plegada haciaelinterior para formar las crestas, membranas transversales que se emplazan más o menos oblicuamente en la mitocondria (ver Figura 3-11). Las membranas parecen tener pequeñas protuberancias de alrededor de 70 A de diámetro, denominadas F,-ATPasa, adheridas a su superficie interna mediante pedúnculos de 30 A de largo aproximadamente, llamados partículas F,. Estas estructuras están relacionadas con la síntesis de ATP, el compuesto de movilización energética de lacélula.Lasmitocondrias suministran la energía mediante la ruptura controlada de substratos respiratorios para la síntesis de gran parte del ATP celular, el cual se usa a suvez para llevar energía hacia las síntesis y reacciones que requieren de ella. Estos procesos se expondrán en detalle en el Capítulo 5. Lasmitocondrias poseen un cierto grado de autonomía, ya que contienen DNA. Lasmitocondrias de las plantastienen c'ordones de doble hélice bastante largos y es lo que explica la programación de la información de una porción considerable de su estructura. Sin embargo, se ha sugerido que el DNA mitocondrial puede estar solamente relacionado con la síntesis de ciertas proteínas (posiblemente estructurales) y que la mayoría de las proteínas enzimáticas probablemente esté programada por el DNA nuclear.
PLASTIDIOS. Estasestructurasestán presentes en muchas células vegetales. Los más conocidos son los cloroplastos, que contienen los pigmentos fotosintéticos, y llevan a cabo lafotosíntesis.Losleucoplastos son principalmenteclorofilas, incoloros, a menudo el lugar donde se desarrollan gránulos de almidón, denominándose entalescasos,amiloplastos. Los leucoplastos y cloroplastos son intercambiables y la naturaleza exacta del plastidio depende de la presencia o ausencia de luz. Los cromoplastos son plastidios especializados, a menudo de forma' angular o irregular, que contienen pigmentos distintos a la clorofila y no están involucrados en la fotosíntesis. El característico color rojo de las bayas del fresno montañés y de los tomates se debe a cromoplastos que contienen caroteno. Loscloroplastos son usualmente de 3-6 p de diámetro y pueden ser muy numerosos en células fotosintéticas; sin embargo, se conocen algunos de forma esférica o discoide. Ciertas células algales contienen sólo uno o dos cloroplastos gigantes que casi la llenan, los cuales asumen muchas formas, desde la oval y la estrellada a la cinta en espiral de Spirogyra. Laestructurainterna de loscloroplastosesaltamentecompleja, como se muestra en la Figura 3-12. Gran número de estructurasplanas, saculiformes llamadas tilacoides (thylahos, bolsa) se esparcen en el estroma o sustancia fundamental. Cada tilacoideestálimitadopor una solamembrana,perodebidoa lo aplanado de estasestructuras se ven como capas de doble membrana 0 lamelas. A intervalos más o menosfrecuentes se localizan pilas de tilacoidesdensamente empaquetados, llamadas grana. Lostilacoides de los grana se conectan 0 conti-
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INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
A
Figura 3-12. El cloroplasto. A. Fotornicrografía electrónica de un cloroplasto deespinaca. (Cortesía del Dr. B.F. Grant. Micrografía cortesía de la Sra. E. Paton.) B. Diagrama de los grana y de la estructura en calado de un cloroplasto.
LA CBLULA
61
núan con tilacoides intergranales, o del estroma, en uno o más puntos de sus márgenes. Las moléculas de clorofila y la maquinaria clue atrapa la energía luminosa se localizan en los tilacoides, principalmente en los grana. Las enzimas que catalizan las reacciones del carbono de la fotosíntesis están presentes principalmente en el estroma. Los cloroplastos se originan de cuerpos ameboides diminutos llamados proplastidios, que comienzan a desarrollar su estructura interna por invaginación de la capa interna de su doble membrana periférica, para formar vesículas. Éstas se unenyconstituyenunaestructura llamada cuerpoprolamelar.A la luz,el desarrollo del plastidio prosigue hacia la formación de tilacoides a partir del cuerpo prolamelar. Éstos se fusionan para formar los grana y se tornan verdes. En la oscuridad, sin embargo, el sistema lamelar no se desarrolla, ni se forma clorofila. La luz es necesaria no sólo para la síntesis de clorofila sino también para la elaboración de la estructura interna delos cloroplastos. Éstos contienen una importante cantidad de DNA y, evidentemente, son capaces de programar la síntesis a partir desus propios componentes estructurales. La división de los cloroplastos parece ser un fenómeno común y los de células fotosintéticas probablemente se originan en la división de los ya existentes, así como de proplastidios. La cuestión de si los cloroplastos podrán surgir de nouo no ha sido establecida en definitiva. Sin embargo, el consenso de la opinión actual es que los plastidios sólo se pueden formar de proplastidios o de otros plastidios. Si se eliminan los cloroplastos de un cultivo de células de Euglena por medios químicos, el cultivo nunca recobra sus cloroplastos o su capacidad de fotosíntesis.
’ GLIOXISOMASY PEROXISOMAS. Éstos soncuerpos microscópicos recientemente //-descubiertos, que ahora se han encontrado en muchas células vegetales. Son de alta densidad electrónica, habitualmente casi esféricos, de cerca de 1p de diámetro y limitados por una sola membranaLParecen ser esencialmente “unidades empaquetadas” de enzimas relacionadas con una secuencia específica de reacciones, del mismo modo en que las mitocondrias tienen relación con la oxidación en el ciclo de Krebs y síntesis del ATP, y los cloroplastos con la fotosíntesis.&os glioxisomas contienen la maquinaria enzimática de la vía del glioxilato del metabolismo graso, el cual es importante en la conversión de lasgrasas a azúcares (ver Capítulo 6, pp. 131 y 135). Este proceso se desarrolla principalmente durante la germinación de semillas almacenadoras de grasas.Los glioxisomas se localizan en gran cantidad en células de semillas como las de la higuerilla y parecen formarse a partir de vesículas derivadas del RE celular. Los peroxisomas son esencialmente similares;a los glioxisomas, pero contienen principalmente la maquinaria enzimática para la oxidación del glicolato producido en la fotosíntesis así como por otras reacciones que son parte del proceso de fotorrespiración (ver Capítulos 7 y 15, pp. 187 y 378). Ellos también contienen la enzima catalasa que desdobla la sustancia venenosa, peróxido de hidrógeno, formada durante la oxidación del glicolato. Los peroxisomas, localizados principalmente en las hojas de plantas superiores, se forman de los glioxisomas probablemente durante el desarrollo de la planta. OTRASESTRUCTURASSUBCELULARES. Además de los organelos descritos anteriormente, otras estructuras internas pueden a veces distinguirse en las-células. Un
62
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
centrómero está presente en las células de plantas primitivas; está asociado al mecanismo de división celular y probablemente también a flagelos o cilios que están presentes en las células generatrices de esas plantas. La mayoría de las células contienen microtúbulos, cuyo diámetro es de alrededor de 200-300 A , los cuales están vinculados a la síntesis de la pared celular y al transporte de materiales (ver Figuras 3-2 y 3-4). Los microtúbulos están involucrados enel movimiento o alineación de componentes celulares, como los cromosomas durante la división celular y las vesículas que contienen polisacáridos derivados del aparato de Golgi, destinados a la síntesis de la pared celular. El microscopio electrónico también revela numersos cuerpos ultramicroscópicos o gránulos cuya función se desconoce. Algunos de éstos pueden ser agregados de proteínas y enzimas que dirigen secuencias organizadas de reacciones metabólicas, similares a glioxisomas y peroxisomas. LA VACWOLA. La vacuola es fisiológicamente importante para la célula por dos razones. Primera, provee un sitio de almacenamiento para materiales que no se requieren de inmediato y suministra un vertedero para desechos celulares Y otras sustancias nocivas que las plantas carentes de sistema excretor deben almacenar internamente. Enzimas hidrolíticas o destructivas son segregadas al interior de la vacuola; allí degadan el material de desechoasustancias simples quepueden reabsorberse por el citoplasma para su reutilización. Segunda, la vacuola funciona como la reserva de agua de la célula; mantiene su estructura y rigidez al actuar como un globo interno que, ejerciendo presión sobre la pared celular, impide que ésta se deforme o colapse. El mecanismo de ello se verá posteriormente, al principio de la página 68. La membrana vacuolar, el tonoplasto, es obviamente de máxima importancia en el sistema de membranas de la planta. Esta típica unidad de membrana puede estar involucrada en la secreción de sustancias en el interior de la vacuola. Además, las vesículas del retículo endoplásmico o del aparato de Golgi son aparentemente Lapaces de unirse al tonoplasto e inyectar asísus contenidos directamente a la vacuola. Ésta puede contener numerosas sustancias en solución; azúcares, sales, ácidos, compuestos de nitrógeno, compuestos complejos como alcaloides, glucósidos y pigmentos antociánicos. Pueden encontrarse también pequeñas gotas o emulsiones de grasas, aceites y otras sustancias inmiscibles en agua, así como taninos, polisacáridos diversos y proteínas. Depósitos de cristales son también frecuentes en vacuolas de células maduras, siendo los de oxalato de calcio los más comunes. La presencia de este comp!ejo y altamente venenoso vertedero químico en las células vegetales, es una de las principales razones que explican el retraso de la bioquímica vegetal respecto a la animal. El aislamiento de proteínas, enzimas y organelos, o partículas subcelulares, se complica por el hecho de que, al reventarse la célula, las proteínas y organelos altamente sensibles se contaminana causa de la vacuola, la cual contienenumerososelementosconpoderprecipitante o desnaturalizante. El pH en las vacuolas es a menudo muy distinto al del citoplasma (el cual usualmente es de 6.8-8.0) y puede fluctuar desde un valor tan bajo como 0.9 hasta uno tan elevado como 9 ó 10, si bien los valores alcalinos son raros. El jugo celular ácido es común, generalmente como resultado de concentracionesmoderadas de ácidos orgánicos como el cítrico, oxálico o tartárico. ;Ciertas algas microscópicas tienen ácido sulfúrico 1 N en sus vacuolas, pero este es un caso extremo!
LA CÉLULA
63
Las células inmaduras o enactiva división notienen la vacuola sencilla, grande y prominente, típica de las células maduras; contienen, en lugar de eso, varias vacuolas muy pequeñas dispersas por todoel citoplasma.Conforme la célula se desarrolla y madura, las pequeñas vacuolas se fusionan y expanden hastaque - e n la mayoría de las células completamente desarrolladas- la gran vacuola central ocupa del 80 al 90% del volumen celular total.
EL AGUA Y LAS C ~ L U L A S Este tema cubrirá los mecanismos básicos del movimiento del agua en las células base para el estudio del metabolismo y fisiología del agua de la Sección 111.
y establecerá la
POTENCIALDEAGUA. El movimientorequiereenergía. El agua, como todas las demás sustancias, no se mueve en contra de un gradiente de energía; debe moverse a favor de él, cediendo energía a medida que se mueve. Mientras que la energía pueda perderse como resultado del movimientodel agua, éstecontinuará. El equilibrio sólo se puede alcanzar cuando al acrecentarse el movimiento no repercuta en una pérdida adicionaldeenergía. Esto significaqueel agua siempre se desplaza hacia la región de más bajaenergía,en un sistema. Es necesario comprender la naturaleza de la energía y los gradientes energéticos involucrados con el fin de calcular las fuerzas mediante las cuales se mueve el agua. La energía libre se define como la energía disponible (sin cambio de temperatura) para realizar trabajo. El potencial químicode una sustancia bajo cualquier condición (esto es, pura, en solución, o como integrante de un sistema complejo) es la energía libre por mol de esa sustancia. &1 potencial químico, por lo tanto, mide la energía con la cual reaccionará o se moverá una sustancia. El potencial de agua es el potencial químico de ésta y es una medida de laenergíadisponible para reacción o movimiento. Bajo condicionesbiológicas normales el potencial de agua es usualmente bastante alto sin que limite las tasas dereacciónque involucran agua (porejemplo,enreaccioneshidrolíticas). Sinembargo,elmovimiento del agua depende de su potencial,debidoa que el movimiento netodeésta es siempre de una regi6n de potencialalto a otrade potencial bajo. El símbolo para el potencial hídrico es $ ,* y tradicionalmente se ha medido en atmósferas (atm), bars, o dinas por centímetrocuadrado (dinas/cm2): 1 bar = lo6 dinas/cm2 = 29.53 pulgadas Hg = 0.985 atm; 1 atm = 14.69 lb/pulgada2 = 1.01 bars. Un diferencialdepotencial de agua (A$) entredosregiones, A y B, que - $B. Si $A esmayor posean potenciales de agua $A y GB se expresaría A $ = que GB, A $ es positiva y el agua se moverá de A a B. Si el valor A $ de la ecuación es negativo, el agua se moverá de B a A. Esto reafirma el principio expresado anteriormente: el agua se mueve deuna región de alto potencial a otra de bajo potencial. El potencial del agua pura es, por definición, cero.** La presencia de cualquier sustancia disuelta en agua disminuye su potencial, de manera que el poten*Es la letra griega psi. Una buena manera de recordar este símbolo es acordarse que psi también significa libras por pulgada cuadrada, una medida de presión. **Esto se aplica solamente al agua libre, esto es, las moleculas de agua que no están ligadas o asociadas mediante fuerzas ffsicas o químicas son otras sustancias (como el agua de hidratación o agua coloidal). Ver Imbibición (página 71).
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
64 Membrana diferencialmente permeable
A
B
Figura 3-13. El movimiento deagua como resultado dela ósmosis. El agua difunde en un gradientede potencial de unaregión de alto potencial (agua pura, = O) haciauna solución donde el potencial es másbajo(posee un valor negativo).
cia1 d e agua de unasoluciónesinferior a cero. Esta definición sólo es válida a presión atmosférica.La elevación o disminución de la presión alrededor de un sistema,automáticamenteasciende o desciendeelpotencial de agua en exactamente la misma cantidad. DIFUSION. Las moléculas de gas, o de un soluto en solución, están en movimiento continuo y tienden a asumir una distribución uniforme por todo el espacio disponible. En consecuencia las moléculas se mueven de una región de potencial alto a otra de potencial bajo; el proceso se llama difusión. Así, por ejemplo, en una solución imperfectamente mezclada, las moléculas de agua difunden en gradiente, de la región de la solución más diluida (donde las moléculas de agua son de J, más alto) a las regiones de solución más concentrada(donde poseen I) bajo). Igualmente, las moléculas del solutotambién difunden haciaabajode los gradientes de concentración (esto es, de un área de alta concentración a otra más diluida) hasta que toda la solución sea perfectamente uniforme. Figura 3-14. El agua se mueve por ósmosishacia el interior de una "c6lula" artificial que contiene solución de azdcar (A) hastaquelac6lula se hincha de manera que susparedesejerzan presi6n sobresus contenidos, expulsando elagua hacia afuera. En equilibrio (B) la presión del agua queingresa por ósmosis es igual a la presión del agua que sale. f
\ c ~
-
-
~~
-
-/Agua
"
Membrana diferencialmente permeable
1 Solución de azúcar
L
~-
-
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.
~~
-
-
A
B
-
LA CELULA
65
Las tasas de difusión son proporcionales a la energía cinética de las moléculas (su temperatura), su tamaño (la tasa de difusión esproporcionalalaraíz cuadrada del peso molecular), la densidad del medio que atraviesan y el gradiente de concentración sobre elcual difunden. Cuando ocurre la distribución uniforme de las moléculas, se establece un -equilibriodinámico y cesa su movimiento neto o difusión de moléculasdentrodel (aunqueexistemovimientocontinuoalazar sistema en equilibrio). MEMBRANAS DIFERENCIALMENTE PERMEABLES. Muchas membranas biológicas, en particular la plasmalema, el tonoplast0 y las que! rodean los organelos subcelulares, muestran la propiedad de permeabilidad diferencial, es decir, debido a su naturaleza física o química, las moléculas de agua las atraviesan fácilmente, en tanto que las moléculasde sustancias disueltas en agua no logran penetrar o lo hacen más leutamente que las moléculas de agua. Una membrana que es casi totalmente impermeable a las moléculas de soluto pero permeable ante el solvente se llama membranasemipermeable. Lamayoría de las membranas biológicas, sin embargo, son diferencialmente permeables, más que semipermeables.
6sMos1s. Supóngase que unvaso deprecipitado o recipiente se separe en dos partes por una membranadiferencialmentepermeable, como se muestra en la Figura 3-13A. Si se pone aguapura en un lado de la membrana y una solución de azúcar en el otro, el potencial de agua ( J / ) en el lado que contiene agua pura será mayor que el del otro lado. El azúcar no puede difundir a través de la membrana, pero el agua sí. El agua difundirá desde el sitio de mayor J/ (agua pura) al de menor I) (solución de azúcar) como muestra la Figura 3-13B. Esta difusión de agua a través de una membrana diferencialmente permeable de una región de alto potencial (agua pura o solución débil) a otra de bajo potencial (solución concentrada) se llama ósmosis. POTENCIALOSM6TICO Y POTENCIALDE PRESI6N. Puesto que al difundir el agua hacia abajo de un gradiente potencial pierde energía, con ello se puede hacer un trabajo. Tal se sugiere en la Figura 3-13B por el hecho de que la ósmosis resulta en transferencia del agua a la solución concentrada, cuyo nivel sube en ese compartimiento del recipiente. Supóngase ahora que una solución de azúcar está en el interior de un saco o “célula” hecho de una membrana artificial diferencialmente permeable (puede hacerse de una fina película de substancias tales como el celofán, colodión, etc.). La célulaartificial se sitúaentonces en un recipientecon agua pura, como se muestra en la Figura 3-14A. El agua difunde al interior de la célula por ósmosis hasta que la célula llega a su condición de hinchamiento (túrgida) y sus paredes? distendidas ejercen una presión sobre los contenidos celulares, como se muestra? en la Figura 3-14B. La presión ejercida sobre el :líquido por las paredes de una ’ , célula turgente se llama presión de turgencia. El agua penetra ahora a la célula por‘ ósmosis contra un gradiente de presión, así queestáhaciendo un trabajo. (El potencial con que el agua pura difunde hacia una solución es el potencial osmótico de esa soluciór$ y se llama J/, . Puestoqueel agua difunde de alto potencial (cero en el agua pura) a bajo potencial, el potencial osmótico de una solución es siempre negativo. El potencial osmótico es, entonces, una medida de la presión ,’ real que puede generarse en una célula mediante difusión del agua por Ósmosis.
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
66
La consecuencia de la presión de turgencia (Figura 3-14B) es que el agua está siendo literalmente exprimida de la célula. Esta es otra manera de decir que el agua difunde al exterior de la célula hacia abajo de un gradientede presión. Así pues, el agua de la célula posee un potencial de presión positivo y mayor que el potencial de presión del exterior. El símbolo para el potencial de presión es $ p . El potencial de presión delagua a presión atmosférica es, por definición, cero. Por tanto, los valores de $ p pueden fluctuar desde negativos a altamente positivos. Cuando el sistema de la Figura 3-14B está en equilibrio, el potencial de agua es igual en todas las partes del sistema, por tanto
j i , (fuera)
= $ (dentro)
Pero el potencial del agua tiene dos componentes, potencial osmótico ( $ T ) y potencial de presión ( $ I , ), de manera que, en equilibrio $, (fuera)
+
$p
(fuera)
(dentro)
= $n
+
$p
(dentro)
La solución externa en la Figura 3-14 es agua pura a presión atmosférica; por lo tanto, ambas $J, y I),son cero. Así que, en equilibrio $, (dentro)
=
$p (dentro)
Esta es otra manera de reafirmar el hecho de que la presión de turgencia que se desarrolla en la célula bajo estas condiciones es numéricamente igual, pero de signo contrario, al potencial osmótico del fluido contenido en ella. Si el fluido externo no esagua sino una solución (con una $, inferior a cero), entonces la presión de turgencia se medirá por la diferencia entre el potencial osmótico dentro y fuera de la célula: jip
=
A
jin
( = $, fuera
-
$, dentro)
Ahora podemos ver cómo se miden estas propiedades y de pueden aplicar estos conceptos al estudio del agua en las células.
Agua
qué manera se
Figura 3-15. Aparato sencillo para medir el potencial osmótico ($,) dela solución (S). Consisteen un cilindro, queposee un pistón deslizante herm6tico y una membrana diferencialmente permeable (o semipermeable) en el extremo, sumergido agua en pura (dJ7r = O).
L A CfiLULA
67
MEDICION DE $n. El potencial osmótico
de una solución puede ser medido con un osmómetro (un dispositivo que mide la presión que se produce por ósmosis) como se muestra en la Figura 3-15. Pfeffer, usand'o este sistema determinó tempranamente que la presión que se produce (P) es proporcional a la concentración del soluto. La concentración puede expresarse como 1/Vdonde Ves elvolumen de la solución que contiene una cantidad dadade soluto.
P
k,
=-
V
k,
= unaconstante
Van't Hoff observó que el sistema es sensible a la temperatura T (expresada en grados absolutos) porque la energía cinética de las moléculas es proporcional a la temperatura. P = k, T
k , = una const;ante
Dado que estas ecuaciones describen las moléculas de soluto en libertad para difundir como si fueran un gas, las constantes h l y h , pueden ser reemplazadas por la constante de gases R , y las fórmulas pueden combinarse p
RT
=-
V
P es la presión que se produce en un osmbmetro. igual y opuesto al potencial osmótico en equilibrio =
Debido a que esto
es
RT "
V
Esta relación describe la Gn de una solución como silas moléculas del solutofueran gases. Un molde gas ocupa 22.4 litrosencondicionesestándar de temperatura y presión (STP = 1atm, O'C). Pero en una solución 1M, un mol de soluto ocupa 1.0 litro. Entonces,si fuera ungas, lapresión del soluto sería 22.4 a.tm. De hecho, esta relación sólo es válida en solucionels diluidas porque otros factores complejos afectan el potencial osmótico de soluciones concentradas. Además, el potencial osmótico no es proporcional a la molari'dad porque, conforme se incrementa la concentración del soluto, la concentración del solvente disminuye. Tal es la razón de que la molalidad ( m )que describe ]!as proporciones relativas de soluto y solvente se usa a menudo para describir soluciones osmóticas. Finalmente, nosotros hemos supuesto que el soluto no está ialnizado, es decir, que hay solamenteunapartícula por molécula. La relación establecida anteriormente se refiere al número de partículas en solución, no al número de moléculas. Así que, una sustancia que se ioniza completamente en dos iones tiene un potencial osmótic0 doble que el de una sustancia no ionizada, y una sal que posee tres iones, tal como el sulfato de sodio (Na, SO,) tendría un potencial osmótico triple si se ionizara completamente. El potencial osmóticoreal de una solución puedemedirse en un osmómetro, pero también es posible medirlo por medios indirectos. Si una solución desconocida se coloca en una cámara cerrada bajo condiciones controladas, su potencial
INTRODUCCIdN Y GENERALIDADES
68
de agua entrará en equilibrio con el potencial de agua del aire que está sobre la cámara. La humedad relativa (HR) del aire se mide con un higrómetro extremadamentesensible. El potencialde agua de lasolución puede entoncesdeterminarse mediante la fórmula $ bars = - 10.7 log 100/HR
Si el experimento se hacea presión atmosférica, $ p = O y $ = Un segundo método es determinar el descenso del punto de congelación de una solución. Una solución l m de una sustancia no ionizada posee un potencial osmótico teórico de 22.4 atm, y su punto de congelación es 1-86°C por abajo del agua pura. Por lo tanto +n
= -22.4
X
descenso del punto de congelación observado 1.86
POTENCIAL DE AGUA EN LAS CgLULAS. Los conceptos quehemos desarrollado con una célula artificial que contiene una solución de azúcar pueden transferirse directamente a una célula real, como se muestra en la Figura 3-16. Las membranas que rodean la célula son diferencialmente permeables, y la ósmosis tiene lugar a través de ellas. Si la célula se sitúa en una solución diluida o agua pura, cuyo $, es muy alto (esto es, cercano a cero) el agua difunde al interior y la célula se pone túrgida como muestra la Figura 3-16A. La solución externa, cuya concentración de solutos es menor que la del jugo celular, se dice que es hipotónica (hypo, menor que). Si la célula se coloca en una solución cuya I ) ~ es igual a la del jugo celular, la solución es isotónica (iso, lo mismo), no tiene lugar la difusión neta de agua y lacélula es flácida o carecedeturgencia(Figura 3-16B). Silasolución externa es más concentrada que el jugo celular, o hipertónica (hyper, más que) su +bn es menor que la del jugo celular y el agua difundirá al exterior. Puesto que la pared celular es relativamente rígida, el protoplasma se retrae de la pared a medida que se encoge y la célula llega a plasmolizarse, como se muestra en la Figura 3-16C. La plasmólisis no necesariamente daña en forma permanentealacélula. Si ésta se coloca de nuevo en una solución hipotónica recupera rápidamente el agua perdida y su turgencia mediante la ósmosis. Si el periodo y la severidad de la plasmólisis no son demasiado grandes, la célula probablemente no se dañe. Figura 3-16. A. Cilula en soluci6n hipotónica: $, afuera > dentro; el agua difunde al interior. B. CBlula en soluci6n isot6nica: Q n afuera = $, adentro; no hay movimiento deagua. C. CBlulaen solución hipertónica; la célula se plasmoliza: exterior.
J/, afuera < adentro; elagua
difunde al
LA CI~LULA
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Hemos visto que el potencial de agua de la célula tiene dos componentes, potencial de presión y de ósmosis, es decir
Cuando una célula se coloca en agua o una solución y llega a un equilibrio, el potencial de agua de la célula ( J / dentro) es igual al potencial de agua del exterior ( $ fuera). $, (dentro)
+
$p
(dentro)
= $
(dentro) = $ (fuera)
$ (fuera) es también la suma de I),(fuera), y $ p (fuera). A presión atmós$p = O, entonces $ (fuera) =: $, (fuera). De aquí queen férica,puestoque equilibrio
$, (dentro)
+
$p
(dentro)
=
$, (fuera)
Esto puede expresarse como $, (dentro) = $, (fuera) - $1. (dentro)
lo cual da la presión osmótica en términos mensurables. El potencial osmótico del jugo celular puede medirse por la depresión del punto de congelación o método de la humedad relativa. Sin embargo, son posibles los métodos simples directos, usando la relación anterior. Un método empleado a menudo es hacer una serie graduada de soluciones de concentración y potencial osmótico conocidos (la sacarosa o el manitol se usan a menudo para este propóFigura 3-17. El potencial deagua cambia en una cblula inicialmente flácida conforme alcanza el equilibrio luego de colocarse en agua pura. Adviértase que los potenciales osmbtico y del agua son valores negativos, en tanto que el potencial de presión es positivo. C6lula flácida; presión de turgencia = O
Volumen celular
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
70
sito). Pequeñas piezas de tejido se sitúan en cada solución y se examina microscópicamente luego que han tenido tiempo para alcanzar el equilibrio. A medida que las soluciones se hacen más fuertes las células se hacen menos y menos túr@das hasta que algunas de ellas muestran signos de plasmólisis (esto es, plasmólisis incipiente). La solución a la que el 50%de las células* muestra ciertos indices de plasmólisis tiene aproximadamente el mismo potencial osmótico que el jugo celular, ya que a plasmólisis $ p (dentro) = O, y
La presión de turgencia ($I~)de las células puede medirse ahora usando técnicas similares. Como en el caso anterior, se colocan en soluciones graduadas, piezas de tejido de longitud o peso cuidadosamente medidos, y el cambio de tamaño o peso se mide luego que el tejido alcanca el equilibrio. En la solución donde ningún cambio tiene lugar, el potencial de agua de la célula es igual al de la solución (puesto que nadade agua entra o sale), así que $ (fuera) = $, (dentro)
la
$p
+
$p
(dentro)
Puesto que $, (dentro) se conoce (habiendo sido determinado previamente), (dentro) puede calcularse de la relación $p
(dentro)
=
$, (fuera) -
$T
(dentro)
El razonamiento anterior no considera el hecho de que la pared celular no sea totalmente rígida, sino elástica, de manera que el volumen de las células aumenta conforme aumenta la turgencia. La relación resultante $, $ T , $ p y el volumen celular se ilustran en la Figura 3-17. Puede verse que el potencial osmót.ico del volumen celular del jugo celular, -12 bars en la célula flácida, aumenta por la dilusión con agua alrededor de -8 bars conforme la célula se expande hasta cerca de 1.5 veces su tamaño en flacidez. En la célula completamente túrgida la presión de turgencia (o potencial de presión) es igual al valor negativo del potencial osmótico, 8 bars, y el potencial de agua del jugo celular seeleva de -12 bars (igual al potencial osmótico) en la célula flácida a O en la célula túrgida.
MOVIMIENTODE AGUA ENTRE CÉLULAS. El agua entra y sale de unacélula debido a diferencias en potencial de agua (A$) entre la célula y su solución circundante. Igualmente, el agua puede moverse de célula a célula difundiendo hacia abajo de ungradientedepotencialde agua entre ambas células. Así pues, la dirección del movimiento de agua y la fuerza con la que se mueve dependen del potencial de agua en cada célula y, en consecuencia, de la diferencia en potencial de agua entre ellas. Esto puede ilustrarse mejor con un ejemplo: La célula A posee un potencial de presión (presión de turgencia) de 5 bars y contiene jugo con un potencial osmótico de -12 bars. La célula B tiene un potencial de presión de 3 bars y una solución interna cuyo potencial osmótico es -6 bars. Si estas dos células están
LA CELULA
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en contacto directo ¿hacia dónde se moverá el agua y con qué fuerza? El potencial de agua en cada célula puede describirse como sigue A: B: A - B:
+
= 5-12 $ = 3-6
A+
=
-7 - (-13)
= -7 = -3 = -4
bars bars bars
El agua se moverá de la célula B a la célula IL (hacia el potencial de agua inferior o más negativo) con una fuerza de 4 bars. El valor de AJ/ es importante porque es directamente proporcional a la tasa de movimiento de agua entre las delulas. Ésta semueve en proporción directa a la fuerza que la impulsa, A+, y al área de la membrana a través de la cual se mueve; y se mueve en proporción inversa a la resistencia de la membrana. Los factores área de membrana y resistencia son aproximadamente constantes para una célula dada; en consecuencia, la tasa (y, por tanto, también la cantidad en un tiempo dado) el movimiento de agua depende de la diferencia en potencial de agua, A + , entre uno y otro lado de la membrana.
IMBIBICI~N.El proceso de imbibición está activamente implicado en la absorción del agua bajo ciertas circunstancias. Se trata del movi:miento de agua de un área de alto potencial a otra de bajo potencial, pero sin la ayuda de una membrana diferencialmente permeable. Asimismo, fuerzas de atracción, por lo regular químicas o electrostáticas,están implicadas en la imbibición. Los solventes se imbiben usualmente sólo en materiales con los que tienen afinidad; por ejemplo, agua en proteínas,yacetona en caucho. Las presiones que se generan por imbibición;' causadas por el hinchamientodelimbibente,pueden ser muy grandes: la presión de imbibición de una semilla en germinación rompe la testa, y una semilla insertada a modo de cuña en una fisura de roca pu.ede resquebrajar la roca con la presión de su imbibición de agua. La imbibición de agua por los materiales coloidales de las células, coadyuvan a que éstas soporten (condicionesseveras de sequía debido a la tenacidad con que se retiene el agua imbibida. Puesto que el agua se mueve bajo la influencia de la imbibición, el potencial de agua (+ ) debe estar afectado por tales fuerzas. E3 término potencial mátuico, representado por J I M , se usa para calcular todas las :fuerzas que causan la imbibición o retienen el agua en cualquier tipo de matriz. Así, el potencial de agua en una matriz (por ejemplo, un coloide, suelo, o retenida de cualquier manera por fuerzas de efecto superficial o imbibición) puede definirse como
EL MÉTODO ANTIGUO PARA EXPLICAR LA ÓSMOSIS Y EL MOVIMIENTO DEL AGUA. Hasta recientemente la ósmosis se explicaba a menudo en base a la difusión del agua de una región de alta concentración acuosa (por ejemplo, agua pura) a otra de baja concentración (por ejemplo, una solución). Sin embargo, esto no es correcto porque ciertas soluciones ocupanun volumen más pequeño que las del mismo peso de agua pura. Además, según el anterior concepto, una solución en una célula o en un osmómetro se consideraba comlo si fuera agua succionada al interior de la célula por una fuerza considerada corno una presión negativa. Numerosos términos,comunes en lavieja literatura se produjeron para describir
'
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
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estos conceptos, los que se han abandonado ahora en favor de la actual terminología, que se basa en conceptos termodinámicos más satisfactorios. Los términos antiguos se dan a continuación de manera que se puedan comprender si se encuentran en una lectura:
Término Término antiguo usado enequivalente este libro Potencial de agua
($)
Déficit de presión de difusión; succión.
Potencial de presión
($p)
Presión de turgencia; presión de la pared.
Potencial osmótico
( G m)
Presión osmótica; concentración osmótica (estos son términos positivos, iguales pero de signo contrario a Gm).
presión de
CRECIMIENTO DE LAS CQLULAS El crecimiento de las plantas se considerará después en la Sección IV, pero los mecanismos básicos del crecimiento celular se analizarán brevemente aquí. El crecimiento de las plantas tiene lugar mediante tres eventos que pueden ocurrir simultáneamente: división celular, agrandamiento celular y diferenciación celular, como se ilustra en la Figura 3-18. La división celular (Figura 3-18A) comprende la duplicación del DNA nuclear, el apareamiento y duplicación de cromosomas y la separación de los dos núcleos hermanos. Durante la telofase, numerosas vesículas, derivadas probablemente del retículo endoplásmico y del aparato de Golgi, se alinean transversalmente en la célula, en el área del huso, y se unen para formar la placa celular, que es el principio de la nueva pared común. Los contenidos de esas vesículas se utilizan para producir las sutancias pécticas de la lámina media, la que eventualmente llega a atravesar la célula, completándose la separación de las dos nuevas células. La celulosa se deposita ahora en patrones regulares de microfibrillas, en cuya síntesis y disposición quizá intervengan vesículas del aparato de Golgi y microtúbulos. Durante y después de este proceso las células hermanas usualmente se agrandan, de manera que cada una alcanza el tamaño de la célula original porestiramiento de la pared celular existente y el depósito de nuevo material. Una célula puede agrandarse de manera general (Figura 3-18B) sin cambios mayores en su forma y características, excepto que conforme madura desarrolla por lo regular una gran vacuola y la proporción de citoplasma disminuye grandemente. A este tipo de célula se le llama usualmente parenquimática, y es relativamente indiferenciada. La complejidad de la ultraestructuratambiénpuede disminuir. A medida que la célula se vuelve inactiva con la edad, puede perder la mayoría de sus mitocondrias y muchos otros componentes. Puede alcanzar un alto nivel de especialización, como las células fotosintéticas de la capa en palizada de la hoja (ver Capítulo 4), y su ultraestructura refleja su especialización; en el caso de la célula en palizada: una gran proliferación de cloroplastos.
LA CELULA
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Figura 3-18. Diagramas que ilustran el crecimiento de la c6lula vegetal. A. Por división celular. B. Por agrandamiento celular. C. Por diferenciación celular.
La célula puede crecer, opcionalmente, con o sin división celular, de una manera altamente especializada. La ilustración de la Figura 3-18C representa en forma diagramática el Crecimiento de un elemento de vaso. Aquí el crecimiento es en una sola dirección y entraña la modificaclón y diferenciación de la célula en una entidad morfológica enteramente distinta. Los procesos básicos son similares: estiramiento de la pared celular, depósito de numerosas capas de microfibrillas de celulosa orientadas, pérdida de gran parte de la complejidad subcelular, y desarrollo de una gran vacuola. Un hecho sorprendente acerca de las células es que todas ellas parecen tener inicialmente ilimitada capacidad decrecimiento y diferenciación. Todas son al principio capaces de crecer en todas las formas características de la planta. No obstante sus distintas posiciones en ésta, y aunque estén dotadas con idéntica información a causa de su común origen genético, las células usan esta información de diferentes maneras para producir la gran cantidad de distintos tipos de células de una planta madura. Evidentementelas células se diferencian como resultado de su posición en la planta, ya que &te es el Único rasgo que las distingue de sus hermanas, en su formación. Esta capacidad para reconocer y reaccionar a su ubicación en la planta es la base de la organización, propiedad de los organismos vivos que más impresiona. El concepto de organización es un tema central en el estudio sobre el crecimiento y diferenciación, enla Sección IV.
LECTURAS ADICIONALES Los modernos textos de citologíacubren el material de este capítulocon mayores detalles. Artículos sobre la estnuctura y función de varios organelos subcelulares aparecen con frecuencia y como en ScientificAmerican, los AnnualKeuiews of Plant PhysiologyandBiochemistry, monografías.
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INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
Clowes, F.A.L., y R.E.Juniper: Plant Cells. Blackwell Scientific Publications. Oxford. 1968. Ledbetter, M.C. y K.C. Porter: Introduction to the Fine Structure ofplant Cells.Springer-Verlag. Nueva York, 1970. The Iiuing Cell (Lecturas del Scientific American). W.H. Freeman & Co. 1965. Mwkham, R., R.W. Horne y R.M. Hicks (eds.): The electron microscopy and composition of biological membranes and envelopes. Phil. Trans. RoyalSoc. London,B268:l - 159 (1974). Ver particularmente W.W. Franke: Estructura y bioquímica de la envoltura nuclear (pp. 67-93); y L.F. LaCour y R. Wells: Poros nucleares enla profase dela meiosis en plantas (pp. 95-100); D.H. Northcote: Sistemas de membrana de célulasvegetales (pp. 119-28). Preston, R.D.: The Physical Biology o f Plant Cell Walls. Chapman & Hall. Londres. 1974. Pridham, J.B. (ed.): Plant Cell Organelles. Academic Press. Nueva York, 1968. Racker, E.: A Mew Look at Mechanismsin Bioenergetics. Academic Press. Nueva York. 1976.
Capítulo 4
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES COMUNES
Con el fin de que el estudio posterior sobre crecimiento, bioquímica y procesos fisiológicos de las plantas no adolezca a causa del uso de términos y conceptos desconocidos, se presenta aquí una breve descripción del crecimiento y la forma de las plantas típicas y sus partes sin ninguna consideración sobre la causalidad de las cosas. El análisis del crecimiento y desarrollo vegetal así como los factores que los controlan se considera con mayores detalles en la Sección IV.
La semilla es una estructura en reposo. Por lo regular está sumamente deshidratada, compuestaprincipalmentede tejidode reserva y rodeada por una cubierta esencialmente impermeable. Los procesos metabólicos están suspendidos o tienen lugar muy lentamente; la semilla está en una condición de vida interrumpida, debido principalmentea su carencia de agua y oxígeno. El proceso de germinación consiste en la absorción de agua, la reactivación del metabolismo y la iniciación del crecimiento, Unas cuantas cubiertas seminales son tan impermeables al agua que necesitan condiciones extremas para germinar. A la semilla del cafeto de Kentucky* (Gymnocladus .dioica)se le deben hacer profundas muescas con una lima o tratarse con ácido sulfúrico antes de que germinen, y requieren de una exposición prolongada a la intemperie, la acción de hongos o bacterias del suelo, o aun mediante medidas tan drásticas como la exposición a un incendio forestal antes de que germinen en forma natural. Sin embargo, la m,ayoría de las semillas comienzan a germinar tan pronto como se humedecen,contal que las condiciones de temperatura, luz y pretratamiento frío, sean las adecuadas (ver Capítulo 22). La semilla contiene un embrión; uno de cuyo,s extremos,la radícula, formará la raíz de la planta; el otro extremo, la plúmula, formará el tallo y las hojas. El embrión también posee cotiledones u hojas seminales (uno en monocotiledóneas, dos en dicotiledóneasymuchosengimnospermas),que pueden ser pequeñosy ocupar sólo una pequeña parte de la semilla como en la mayoría de las monoco*Sucedáneo del café (N. del T.).
.,
Figura 4-1. Germinación de unasemilla de maíz (monocotiledónea). (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: A n Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St.Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO PLANTAS DE SUPERIORES COMUNES
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tiledóneas, o ser bastante grandes y llenarla casi por completo como en el frijol y muchas otras dicotiledóneas. Al principio la semilla contiene mucho endospermo, el tejido nutritivo para el embrión., En algunas gran parte del endospermo puede permanecer después de la germinación, cuando se encarga de la nutrición del embrión en desarrollo. En este caso los cotiledones permanecen en la semilla y funcionan principalmente como órganos absorbentes, como en la mayoría de las monocotiledóneas. En otras semillas, particularmente ].asde gimnospermas y muchas dicotiledóneas, el proceso de absorción del endospermo termina antes de que la semilla se libere del fruto y todas las reservas nutritivas están presentes en los cotiledones. Éstos, en ese caso, pueden permanecer en la semilla durante la germinación y ser impulsados hacia arriba por el crecimiento del embrión y desarrollarse posteriormente en hojas más o menos normales y fumcionales. La germinación de una plántula monocotiledónea, el maíz (Zea mays), se muestra en la Figura 4-1. La radícula crece hacia abajo a través de la hendida cubierta seminal para producir la raíz primaria; mientras que el vástago, encerrado en su vaina protectora, el coleóptilo, crece hacia arriba. Cuando el coleóptilo alcanza la superficie del suelo, cesa de crecer y las hlojas de la plúmula de reciente formación atraviesan su ápice y continúan creciendo. El sistema radical se desarrolla con la ocasional formación de ramas o raíces secundarias de la raíz primaria, y enmuchasmonocotiledóneaspuedeformarse un vigoroso sistemaderaíces adventicias de la porción inferior del tallo. La parte del embrión y la plántula situadaentreloscotiledones y la radícula se llama hipocótilo (hypo, bajo los cotiledones), y la plúmula y el tallo por encima de los cotiledones se llama epicótilo (epi, encima). $
Figura 4-2. Germinación de una semilla de frijol (dicotiledónea). (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An Introduction to Plant Biology.' 3a. edicion. The C.V. Mosby Co., St. Louis 1970. Utilizada con permiso.)
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
Figura 4-3. Germinación de una semilla de durazno (dicotiledónea). (DeR.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C . V . Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
La germinación de una dicotiledónea típica, el frijol cultivado (Phaseolus uulgaris), se muestra en la Figura 4-2. El proceso es similar, excepto que los cotiledones se elevan por encima del suelo debido a una considerable prolongación del hipocótilo, y en vez de permanecer dentro de la semilla se tornan verdes y algo foliáceos. Sin embargo, conforme sus reservas se agotan, se marchitan y finalmente se caen, generalmente cerca del momento en que las primeras hojas de la planta llegan a una fase en que el mecanismo fotosintético se desarrolla por completo y la plántula ha llegado a su autosuficiencia. En algunas semillas, por ejemplo, boca de dragón (Antirrhinum), los cotiledones llegan a ser hojas normales en completo desarrollo que realizan fotosíntesis y funcionan durante gran parte de la vida de la planta. En otras, como la semilla de durazno (Prunus persica), cuya germinación se muestra en la Figura 4-3, los cotiledones permanecen en la semilla durante y despuésde la germinación. La plúmula de las dicotiledóneas no está protegida por un coleóptilo. En vez de ello la plúmula se abre paso a través del suelo en forma de “garfio”, denominándose plúmula en gancho (Figuras 4-2y 4-3). De esta manera las delicadas hojas recién formadas, no se daiian. EL TALLO
El ápice del vástago es una estructura en forma de domo, el meristemo, generalmente rodeado de hojas, escamas o ramas. El meristemo apical contiene un número de células relativamente pequeño, que da origen, por división, a todas las demás células de la porción aérea de la planta. Puede diferenciarse en áreas de
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES
I9
COMUNES
más o menos intensa división celular; sin embargo este tipode diferenciación es más pronunciado en las raíces y se discute en la sección correspondiente. La mayoría de los meristemos apicales contienen dos zonas principales: la o varias capas de células organizadas en hileras normales en túnica,conuna la superficie del meristemo, y el cuerpo,una masa de células, dispuestas con menos orden, por abajo de la túnica. Las células de la túnica se dividen usualmente en planos perpendiculares a la superficie del meristemo, mientras quelas células del cuerpo lo hacen en muchos planos diferentes;. La túnica por lo regular da origen al tejido epidérmico; y el cuerpo, a lamasa de tejido interno de tallos y hojas. Las zonas de división celular, alargamiento y maduración se encuentran en la punta del tallo, pero no están claramenteseparadas. Ello se debe a queel meristemo produce no sólo el tallo, sino también hojas y ramas de vástago mediante excrecencias de tejido del margen del meristemo apical. Estas hojas crecen rápidamente hacia adelante del ápice y lo envuelven. La diferenciación del tejido vascular ocurre primero en las yemas foliares, formando rastros foliares. Por abajo de ellos, en la zona de alargamiento del tallo, se forma dentro deé1 un anillo de corFigura 4-4. Secci6n longitudinal de un ápicede tallo. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C.Braungart: An Introduction to Plan Biology. 3a. edición.The C.V. Mosby Co., St.Louis.1970.Modificada de C.L. Wilson y W.E. Loomis: Botany, ed. rev.: 1957.TheDryden Press. Utilizada con permiso.)
Teiido ,
Zona de alargamiento
~~
Zona de diferenciacih
1
I C L z a
Epidermis
1
-u Floema primario
Xilema primario
Cambium
80
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
dones provasculares. Los rastros foliares” se diferencian hacia abajo; los cordones vasculares, hacia arriba, y finalmente, se establecen conexiones. Conforme el tallo madura, los cordones provasculares se transforman en haces vasculares, compuestos de los principales elementos de conducción del tallo (Figura4-4). Los tallos de dicotiledóneas y monocotiledóneas poseen en común numerosas estructuras y tipos celulares, pero tienen ciertas diferencias en la disposición de sus tejidos (Figura 4-5). Ambas tienen una capa externa de epidermis, usualmente cubierta en su lado externo con una cutícula cerosa. El tipo principal de célula del material fundamental es el de parénquima; ésta es una célula grande, de pared delgada y relativamente indiferenciada. Por fuera de los haces vasculares está la corteza, compuesta usualmente de elementos parenquimatosos mis pequeños y diferenciados, y en el interior se localiza la médula compuesta de células algo mayores y paredes más delgadas. Los haces vasculares de monocotiledóneas están dispersos (Figura 4-5). Cada haz vascular contiene células de xilema hacia el centro y de floema hacia afuera. El xilema está compuesto principalmente de células conductoras muertas, de pared gruesa, ya sean vasos (células grandes sin paredes transversas que forman estructuras tubulosas que corren a lo largo del tallo) o traqueidas (mucho menores en diámetro, con paredes terminales, y por lo regular con engrosamientos secundarios más acentuados). El xilema también puede contener fibras (parecidas a las traqueidas pero con extremos más largos y estrechos) que sirven principalmente de soporte estructural, y cordones o láminas de células parenquimatosas que penetran el tejido xilemático. El floema está compuesto principalmente de células de diámetro grande y pared delgada con placas terminales características a manera de cribas, llamadas elementos cribosos, alineados extremo con extremo para formar tubos cribosos; éstos se asocian conpequeñas células parenquimatosasllamadas células acompañantes. Los vasos y las traquediasmuerenconformemaduranypierden sus contenidos celulares, pero las células floemáticas, así como las de parénquima no especializadas de la corteza y la médula permanecen vivas y conservan algo de su integridad estructural. Los elementos cribosos pueden perder sus núcleos y sufrir amplias modificaciones en estructura (ver Capitulo 13), pero permanecen vivos y aparentemente son capaces de metabolizar. Los haces vasculares están también frecuentemente rodeados parcial o totalmente de elementos fibrosos y todo el tallo puede tener cordones o un anillo de células parenquimatosas modificadas, con paredes fuertemente engrosadas en el floema. La principal diferencia entre tallos monocotiledóneos y dicotiledóneos está en la organización de los haces y en la existencia de tejido meristemático en los haces de dicotiledóneas (Figura 4-5). Las monocotiledóneas poseen haces dispersos por todo el parénquima, cada uno de los cuales posee xilema hacia dentro y floema hacia afuera. El xilema que se forma primero, o protoxilema, está más cerca del centro y el xilema formado después, o metaxilema, está más próximo al floema. No se produce ninguna división celular una vez que los haces se forman. El engrosamiento secundario de tallos monocotiledóneos es raro y, cuando se presenta, se forman nuevos haces. Una gran parte de la maduración y diferenciación del tejido se presenta antes del alargamiento, en tallos de monocotiledóneas.
*Algunos prefieren traducir “leaf traces” como trazas foliares (N. del T.),
MONOCOTILED~NEA
(Maíz)
DICOTILED~NEA (Girasol)
Figura 4-5. Sección transversa de un tallo de monocotiledónea y otro de dicotiledónea. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Elraungart: A n IntroductiontoPlant Biology. 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis. 1970. Utilizada con permiso.)
Los tallos de dicotiledóneas son más complejos y son capaces de crecimient o secundario casi invariablemente. Inicialmente los haces se disponen en círculo alrededor de un núcleo central de médula. El xilema y el floema están separados por una capa de células capaces de dividirse llamada cambium. El crecimiento secundario tiene lugar a causa de este cambium mediante divisiones tangenciales a la circunferencia del tallo, dando origen a células nuevas de floema hacia el exterior y células xilemáticas nuevas hacia elinterior.Posteriormente se producecambiuminterfascicular(entre fascículo, entre haces) por rejuvenecimiento de células parenquimatosas entre los haces. Así se forma un círculo completo de cambium el que origina un anillo de xilema hacia dentro y otro de floemahacia afuera (Figura 4-5). Toda la sección central del tallo, inclusive el floema y todo lo existente en su interior se llama estela. La corteza externa y más tarde las capas exteriores de floema, dan origen periódicamente a cambiumde corcho o felógeno,el cual produce (células de corcho (felema) que constituyen principalmente la cáscara. Conforme el tallo aumenta en diámetro, la cáscara más antigua se desprende y se forma una cáscara nueva de corcho y capas aplastadas de floema viejo. Las dicotiledóneas perennes (leñosas) pueden continuar engrosando durante 4-6). El largos periodos de tiempomediante elcrecimientosecundario(Figura xilema secundario se deposita en anillos anuales que contienen madera de primavera con células grandes, esta madera posee a menudo la mayor parte de los vasos en angiospermas leñosas, o especies de madera dura y madera de verano con células pequeñas. El tallo dicotiledóneo perenne rara vez conserva el tejido producido
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES
COMUNES
83
por el floema por más de uno o dos años: el floema viejo muere y se desprende conforme el tallo se agranda. Las bases de las ramas están rodeadas de xilema nuevo, formándose nudos en la madera. RAÍCES
Una raíz en crecimiento, primaria, secundaria o adventicia, puede dividirse, en general, en tres regiones: la región meristemática, donde tiene lugar la multiplicación celular, la región de alargamiento y diferenciación donde prosigue en menor grado la división celular y la región de maduración (Figura 4-7). El extremo de la raíz está protegido por la caliptra. El meristem0 contiene frecuentemente una reserva de células embrionarias que se dividen con lentitud, el centro quiescente. La mayor .~ . parte de la división celular se traduce en crecimiento radical, y la regeneración de "la caliptra tiene lugar alrededor de la periferia del centro quiescente, el que puede involucrarse en la formación del tejido organizador de la raíz en crecimiento. Columnas de células producidas por la región embrio.naria se extienden longitudinalmente para producir la estructura característica de la raíz. Algunas células (por " "
L.
c,
it
.
Figura 4-7. Diagrama de una raíz y su i caliptra. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An lntroduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
-".....x
. . ...
,
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..
D I C O T I L E D ~ N EM AO N O C O T I L E D ~ N E A
Figura 4-8. Diagrama de secciones transversas de raíces de monocotiledónea y dicotiledónea. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: A n Introduction to Plant Biology, 3a. edici6n. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.) Figura 4-9. Origen deuna raíz rameal (raíz lateral). (De R.H. Arnett,Jr. y D.C. Braungart: A n Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
'z lateral
Corcho Radio medula
floema
Radio medula
ejido de secundario Xilema secundario Xilema primario
Figura 4-10. Crecimiento secundario en una raíz de dicotiledónea. Diagrama de un corte transversalde una raíz vieja de Tilia europea. (De A.C. Shaw, S.K. Lazell y G.N. Foster: Photomicrographs of the Flowering Plant. Longmans, Green and Co. Ltd., Londres, 1965. Utilizada con permiso.)
ejemplo, elementos de vaso) se alargan mucho más que otras (por ejemplo,células de corteza o epidermis) las que, por lo tanto, deben crecer por divisiones adicionales. Las regiones de división, alargamiento y maduración tienden a superponerse. La maduración de las células implica laformacióm de pelos radicales en ciertas células epidérmicas, la diferenciación de las células de la estela, el engrosamiento de las paredes de vasos conductores, y la diferenciación de la corteza en varías regiones. Las estructuras generalizadas de una raíz de monocotiledónea y una dicotiledónea se muestran en la Figura 4-8. La parte --- _ _ central de la raíz es la estela, que contiene los tejidos conductores, xilema y floemaL, y ocasionalmente un núcleo Cintr-al de m.édula, Las células del xilema y el floem;; son esencialmente idénticas a las que se encuentran en los correspondientes tejidos del tallo. &tejidos-~ por fuera de- la estela son, principalmente, la corteza, formada por células parenqullna. tosas, y la epidermis,. En raíces de monocotiledóneas, cordones alternos de xilema y floema forman un ani110 detejidoconductoralrededor del núcleocentral de la médula (Figura 4-8). A diferencia de los tallos monocotiledóneos, el protoxilema es externo; la maduración avanza hacia 6i"'interior (metaxilema). Fuera de la estela, la corteza está limitada externamente por la epidermis e internamente por la endodermis. La endodermis es importante en el proceso' de absorción y transporte de agua debido a que sus paredes transversas están fuertemente suberizadas, de manera que el agua no puede atravesar la endodermis por los espacios intercelulares sino a través de las células (ver Capítulo 11).En a].gunasraíces viejas de mohoco~
c.
86
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
tiledóneas se presenta un engrosamiento considerable de la pared en las capas externascorticalesparaformarparénquima lignificado: untejidodesostén; sin embargo, en general se produce escaso -crecimiento de diámetroenraícesde monocotiledóneas. Algunas raícespermanentesdemonocotiledóneaspueden desarrollar tejido secundario mediante la formación de nuevos haces de tejidos conductores en la corteza, pero no porla adición de células nuevas al ya existente xilema o floema primario. El arreglo es similar enraícesdedicotiledóneas, exceptoquenoexiste médulay el xilema primarioforma un núcleosólido,enforma de estrella en sección transversa (Figura 4-8). El floema primario se emplaza entre los extremos de la estrella de xilema. Fuera del floema hay una capa de células, el periciclo, que retiene su actividad meristemática. El periciclo es importante porque sus células dan origen a raíces laterales, como se muestra en la Figura 4-9, un procesoqueocurre con mayorfrecuencia en dicotiledóneas que en monocotiledóneas. La división celular en el periciclo formaun nuevo primordioradical quecrecea través de la corteza, yasea mecánicamente,abriéndose paso por la fuerza, ya sea enzimáticamente, por digestión de las células corticales frente a él. Los tejidos en la base de la raíz lateral forman conexiones vasculares con la estela de la raíz principal. El crecimiento secundario en dicotiledóneas-se inicia __ . - con _ la formación de un cambium alrededor de la estrella de xilema, el cual produce nuevo floema hacia afuera y xilema hacia adentro (Figura 4-10). En muchas raíces, particularmente las reservantes y voluminosas de betabeles y nabos, pueden formarse capas adicionales de cambium en el floema o en la corteza dando origen a un engrosamiento secundario masivo. Las capas externas corticales se desprenden y se produce corcho o cáscara mediante un cambium de corcho quese origina en el floema. En raíces viejas, pueden originarse raíces rameales o secundarias de meristemos que desarrolla el floema.
ESTRUCTURA DE LA HOJA Las hojas sonbásicamentetallosconextensioneslaterales.Estánusualmente preformadas en las yemas y una parte considerable del crecimiento visible es expansión celular más que multiplicación de células. Las hojas de dicotiledóneas normalmente crecen en longitud como resultado de la actividad de un meristemo terminal, y la e x t e n s i h lateral del limbo se lleva a cabo por meristemos marginales a cada lado de la hoja. En monocotiledóneas el meristemo original está en la base de la hoja, justo encima de la ligula o punto de inserción de la hoja, Esta es la razón de que las gramíneas puedan ( iy deban!) cortarse frecuentemente ya quelas hojas continúan creciendo desde la base. La red de nervaduras foliar, generalmente paralela en monocotiledóneas y pinnatirramificada o palmatirramificada en dicotiledóneas, puede o no zonas de tejido parenquimatoso). ser cerrada o abierta (es decir, que encierran Las nervaduras continúancon la estructura vascular deltallo vía rastrofoliar; están por lo general rodeadas por una vaina fascicular más o menos desarrollada, que puede ser muy importante en la fotosintesis de ciertas plantas (ver Capítulos 7 y 14) y con frecuencia contiene masas de fibras lignificadas de esclerénquima que dan rigidez (Figura 4-11). La lámina o limbo de la hoja está compuesta principalmentede parénquima,
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES COMUNES
/
Estorna
Espacio aéreo
MONOCOTI LEDÓNEA
87
Espacio aéreo
\
Estorna
DICOTILED~NEA
Figura 4-11. Diagrama de la sección transversa de una hoja de monocotiledónea y otra de dicotiIédonea. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
que es el mayor tejido fotosintético y contiene muchos cloroplastos, junto con una epidermis superior e inferior. Las células epidér~micasestán protegidas por una cutícula suberizada o cerosa y usualmente carecen de cloroplastos. El parénquima de hojas de dicotiledóneas está arreglado en dos tejidos: una capaen palizada, con un grosor de una o dos células en ordenación compacta, y una capa de parénquima esponjoso con grandes espacios aéreos que lo atraviesan en todas direcciones (Figura 4-11). La hoja de monocotiledóneas carece de una capa en palizada bien definida; está formada principalmente de parénquima esponjoso con amplios espacios de aire. Los espacios aéreos interiores de la hoja están directamente conectados con el aire externo a través de pequeños poros o estom,as. Rodeando cada estoma hay dos células, las células oclusivas que abren y cierran el estoma mediante su expansión y contracción. A diferencia de las células epidérmicas, las células oclusivas contienen cloroplastos. El funcionamiento y la operación de los estomas se considerad en detalle en el Capítulo 14. Las hojas muestran una diversidad impresionante de formas y pueden estar muy influenciadas en su desarrollo por factores ambientales como luz, contenido de dióxido de carbono, disponibilidad de agua, sumersión, edad de la planta, etc. Además, las hojas pueden modificarse de muchas maneras para formar zarcillos, ,aguijones, trampas para insectos, espinas, etcétera.
FLORES Y FRUTO La floración marca el final del crecimiento del pedúnculo o tallo sobre el que nace la flor, puesto que la floración resulta de una modificación del meristem0 terminal. Una flor es esencialmente un extremo caulinar con apéndices aglomerados, donde el eje longitudinal se ha reducido y los apéndices se han modificado de manera característica para producir sépalos, pktalos, estambres y carpelos. Existe un gran número de variaciones sobre la estructura. básica, pero el plan básico es simple, como se muestra en la Figura 4-12. Todas llas estructuras que se muestran
INTRODUCCI6N Y GENERALIDADES
88
Antera
__._____
Estambre
Pistilo Filamento
..
Lóculo
................ j\....... 1
F Placenta
Figura 4-12. Anatomía de una flor. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Uti-
lizada con permiso.)
enla Figura 4-12 son partes de la generación diploide o esporofito (2 N) de la planta. Dentro del óvulo* una célula madrede la megaspma sufreuna división reductora para producirun núcleo ovocelular, generalmente dos núcleos polares y por lo regular otroscinco núcleos quepueden migrar hacia el extremo opuesto del óvu10 (núcleos antipodales) o permanecen junto al extremo micropilar (sinérgidas), como se observa en la Figura 4-13. Estos ocho núcleos representan la generación haploide considerablemente disminuida o gametofito femenino de las angiospermas. Mientras tanto en la antera la célula madre de la microspora ha sufrido división reduccional para producircuatro granos depolenque se transforman en gametofitos masculinos. En la germinación, tienen lugar divisiones nucleares que generarán la producción de un núcleo del tubo vegetativo, el que puede estar relacionado con el crecimiento del tubo polínico por el estilo hacia el ovario, y un núcleo generatriz que más tarde se divide para producir dos núcleos espermáticos (Figura 4-14). Cuando el tubo de polen llega y penetra al ovario, los núcleos espermáticos se descargan en el interior del gametofito femenino. Uno de los cuales se une al núcleo ovocelular para producir el cigoto diploide que se transforma en el embrión, la nueva generación esporofítica. El otro se une a los dos núcleos polares *Primordio seminal (N. del T.).
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES COMUNES
B
Figura 4-13. Seccióntransversade un ovario de lirio quemuestrala cblula madre de la megaspora (A) y elestadio tardío octonucleado (B). (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: A n Introduction to Plant Biology, ~ 3 a . edici6n. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Por H. Conant, cortesía George de Triarch Inc., Ripon, Wis. Utilizada con permiso.)
89
90
INTRODUCCION Y GENERALIDADES ANTERA JOVEN Sección transversal
Haz vascular
Saco de polen
Antera
g::Yot:ecio Células labiales Bandas higroscópicas
Tétra micro
ANTERA MADURA
Gral I
Núcleo generatriz Núcleo del tubo
c
Núcleos polen El espermáticos
vyer'eratriz
se descarga a través de las dos aberturas laterales de la antera
Figura 4-14. Microspora (grano de polen) y desarrollo del gametofito masculino. (De R.H. Arnett, Jr. y D.C. Braungart: An Introduction to Plant Biology, 3a. edición. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1970. Utilizada con permiso.)
para producir un tejido usualmente triploide que produce el endospermo.Los núcleos de las células sinérgidas y antípodas usualmente degeneran. El desarrollo de diversos tejidos florales y del tallo de soporte (receptáculo) que sigue a la fertilización se traduce en la formación de un fruto que contiene en el tomate, una una o muchas semillas. Los carpelos pueden producir, como baya, y varias capas de la pared ovárica o sus tejidos circundantes pueden llegar a ser epidermoides o pétreos, como en el durazno o la pera. Asimismo, el extremo del pedúnculo o la base de las partes florales pueden involucrarse en la formación del fruto, como en la fresa (que posee frutos secos numerosos, pequeños y verdaderos, ocultos bajo la superficie de un frutoaccesorio formado a partir del extremo del pedúnculo), la manzana (el ovario está rodeado por una producción carnosa del receptáculo) o el plátano (cuya cáscara se desarrolla a partir del tubo floral).
ESTRUCTURA Y CRECIMIENTO DE PLANTAS SUPERIORES COMUNES
91
MERISTEMOS: PATRONES DE CRECIMIENTO Los principales meristemos de la planta son las puntas de tallos, raíces y todos los órganos rameales en crecimiento, y &te es continuo durante toda lavida de la planta o sus órganos. Igualmente importantes son los cámbiumes de la raíz y el tallo, particularmente en plantas perennes, que llevan a cabo el crecimiento en grosor mediante los incrementos anuales de floema y xilema. Nuevas áreas de actividad meristemática, o cámbiumes, se forman a intervalos, usualmenteen el floema, para producir y regenerar la cobertura epidkrmica o cáscara del tallo y la raíz. Los nuevos meristemos que inician las raíces rameales se forman en el periciclo o en el floema de la raíz. Muchos órganos formados de las estructuras básicas del tallo, tales como hojas, pétalos, frutos y otros, (desarrollan meristemos secundarios que funcionan independientemente del meriskemo primario. Así, el limbo de una hoja se forma de meristemos laterales que llevan a cabo el crecimiento lateral de la hoja mucho después de terminarse la división celular que conduce a su crecimiento longitudinal. Gran parte del crecimiento formal de una planta se realiza por la regulación de las actividades relativas de sus distintos meristemos. Es esta regulación, junto con la determinación del tipo de tejido que han de producir los meristemos individuales, lo que determina el patrón del desarrollo vegetal. Tal es la razón de la gran importancia que se atribuye a las actividades bioquímicas y fisiológicas de lostejidosmeristemáticosy el por qué de tanta investigación dirigida hacia la comprensión del patrón metabólico y los mecanismos de control de los tejidos meristemáticos.
LECTURAS ADICIONALES Textos generales sobre anatomía vegetal cubren este tema con mayor detalle. Emu, K.: Vascular Differentiation in Plants. Holt, Rinehart & Winston. Nueva York, 1965. Wadsworth, Belmont, Salisbury, F. B. y R. V. Parke: VascularPlants:FormandFunction. Calif. 1965. Steward, F. C.: A b o u t Plants. Addison-Welsey Publishing Co. Inc., Reading, Mass. 1966.
SECCIÓN 11
METABOLISMO VEGETAL
Capí A
METABOLISMO ENERGÉTICO
REACCIONES DE O X I D A C I ~ NY R E D U C C I ~ N Es de máxima importanciaentender las reacciones químicas no sólo porque todos los organismos están hechos de sustancias que deben sintetizarse y metabolizarse por reacciones químicas, sino también porque toda la energía utilizada en hacer dichas sustancias y en efectuar trabajos en la célula es adquirida, almacenada, metabolizada y utilizada por la adquisición de sustancias y la operación de reacciones químicas. Las reacciones más comunes para la metabolización de la energía son las de oxidación y reducció:?. La oxidación de un compuesto ( o de una ligadura en uncompuesto) se efectúapor la liberación deuno o, porlo general, dos electrones. La reducción se lleva a calbo adicionando electrones. En efecto, oxidación y reducción son la pérdida o ganancia de electrones respectivamente. Es evidente, dado que los electrones y otras partículas con carga no pueden existir independientemente, que cuando una sustancia se oxida otra debe reducirse. Una reacción en la que los electrones se transfieren de una molécula a otra, durante lo cual un compuesto se oxida y el otro se reduce se denomina , una reacción redox. Los compuestos orgánicos tienden a perder o ganar electrones. Un compuesto que tiende a perder electrones (transfiriéndolos a otro compuesto) es un agente reductor; uno que tiende a atraerlos es un agente oxidante. El oxígeno es un poderoso oxidante. En la reacción
H
-
C : O
+
0,
+
COZ
+
H,O
H formaldehido
los electrones se transfieren del formaldehído al oxígeno; el formaldehído se oxida a dióxido de carbono y el oxígeno se reduce a agua. En esta reacción los iones hidrógeno (H') acompañana los electrones (e-)l y la neutralidad eléctrica se mantiene. En la reacción
CHJ -CHO acetaldehído
+
1/2
0 2
+
CH,-COOH ácido acetic0
la molécula de oxígeno se reduce al incorporarse a la molécula orgánica oxidada.
METABOLISMO VEGETAL
Las reacciones redox no necesitan que participe el oxígeno y en la mayoría de las reacciones redox biológicas no sucede así. Los sistemas con enlaces covalentes son capaces de ganar o perder electrones y iones hidrógeno, como en la reacción
+
CH,-CH,
R---S-S--R + CH,=CH, disulfito
ctano
+
2 RSH ti01
etileno
en la cual el etano se oxida y el disulfito se reduce. Este tipo de reacción puede generalizarse así:
AH,
+
2
B
A rcducido
7
A
+
H reducido
A oxidado
B ovidado
BH,
donde A y B son metabolitos. De nuevo los iones hidrógeno acompañan a los electrones. Si una molécula contiene un átomo que puede sufrir un cambio de Valencia (o sea una oxidación o reducción) esto puede llevarse a cabo por la adición o pérdida de un electrón sin el transporte de iones hidrógeno consiguiente en esta forma
compuesto fkrrico
compuesto ferroso
orginico oxidado
orgánico reducido
Un oxidante tiene cierta afinidad por electrones (ésta se llama poder oxidante), en tanto queun reductor tiene una afinidad porellos muchos más baja (su tendenciaaperderelectrones essu poder reductor). Por tanto, los electrones pierden energía potencial al pasar de un reductante a un oxidante. Si se hacen reaccionarunoxidante enérgico yunreductor enérgico la reacciónredox se efectúa velozmente con gran liberación de energía.
AH, reductor
+
B
+
A
+ BH, +
energía
ovidantc
y la reacción se denomina exergónica. Una reacción que requiere o absorbe energía (por ejemplo lo opuesto de la reacción precedente) se denomina endergónica y no procede espontáneamente. Si dos oxidantes (o dos reductores) de igual potencial se mezclan, no hay reacción porque ningún compuesto puede oxidar o reducir al otro. Para que proceda una reacción debe tenerse un potencial reductor u oxidante más alto que el otro. Posteriormente en este capítulo severála cuantificación y medida de los potenciales redox, el efecto de la concentración de los reactantes y la tasa y el punto al que llegan las reacciones bajo la influencia de tales potenciales y gradientes de concentración.
METABOLISMO
97
REACCIONES DE HIDR~LISIS La rotura de un enlace covalente por introducción de agua,llamada hidrólisis, libera una gran cantidad de energía de este modo. sacarosa
+
H20
+
glucosa
+
fructosa
+
Inversamente, la remoción de aguaparafor:marun general requiere energía
energía
+
CHzOH metano1
+
O /I HO-C-CH, ácido acético
energía
enlace anhidropor lo
O
1
+. CH:2-O-C-CH,
+
H,O
acetato de metilo
Subsiguientemente los enlaces anhídrido pueden contener buena cantidad de energía, y un compuesto con unode estos enlaces puede tener una energía potencial mucho mayor que los productos de su hidrólisis. Esta característica, junto con el ampliorango de potenciales deenergía existente en los compuestos reductores y oxidantes proveen los medios químicos por medio de los cuales los organismos son capaces de extraer energía desu ambiente, almacenarla y usarla para efectuar síntesis y trabajos.
P R O D U C C I ~ NDE ATP Un sistema biológico requiere energía para su construcción y mantenimiento. Todos los compuestos contienen energía potencial almacenada en los enlaces de su estructura que puedeliberarsecuando aquéllos se rompen. Los sistemas biológicos obtienen energía por un rompimiento oxidativo controlado de los enlaces en moléculas energéticas y utilización de la energía resultante para hacer nuevos enlaces químicos o para efectuar trabajo útil. La oxidación incontrolada de un enlace carbono-carbono con transferencia directa de electrones al oxígeno (dando formación de agua) libera toda la energía del enlace como calor, que normalmente es inútil para los sistemas biológicos. Además, la cantidad de energía liberada es demasiado grande para que pueda manipularla un sistema biológico. Los sistemas biológicos evaden esta dificultad transfiriendo los electrones en una serie de pasos cortos; cada paso es una reacción redox que libera una cantidad de energía suficientemente pequeña que puede ser empleada con éxito para la síntesis de nuevos enlaces o usada para efectuar trabajo. Así es que los electrones pasan de la molécula combustible original, que va a oxidarse, a una molécula transportadora de electrones, en estado de oxidaci'ón, la cual va a reducirse. A su vez este transportador pasa los electrones a otra molécula, que los pasa a otra, hasta que finalmente son pasados al oxígeno con formación de agua. Esta serie de transportadores de electrones se llama una cadena de transporte de electrones. Cada miembro de la cadena de transporte de electrones se reduce cuando acepta electrones y se oxida cuando los pasa adelante. Cada miembro de la cadena esun reductor más débil que el anterior, o sea que puedeserreducido por 10s
METABOLISMO
98
miembros de la cadena precedentes pero reduce a los que le siguen. Así, conforme un electrbn pasa de uno a otro miembro de la cadena de transporte de electrones se va perdiendo energía en cada etapa de la transferencia. Parte de esta energía se conserva al usarseparahacernuevosenlacesen compuestosespecializadosque pueden usarse suhsecuentementepara dirigir otrasreacciones.Estosenlaces se denominan enlaces de alta energía. Uno de los mLis importantes de ellos es el enlace anhídrido fosfato-fosfato en el trifosfato de adenosina (ATP) mostrado en la Figura 5-1. Este compuesto se forma por la siguiente reacción endergónica:
donde Pi significa fosfato inorgánico. Los enlaces de alta energía a menudo escriben conel signo (-). Así, -P significa un enlace fosfato de alta energía, como, por ejemplo, enel enlace del fosfato terminal delATP (A--P-P P).
se
-
Figura 5-1. Estructura del trifosfato de adenosina
(ATP).
O ti
OH
Una reacción de transporte de electrones procede por una reacción exergónica como la siguiente:
Estas reacciones pueden juntarse acoplándose
de modo que la reacciónexergónicaempuja o dirigea la indergónica. En las reacciones detransportedeelectrones la síntesisde ATP generalmenteocurre en reacciones acopladas, o sea en las que una reacción no puede proceder sin la (ADP) o Pi utilizable, la oxidación de A otra. Si no hay difosfato de adenosina no puede tener lugar, ya que se requiere ATP para posibilitar muchas reacciones de síntesis en la célula, convirtiéndose en ADP + Pi en el proceso, la oxidación celular puede estar controlada por la exigencia de síntesis de ATP. Si no están ocurriendoreaccionesdesíntesis no se utilizaATP, n o se forma ADP + Pi y las reacciones de oxidación nopuedenefectuarse.Estemecanismoimpideuna
METABOLISMO ENERGfiTICO
99
oxidación sin sentido de las reservas. Los mecanismos de acoplamiento se consideraránadelante (véase Reacciones deSíntesis y Transferencia degrupo,páginas 106 y 109).
UNA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES La mayoría de las reaccionesdeoxidación queproducenenergíaen la célula, están acopladas a un sistema de transporte de electrones bien definido que, según se ha descubierto, opera en la mayoría de los tejidos animales y vegetales en una u otra forma. Existe cierta variación en la naturaleza de algunos de sus miembros entre los grupos de organismos, pero el esquema general está tan extendido entre los sistemas vivos que puede ser considerado una de las secuencias de reacciones básicas de los organismos vivientes. Un esquemageneralizado se muestraen la Figura 5-2. La sustancia que va a oxidarse (el substrato) AH, reacciona primero con un nucleótidodepiridina,generalmente el dinucleótidodenicotinamidaadenina (NAD')peroa veces con el fosfatodedinucleótidodenicotinamidaadenina (NADP')". La estructura de estos nucleótidosse muestra en la Figura 5-3. Dos H', electrones y dos iones H' son transferidos al NAD ' reduciéndolo a NADH a veces escrito como NADH2"o NADH,. Luego el NADH,' transfiere dos electrones y dos iones H a una enzima flavina, sea el mo~~onucleótido de flavina (FMN) o el dinocleótido de flavina adenina (FAD), reduciéndolo (Figura5-4). La energía requerida para reducir al FAD es algo menor a la energía liberada por oxidación del NADH2', y el exceso es utilizado para sintetiz,ar una molécula de ATP. A su vez el FADH, reduceunaenzimaque no hasido bien caracterizadapero que contiene un hierro no-heme acoplado con grupos --SH (no mostrados en la Figura 5-4). Éste, a su vez, reduce dos moléculas de citocromo b enzima porfirínica con hierro, que es una transferasa de electrones (ver Figura 5-5, diagrama de un citocromo típico).
+
+
Figura 5-2. Esquema de unacadenadetransporte de electrones. Dos electronesson transferidosen cada paso. A H esel substrato que se oxida a A . 1/2 O2 es el aceptor final de electrones que se reduce a H z O . N A D ' ( N A D H ) y F A D ( F A D H 2 )son el dinucleótido de nicotinamida adenina y el dinucleótido de flavina adenina (oxidados y reducidos). UQ es la ubiquinona. Cyta, b, etc., son los pigmentos citocromo (Fe3') y (Fe") es una enzima conhierro, desconocida en forma oxidada y reducida.
ired) ADP t PI
2H'
I
Fe3*
I
Fe2*
ADP t PI
*NAD a veces se denominanucleótido de difosfopiridina (DPN) se denomina a veces nucleótido de trifosfopiridina (TPN) o coenzima 11.
Fe"
A D P t PJ
o
coenzima I. NADP
METABOLISMO VEGETAL
100
Figura 5-3. Estructuradel dinucleótido de nicotinamida adenina (NAD+)y del dinucleótido de nicotinamida adeninafosfatado (NADP+).La reducción a NADH H + o NADPH H + tienelugaren la partede la molécula que se indica.
+
+
O
I/
HO-P-O-
I
"c
?
/
I
I
OH
OH
\H
(reducido) (oxidado) (nucle6tido de nicotinamida)
Grupo fosfato extra en el NADP OH
La reducción y oxidación de citocromo se lleva a cabo por la adición 0 remoción de un electrón en la parte con hierro dela molécula, que pasa de Valencia + 2 a + 3 y viceversa. El citocromo b reduce un compuesto fenólico a su correspondiente quinona, la ubiquinona (Figura 5-6); en este punto deben adicionarse iones hidrógeno así como electrones. Los iones hidrógeno no son, necesariamente, los mismos que se liberaron en la cadena al oxidarse el FADHz, el sistema es acuoso y siempre está presente un ciertonúmero de H+.Los electrones dela ubiquinona van a reducir al citocromo c; de nuevo dos iones hidrógeno se liberan de la cadena de transporte de electrones. En este punto se libera energía suficiente, para sintetizar una segunda molécula de ATP por cada dos electrones transferidos.El citocromo c reduce al citocromo a que a su vez reduce al citocromo a3 , generándose en este punto un tercer ATP por cada dos electrones transferidos. El citocromo a3 es el Único miembro de la cadena de transporte de electrones del que se sabe que puede reaccionar con el oxígeno molecular. Los citocromos a y a3 forman una asociación molecular llamada citocromo oxidasa que aún no ha sido separadaquímicamente. Las dos enzimas parecen operarindependientemente, pero los experimentos han demostrado que pueden modificar mutuamente su acción química. Además del hierro presente en cada uno, estos dos citocromos se caracterizan por la presencia, en ambos, de un átomo de cobre. Los átomos de cobre también están involucrados aparentemente en el proceso de
METABOLISMO ENERGBTICO
101
Figura5-4.Estructuradel monoculeótido de flavina (FMN) y del dinucleótido de flavina adenina (FAD). La recluccibn a FMNH2 o FADH2 tiene lugar en la parte de la molbcula que se indica.
H-C-OH
I
NH2
I
H-C-OH
I
O
H-C-OH0
I
It
I/
I
1
H,C-O-P-O-P-O
\
OH OH v
FMN \
FAD
Figura 5-5. Estructura del anillo porfirínico del citocromo c. un citocromo típico. La porfirina se adhiere a SU proteínaprobablemente por gruposSH y por interacción del átomo de hierro con los grupos reactivos de la proteína.
SH
I
H3C-CH
CH2
I
CH2
CH2
CH2
I
COOH
COOH
I
I
transportedeelectrones. El exacto mecanismo de reacción del complejocitocromo a-a3 con el oxígeno no se conoce todavía. Dos electrones son transferidos a un átomo de oxígeno (1/2 O2 ) junto con 2H' para hacer H2 O. Esto completa la transferencia de dos electrones desde el alto nivel energético que tenían en la molécula combustible AH2 hasta el bajo nivel energético que tienen en el agua. Gran parte de la energía liberada por la oxidación de la molécula combustible
METABOLISMO
102
se conserva en las tres moléculas de ATP que se sintetizan durante el proceso de transferencia de electrones. Elsistema de transporte de electrones esquematizado opera en las mitocondrias.En las reacciones defotosíntesisqueatrapan y almacenanenergía ocurren, básicamente, reacciones similares. Las modificaciones de estos sistemas, su control y operación, y sus relaciones con los procesos generales del metabolismo, así corno la evidencia experimental en que se basan estas ideas, se consideran en el capítulo siguiente. Es necesario enfatizar que hay muchas vías alternativas por las que pueden pasar los electrones de los substratos al oxígeno, pero la cadena de transporte de electrones por los citocromos es la ímica capaz de sintetizar ATP. Todos los otros sistemas desperdician la energid derivada de l a oxidación del substrato o la usan directamente para la reducción acoplada de otros substrat,os. La cadena citocrómica es pues de máxima importancia en el metabolismo energktico integral de la célula. Figura 5-6. Ubiquinona.La quinona se convierte en fenol cuando se reduce. La cadena lateral (R)se compone de 6-10 unidades isoprenoides (ver Capítulo 9). U
/I
CH,
I
CH3-O--
-(~“CH,~“CH==CH--CH,~~),
I1
-H
(oxidado)
O -2 H.,
I
OH
MEDICIÓN DE LOS CAMBIOS DE ENERGÍA El método más conveniente de medir la energía de enlace utilizable es medir la energía libre estándar (o sea la cantidad de energía utilizable para efectuar un trabajo) al hidrolizar el enlace. La reacción química
puede efectuar trabajo útil. Éste se mide por el cambio de energía libre estándar en la reacción, A G o ,derivado de AGO =
~~
RTln K
METABOLISMO
ENERGBTICO
103
donde R = constante de los gases (1.99 cal/”C/moll);T = temperaturaabsoluta, y K = constante de equilibrio de la reacción cuando los reactantes están en actividad unitaria(esencialmenteconcentraciónmolar). El valor A Go es útil para comparar las reaccionesperolaenergíautilizablereal depende de la concentración(indicadaporcuadratines) de losreactantes y puede determinarsepor la ecuación
AG
=
+
AGO
IC1 [O1 RT In -____ [Al [ U 1
AG mide pues la energía libre útil bajo unas condiciones dadas, diferentes a las estándar (o sea rectantesaconcentraciónmolar).Laenergíalibre estándar de la hidrólisis de varios compuestos importantes se muestra en la Tabla 5-1. La relación entre la constante de equilibrio de una reacción y la energía libre utilizable o requerida se muestra en la Tabla 5-2. Para calcular los cambios de energía libre en :las reacciones de oxidorreducción, es necesario medir la tendencia de las sustancias a dar o aceptar electrones. Esto se encuentra midiendo elpotencialeléctrico del compuestorespectoa un electrodo de hidrógeno o actividad unitaria (pH O). El potencial de oxirreducción estándar E, se mide con el potenciómetro usando la ecuación
donde E = elpotencial observado en voltios; R == constante de 10s gases; T = temperaturaabsoluta; n = número deelectronestransferidos y F = constante Faraday (23,000 cal/v). Por tanto E = E, cuando los reactantes están a la unidad o a igual concentración. El valor usado más comúnmenteeselpotencial de oxirreducción estándar a pH 7 (en lugar de pH O), denominado E’,. Los valores E’, de varios compuestos biológicos importantes se dan en la Tabla 5-3. El trabajo que puede efectuarse por una reacción de oxirreducción en términos de cambio en energía libre A G puede calcular,se por la relación
AG
=
-n FAE,,
donde n = número de electrones transferidos y F = constante faraday. Puede verse que la síntesis de una molécula de ATP por medio de una reacción de oxirreducción con transferencia de dos electrones tal como la del citocromo b a citocromo c requeriría una A E o de 0.161 v:
7,400 AE,
= =
--2 X 23,000 X A L o 0.161 v
De hecho, puede verse en la Tabla 5-3 que la A E ’ o de la transferencia del electrón citromo b-citocromo c esaproximadamente 0.2 v. Esta energía es más que suficiente para hacer una molécula de ATP. El residuo de energía no se conserva sino que se utiliza para desbalancear el equilibrio hacia la síntesis de ATP. E n otraspalabras, es utilizada para “hacer marchar la reacción” para acelerarla y llevarla hasta el final.
METABOLISMO VEGETAL
104 Tabla 5-1. Energía libre estándar de la hidrolisis a pH 7 (--AGO) dealgunoscompuestos importantes biológicamente. Compuesto
Acetilcoenzima A ATP Fosfatos (ligamento Bster) (aldosa)-1-fosfato Azúcar piruvato Fosfoenol (amida)Glutamina Glicósido Sacarosa Difosfato de uridina glucosa
Tabla 5-2. Relacionesentre la constantede equilibrio deunareacción ( K ) y el cambio en energía libre estándar en la reacción.
-AG" callmol
K
AGO callmol
10,500 7,400 3,0001363
0.001 0.01
4089 2726
0.1 1
5,000
13,000
10 1O0 1,000
3,400
3,000 6,570 7,600
O "1 363
-2726 -4089
Tipo de reacci6n Enderghica Endergónica Endergdnica Exergónica Exergónica Exergónica
Fuente: H.R. Mahler E.H. y Cordes: Biological Chemistry. 2a. ed. Copyright 1966-1967 por Henry R. Mahlery Eugene H. Cordes. Con permiso de Harper & Row Publishers Inc.
Tabla 5-3. Potencialesde oxirreducción estándar biológicamente.
(F0)
de varios compuestos importantes
Reacción
€ ' o ,v
Reacción
€ ' o ,v
Fe3+/Fe Cyt a, Fe3 +/Fe2+ Cyt bs, Fe3 +/Fe2+ Ubiquinona oxlred Acido deshidro ascdrbicol ácido ascdrbico Fumaratolsuccinato FMN/FMNHz
0.815 0.77 0.29 0.02 0.10 0.08 0.03 -0.02
Oxaloacetato/malato Acetaldeh ído/etanol Ribofiavina oxlred Acido lipóico oxlred NAD+/NADH+2 H+/H2 Succinatolcetoglitarato Acetato 4- COZIpiruvato
-0.17 -0.20 0.23 -0.29 -0.32 -0.42 -0.67 -0.70
0 2 /HzO +
Fuente: H.R. Mahler y E.H. Cordes: Biological Chemistry. 2a. ed. Copyright 1966-1967 por Herny R. Mahler y Eugene H. Cordes. Con premiso de Harper & Row Publishers Inc.
Este concepto es muy importante en bioquímica. Como se dijo antes, la energía libre utilizable de una reacción depende de la concentración de los reactantes y de los productos, así como de la constante de la reacción. Cuanto mayor la concentración de los reactantes más rápida procederá la reacción; cuanto mayor la concentración de los productos, más lenta procederá la reacción. Una reacción que tiene una constante de equilibrio grande (ver Tabla 5-2) procederá casi hasta completarse a pesar de que la concentración de los productos sea alta y la de los reactantes baja. Una serie de reacciones puede formar una secuencia en la que uno o más de los productos de una reacción sirvan como reactantes de la siguiente.Enuna secuencia así, si una de las reacciones tieneunaconstante de equilibrio grande, es decir una reacción fuertemente exergónica, tenderá a dirigir toda la secuencia de reacciones. Así que la energía de la reacción fuertemente exergónica que en apariencia desperdicia realmente se utiliza para dirigir toda la secuencia de reacciones.
METABOLISMOENERGBTICO
105
Muchas reacciones biológicas secuenciales contienen una reacción exergónica así, a menudo la hidrólisis de un enlace fosfat,o de alta o media energía por una fosfatasa. Esta reacción en la que se libera en.ergía sirvepara mantener a la secuencia de reacciones procediendo hacia adelante y le impide llegar a equilibrio cuando aún está presenteuna gran cantidadde substrato sin reaccionar. Estas consideraciones pondránde manifiesto que la dirección en la queprocedeuna reacción no está gobernada solamente por su constante de equilibrio sino también por la concentración de los reactantes y los productos. Es pues posible que una reacción aparentemente desfavorable seuseenun proceso biosintético,a pesar de sugran requerimiento de energía, acoplándola con otra reacción liberadora de energía. Un modelo energético del sistemade transporte de electrones queya se describii, en este capítulo, se presenta en la Figura 5-7. Ahí se ven en perspectiva los componentes del sistema, mostrándose los puntos donde se utiliza la energía para hacer ATP y donde la energía se desperdicia o se utiliza para hacer que una reacción ocurra contra gradientes de concentración no favorables. Se hace evidente que la representación exacta de potenciales de oxidoreducción o de cambios en la energía libre es imposible, pues la concentración de los reactantes en los sistemas biológicos varía de una a otra situación. Por tanto el modelo en la Figura 5-7 es solamente una aproximación. Figura 5-7. Niveles de energía aproximados de los intermediariosenla cadena de transporte de electrones. El cambio integral deenergíalibre de E’,-, - 0.42 va $0.81 v, es de casi 56 kcal/mol para la transferencia de dos electrones. La síntesis de ATP requiere cerca de 7.5 kcal/mol. Ed. v -0.4
-0.2
-0.1
Oo
+0.3
AH,
11 c
1
I
+o’6 tL +0.7
+0.8
2Ht
I
A
+ 2e-
1
Ed, v
-0.42
I
>
t
FAD
4
“O”
Cyt b
I
O
I
] >
( 1 ATP)
Cyt c
+0.22
Cyt a
1-0.29
I
AG
= 4.6 kcal
AG
=
10.1 kcal
AG
=
4.6 kcal
AG
=
10.1 kcal
AG
= 3 kcal
AG
= -20 kcal
-0.32
NAD
7 1 J
I Cyf a3
I
+0.81
METABOLISMO
106
COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA Ciertas moléculas como ATP son importantespara dirigir muchas de las reacciones metabólicas o de síntesisen los sistemas biológicos. Dado que estas moléculas esencialmente proveen la energía para que sucedan las reacciones, han sido clasifidealtaenergía.Estoscompuestos se cadas por F. Lipmanncomocompuestos caracterizanporunaenergía libre negativa de hidrólisis grande; o sea que al hidrolizarse rinden gran cantidad de energía. Los compuestos que solamente rindenunacantidadpequeñadeenergía se conocencomocompuestos de baja energía. Como regla general los compuestos de alta energía rinden por lo menos 7,000 cal/mol o tienen un valor E’, de + 0.3 v o menos. Hay varios tiposimportantesdecompuestosdealtaenergía, y los más comunes de ellos contienen enlaces fosfato de alta energía, a menudo abreviado -P. De éstos los más importantes son anhídridos del ácido fosfórico (P-P) tales como ATP, anhídridos carboxílicos fosfóricos tales como acetil fosfato (acetil-P) y enolfosfatos tales como el fosfoenol piruvato (PEP). Estos enlaces son esencialrwnte inestables; su hidrólisis por introducción de una molécula de agua, da por resultado la formación de uno o varios productos mucho más estables con una pérdida de energía. Otros enlaces importantes de alta energía son los tiolésteres de los cuales el de mayor importancia es la acetil-coenzima A (acetil-COA). Ciertos ésteres de aminoácido pueden ser clasificados como compuestos de alta energía, tales como la S-adenosilmetionina (un donador del grupo/metilo) o la glucosauridina difosfato (un donador de glucosilo). La AGO de cada uno de estos compuestos se enlista en la Tabla 5-1. Muchos donadores de electrones tales como el NADH2+,el NADPH2+y el ácido lipoico, que tienen valores E’,,bajos (Tabla 5-3) pueden clasificarse claramente como compuestos de alta energía. Todos estos compuestos son importantes enel metabolismo energético de la planta. MECANISMO DE SÍNTESIS DEL ATP ¿Cómo se acopla la energía metahólica liberada en la cadena de transporte de electrones con la formación de ATP? Este interrogante ha desafiado a los científicospor décadas y aún no está clara la respuesta.Sehanadelantado varias teorías yunade ellas, la teoríaquimiosmótica, ha tenido general aceptación. Sin embargo,debeenfatizarsequeno se conocen los detalles, algunos datos inconsistentes no se entienden aún y no se ha probado ninguna teoría sobre la síntesis del ATP. La hipótesisquímica de la síntesis del ATP involucra la formaciónde un enlace de alta energía con una hipotética proteína intermediaria al reducirse un miembro de la cadena respiratoria.
AH2
+
enzima
+
proteína
+
A
- proteína
+
enzima-Hz
La energía del enlace proteína-substrato es luego usada parasintetizar ATP
A
proteína
+ ADP +
Pi
+
A
+
proteína
+
ATP
METABOLISMO ENERGBTICO
107
L a hipótesis quimiosmática, adelantadapor el bioquímico británico P. Mitchell (residente en los Estados Unidos) es una modificación de ésta. La cadena respiratoria se usa para separar las cargas enla reacci6n
H
+
H'
+
electrón-
hidrógeno ion hidrógeno
Las dos partículas cargadas se separan por lados opuestos de la membrana dela mitocondria mediantelasenzimastransportadorasde electrones que, de acuerdo con la hipótesis, estánarregladasde tal modo en la membrana interna dela mitocondria que transportan hidrógeno al exterior y electrones al interior. Como consecuencia los iones hidrógeno, separados delos electrones en las reacciones de transferencia de electrones, son pasados al exterior de la membrana interna de la mitocondria. Además, los átomos de hidr6gen.o transportados a través de la membrana deben derivarse delagua por las reacciones.
H,O
H'
+
e-(del transportador de electrones)
+
-+
OH-
+ H' H
Como resultado de esto en el interior de la membrana interna se acumulan iones hidroxilo. Esta situación, y lamanerasegúnse cree, en que participan los diversos componentes transportadores de electrones se muestra en la parte superior de la Figura 5-8. Debe recordarse que las reacciones que forman ATP a partir del ADP y Pi incluyen la remoción de una molécula de agua. La situación creada por lasreacciones de transferencia de elect,rones y iones hidrógeno al organizarse en el espacio, enlas ecuaciones anteriores genera un poderosogradiente químico y potencial ya que los iones hidrógeno están en el exterior de la membrana interna de la mitocondria en tanto que los iones hidroxilo están en, el interior. El exterior de esta membrana se carga positivamente en tanto que el interior se carga negativamente. Este potencial tiende a juntar fuertemente entre sí a los componentes del agua. Sin embargo, elgradiente no puededesplomarseporlasimpleformaciónde agua y liberación de calor porque la membrana interna de la mitocondria es esencialmente impermeable a los iones hidrógeno o hidiroxilo. Sin embargo, hay vías por las que los iones hidrógeno pueden penetrar las membranas y es por las salientes de la membrana interna de la mitocondria que llevan la enzima ATPasa. Como la mayoría de las enzimas la ATPasa es capaz de catalizar la reacción hacia adelante o hacia atrás de acuerdo con las condiciones existentes, y por tanto puede no sólo hidrolizar al ATP sino también sintetizarlo. Existe la hipótesis de que las particdas F1-ATPasa (ver página 58) searreglande forma que los iones hidrógenopuedan entrar por vía delas partículas F,, o salientessólocuando estánpresentes ADP y Pi. Bajo la influencia deun alto gradiente de potencial, dos intermediarios hipotéticos, X e I (uno de los cuales, al menos, se supone ser un sitio activo en l a ATPasa) forman un enlace anhídrido que actúa removiendo el oxígeno de los grupos hidroxilo del Pi. El oxígeno se usa para hacer agua con los iones hidrógeno que vienen del exterior. Bajo la influencia del mismo gradient e , los iones hidrógeno del ADP y de los grupos hidroxilo del Pi dejan laF 1-ATPasa en el interior, donde forman agua, combinándose c:on los grupos hidroxilo deriva-
METABOLISMO VEGETAL
108
EXTERIOR (espacio entre las membranas
MEMBRANA INTERNA DE LA
INTERIOR (matriz)
ATP
Figura 58. Diagrama esquemático de la membrana dela mitocondria mostrando cómo es que el sistema de transferencia de electrones, por el transporte alternado de protones electrones o solamente de electrones, puede generar un gradiente protón-hidroxilo a través de la membrana (parte superior del diagrama). La parte inferior del diagrama muestra una via hipotetica por la que el gradientepuede utilizarse por medio dela ATPasa parahacer ATP. Existen otros posibles mecanismos.
+
METABOLISMO ENERGfiTICO
109
dos del proceso de transporte de electrones descrito previamente. Los radicales ADP y Pi así formados se unen para generar ATP. Esta secuencia se muestra en el diagrama de la mitad inferior de la Figura 5-8. Es evidente que la acción de agentes desacopladores, compuestos que permiten proceder al transporte de electrones (a menudo a tasas muy aceleradas) sin la consiguiente formación de ATP, puede explicarse fácilmente con la hipótesis quimiosmótica. Se supone que su acción sederivade su efecto sobre las membranas ya que las vuelven más permeables a los iones hidrógeno que pueden atravesarlas y entonces el gradiente colapsa con la formación directa y la pérdida de energía resultante. De modo similar, el acoplamiento del transporte de electrones al transporte de partículas cargadas (por ejemplo K Ca2 +) a través de membranasse explica fácilmente con esta hipótesis. En tanto el ion pueda permear la membrana, difundirá hacia abajo del gradiente electroquímico generado por el gradientedel ion hidrógeno, a travésdelamembrana. Este acoplamiento se se examinará con mayor detalle en el Capítulo 12 donde se considera el transporte de iones. Es conveniente recordar que este esquema es aún hipotético. Sin embargo, parece concordar mejor con los datos experimentales que otras hipótesis alternativas y muchos bioquímicos creen que éste, o un esquema similar, provee la mejor explicación posible dela síntesis del ATP. Otros conceptos incluyen al intermediario de alta energía o hipótesis del acoplamiento químico y la hipótesis de las cargas apareadasmóviles. La hipótesis del acoplamiento químico requiere intermediarios de alta energía que nunca se han aislado, y es difícil de explicar la acción de los desacopladores con esta hipótesis. La hipótesis de lascargasapareadas móviles requiere que los electrones se muevan a través de las membranas siguiendo canales específicos bajo la influencia del gradiente electroquímico formado por los transportadores de electrones y que iones cargados positivamente, encapsulados en moléculas proteicas especiales llamadas ionóforos, semuevanen canales o “túneles” paralelos, bajo la influencia de interacciones coulómbicas entre los electrones cargadosnegativamente y los ionóforos cargados positivamente. Una vez más, las estructuras requeridas son hipotéticas y la evidencia que da basea esta hipótesis no es muy fuerte. Una de las evidencias más claras en que se basa la hipótesis quimiosmótica es el hecho de que el gradiente de pH necesario puede demostrarse e inversamente, si se aplica un gradiente de pH a mitocondrias o cloroplastos aislados, tiene lugar la síntesis de ATP. Esta hipótesis requiere también membranas intactas y el completo aislamiento de los espacios interno y externo que rodeanlamembrana quimiosmóticamente activa, exigencias que debencumplirsepara que ocurra la fosforilación en la mitocondria o en el cloroplasto. El pesode la evidencia bioquímica parece estar hoy día enfavorde la elegante y relativamente simple hipótesis quimiosmótica. +
REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE GRUPO
Es obvio que los compuestos de alta energía pueden reaccionar enérgicamente con un componente común de su ambiente, generalmente el agua. La formación de muchos enlaces químicos en la síntesis demoléculas biológicas y elementos estructurales requiere la eliminación deagua, colmo por ejemplo enla sintesis de sacarosa.
METABOLISMO VEGETAL
110
glucosa
fructosa
f
.+
sacarosa
+
H,O
-
6,600 cal
Tal como está escrita esta reacción no puede llevarse a cabo en los sistemas biológicos. Solamente ciertas reacciones pueden eliminar agua y formar enlaces anhídridos; la más común deellas es la síntesis de ATP.
ADP
+
Pi
-+
+
ATP
H,O
7,200 cal
-
siendo suministrada la energía por las reacciones de transporte de electrones. Una vez que se presenta la energía en un enlace anhídrido, puede ser conservada transfiriendo el grupo sin intervención del agua. Así la energía puede ser transferida a otra molécula al transferir el grupo.
En este caso se transfiere el grupo fosfato. El éster de la glucosa-1-fosfato contiene ahora la mayor parte de la energía del enlace de alta energía del ATP (no toda la energía, 1,200 cal, se ha perdido, pero es suficiente para hacer que ocurra la reacción). Una enzima del organismo Pseudomonas, la sacarosa fosforilasa, puede catalizar la siguiente transferencia de grupo (en este caso el transferido es el grupo glicosil).
+
glucosa-I-fosfato
fructosa
sacarosa
-+
+
Pi
-
600 cal
y aún queda almacenada mucha de la energía original, pero ahora se ha transferido al enlace anhídrido presente en la sacarosa. En esta forma la hidrólisis del ATP se ha acoplado a la síntesis de sacarosa. Realmente la síntesis de la sacarosa en las plantas superiores ocurre por una secuencia aún más interesante de transferencia de grupo que incluye alos nucleótidos UDP, UTP, y un nucleótido glicosil-sustituido, eldifosfatodeuridina glucosa (UDPG) en la secuencia siguiente
UDP + ATP
-+
UTP
+
ADP
El ATP es resintetizado por las reacciones de transporte de electrones en otra parte cualquiera de la célula. El UTP reacciona entonces con la glucosa-l-fosfato (G-1-P) para generar la molécula donde se transfiere el glucosil UDPG y pirofosfato que es una molécula que consiste en dos fosfatos unidos por un enlace anhidrilo (P P), escrito PPI.
-
UTP PPi
+
+
G-1-P
H20
-j
+
UDPG 2
Pi
+
+
PPI
X.000 cal
El pirofosfato se hidroliza a fosfato inorgánico con l a liberación de una gran cantidad de energía. Esta reacción tiende a dirigir toda l a secuencia hacia adelante. Luego el UDPG transfiere la porción glucosa a una molécula de fructosa para generar sacarosa.
METEBOLISMO
111
UDPG
+
F
-+
sacarosa t UDP
Alternativamente, UDPG puede reaccionar con la fructosa-6-fosfato (F-6-P) para dar sacarosa-fosfato.
+ F-6-P sacarosa-fosfato + H 2 0 UDPG
+
-+
sacarosa-fosfato sacarosa -t Pi
+
3,000 cal
La hidrólisisdela sacarosa-fosfato rinde a.únmás energía, lo quehace posible la acumulación dealtas concentraciones de sacarosa. Esta secuencia de reacciones, involucrando tanto reacciones detranlsferenciadegrupo como reacciones exergónicas, permite efectivamente la síntesis y concentración de cantidades muy grandes de sacarosa, como las que se encuentran en la caña de azúcar y la remolacha y enlas células de las plantas fotosintéticas. Nuevamente, a través de estados intermedios, la hidrólisis del ATP (y de G-11-P) se ha acoplado a la síntesis de la sacarosa. El principio deconservacióndela energía a travésdelas reacciones de transferencia degrupoesmuy importante. Una vez que se hidroliza un enlace de alta energía, éste se degrada. Sin embargo, a veces es necesario hidrolizar dichos enlaces directamente para forzar a que las reacciones se presenten. Así quela energía de hidrólisis de un enlace de alta energía puede utilizarse para efectuar una reacción, a pesar de una concentración alta del producto. Las células contienen varias enzimas hidrolíticas que efectúan esto. Sin embargo, las células deben tener medios efectivos paraimpedir la acción indiscriminadadeenzimastales como fosfatasa (que hidrolizalos fosfatos) o ATPasa (que ataca al ATP) que podrían destruir todo el substrato utilizable desperdiciándolo. Tales enzimas generalmente son secretadas en cuerpecillos o compartimientos celulares y solamente se liberan cuando se necesitan. La mayoría de las fosfatasas son altamente específicas; solamente están presentes en aquellos organelosdonde se requieren con propósitos metabólicos peroquedan excluidas de los organelosdonde las reacciones de síntesis requieren la presencia continuada de substratos fosforilados.
EL CONCEPTO DE “CARGA ENERGÉTICA” Y EL CONTROL METAB~LICO Las células contienen una cantidad finita de compuestos que almacenan energía, particularmente los fosfatos de adenosina (AMP, ADP, ATP) que pueden estar presentes como compuestos de alta o de baja energía. Así puededecirseque una célula está “totalmente cargada” cuando todos sus adenilatos están presentes como ATP. Similarmente, cuando todos los ATP están hidrolizados hasta AMP la célula está “totalmente descargada”. Estos estados de energía son análogos a los estados de una batería electrolítica que puede estar cargada o descargada. El nivel de carga de una célula puede calcularse por la expresión porcentaje de carga =
[ATPI + 1/2 [ A I W [ATP] + [ADP] + [AMP]
x
o.
METABOLISMO VEGETAL
112
Esto da un valor que representa el estado de energía de una célula comparada con su estado completamente cargado. La relación aproximada de las cantidades de ATP, ADP y AMP con el porcentaje de carga de una célula se muestra en la Figura 5-9. Normalmente las células tienen cerca de un 80%de su carga total. Este nivel se mantiene por un mecanismo llamado control de retroacción. Retroacción significa que algún producto de una secuencia de reacciones influye en alguna de las reacciones que llevan a su producción, de modo que se puede mantener un nivel constante del producto. Un termostatocasero es un controlderetroacción.La cantidad de calor producido (por el horno) está influenciado por la cantidad de calor presente (indicada por la temperatura); según sea necesario se añade más o menos. Los mecanismos de retroacción que mantienen el balance energía-carga en las células son los siguientes: ciertas reacciones que sintetizan ATP están influenciadas positivamente por la concentración de AMP, es decir la formación de ATP crece al aumentar la concentración de AMP. Algunas reaccionesque utilizan ATPsoninfluenciadaspositivamenteporla cantidad deATP y negativamente porlacantidad de AMP presente (es decir,elaumentode ATPacelera su utilización y el aumento de AMP frena su producción). Así, el control es ejecutado no sólo por las cantidades absolutas de ATP y AMP presentes sino por sus concentraciones relativas. Otros controles de este tipo se exponen con mayor detalle en el Capítulo 6 . La operación del sistema de retroacción puede verse enlagráficade la Figura 5-10. Cuando la relación ATP/AMP es muy baja, el gasto de energía celular es bajo y la célula está descargada. Las reacciones de síntesis de ATP tienen entonces una tasa alta, las reaccionesque utilizan ATPson frenadas y lacélula se va cargando. Cuando el nivel de carga se aproxima al S O % , las reacciones de síntesis de ATP disminuyen y las reacciones que utilizan ATP aumentan hasta que se llega a un balance cuando falta más o menos 20%para la carga total. Peroademás, las reaccionesque generan o usan ATP pueden tenerotras funciones. Una de las más importanteseslade proveer intermediarios para la síntesisde los componentes celulares. Es importanteque se incorporeneneste mecanismo de carga-balance algunos controles secundarios, o bien las reacciones de síntesis podrían suspenderse por completo en una célula totalmente cargada, Por lo tanto, muchas de esas reaccionesson sensitivas también a las concentracionesdeintermediariosresultantes de su operación (a menudo a varios pasos Figura 59. Relaciones entre las concentraciones de ATP, ADP y AMP (como porcentajedel adeniiato total) y el porcentaje de carga de una c6lula.
+
O
20
40
60
80
1O0
METABOLISMO
113 Figura 5-10. Mantenimiento de la carga a un 80%por reacciones de control de retroacción. Las lineaspunteadasmuestran los sitiosdonde las reaccionesllevantambi6n a intermediariosnecesarios, lo que se traduceenunatendencia a ”sobrecargarse“ o a “quedar bajo en carga”.
Rápido
I
O
Reacciones que sintetizan ATP
20
I 60
40
I
80
1
Carga, 01%
de distancia). El efecto de esta sensibilidades modificar lamarchadelas reacciones de“carga” o “descarga” como lo muestranlas líneas punteadasenla Figura 5-10, llevando a una tendencia de“sobrecarga” o “subcarga”.Probablemente esta eslarazónporlacualelbalance de cargasemantienenormalno tan alto mente cerca del 8 0 % ,esto es suficiente paraunaemergenciapero como para impedir cierta flexibilidad de operación. La importancia del concepto del control de retroacción en el mantenimiento de condiciones específicas enun sistema dinámico no puede exagerarse. Es el cémedio más importante para la regulación y control delasactividadesdelas lulas y organismos, y para el mantenimiento de condiciones apropiadas constantes dentro del organismo, en presencia de factores delmedio ambiente externos en cambio continuo. Es el medioprimordial con elquelasplantas seprotegende estar enteramente a merced delas constantes de equilibrio de sus reacciones y de la concentración de sus metabolitos. Los controles de retroacción impiden el desperdicio en la oxidación de todos los substratos utilizables o la sobreproducción accidental de metabolitos indesables. Son esenciales para el mantenimiento y balance de todas las actividadesmetabólicas de los organismos.
ACCIÓN ENZIMÁTICA Las reacciones químicas corren enla dirección en queseliberaenergía.Sin embargo, la mayoría de las reacciones no proceden espontáneamente, aun en esa dirección, sin algún ingreso inicial de energía. Por ejemplo, aunque la madera arde con liberación de gran cantidad de energía, no lo hace espontáneamente sino que
METABOLISMO
114
debe ser encendida. Antes que las moléculas puedan reaccionar entre sí se debe introducir una cierta cantidad de energía para activarlas; este requerimiento energético se denomina energía de activación. El ingreso de energía es necesario para hacer a las moléculas más reactivas, quizá por llevarlas a una asociación más cenada o por llevarlas a cierto tipo de esfuerzo o stress. Ciertas sustancias llamadas catalizadores que no son consumidas en las reacciones, tienen el efecto de reducir la energía de activación, haciendo así más reactivas a las moléculas. Ya hemos mencionado las enzimas; son moléculas proteicas especiales de las células y organismos que actúan como catalizadores biológicos. Las enzimas funcionan reduciendo la energía de activación de las moléculas, facilitando así la ocurrencia de reacciones termodinámicamente posibles. El mecanismo de acción enzimático se ilustra diagramáticamenteen la Figura 5-11. La estructura de cada enzima está arreglada de modo quepueda enlazarse (por enlaces de hidrógeno, fuerzas iónicas y débiles fuerzas intermoleculares) con el substrato. Al hacerlo así, el substrato se activa quizá por mantenerse muy junto a otro substrato o por estar bajo tin esfuerzo (o sea distorsión molecular). Figura 5-11. Representación diagramática de la acción e inhibición enzimática. De hecho, el "enganche" entre enzima y substrato no es geométrico, como se muestra, sino el resultado de muchos puntos de interacción de fuerzas débiles de atracción, ligadurasdehidrógeno, etc. Deberecordarseque los tamañosrelativosde las moléculas de enzima, de substrato y de inhibidor no son, probablemente, como se muestran; la enzima puede ser cientos de veces m5s grande.
a
n E + S = = = =ES
-
E + P
A . Acci6n de enzimas. E =enzima, S = substrato, P =producto
E
+
I=El
B . lnhibicibn por competencia por el sitio activo. Cuanto más fuertemente se liga E con I , tanto más difícil será disociar E l y más potente será el inhibidor I (o tóxico). I = inhibidor.
II
c.E + I s E l
D.
E
C y D . 1nhib;ción por inactivación de la enzima sin involucrar al sitio activo. En C el sitio activo de la reacción está encubierto y en D este distorsionado por un inhibidor alost6rico.
D +
I e E ¡
METABOLISMO ENERGETIC0
115
El substratoreacciona y elproductoesliberadodelasuperficiedelaenzima como se muestra en la Figura 5-11A. La enzima (queda sin cambio y libre para mediar la reacción de más moléculas de substrato. Muchas enzimas son reversibles, o sea que pueden mediar una reacción, bien hacia (adelante o hacia atrás, con tal que ello sea termodinámicamente posible. Debe reconocerse que una enzima no cambia la dirección de una reacción sino solamente:;u tasa. Las enzimas pueden ser inhibidas por un veneno que se combineconel sitioreactivo de laenzimaycompita asíconel substrato(Figura 5-llB). En este caso, si el complejo enzima-inhibidor se disoci.a, la inhibición puede superarse aumentando la concentración del substrato. Por otra parte, el inhibidor puede formar un complejo en algún otro sitio de la moltjcula de enzima de modo que 5 - l l C y D). Como el inimpida a ésta que se combine con el substrato (Figuras hibidor y el substrato no están compitiendo por el mismo sitio de reacción, este tipodeinhibiciónno puede ser suprimido añadiendo más substrato. Hay también ciertas sustancias que activan a las enzimas haciéndolas más efectivas.Esta al substrato es la base del efectoalostérico, en elqueunamoléculadiferente reacciona en un sitio especial de la enzima diferente al sitio de reacción y causa un cambio conformaciond (es decir, en la forma o estructura terciaria de la enzima)queactiva o inhibeaésta. En el control de retroacción del metabolismo se involucran muchos efectos alostéricos. Por ejemplo, el producto final de una secuencia de reacciones que incluye varios pasos y varias enzimas puede inhibir alostéricamente un paso precedente en su propia ]producción, así que la tasa de síntesis del productofinalestácontroladaporlacantidadpresente. Algunos ejemplosdeesteimportantemecanismo se expondránenel capítulo siguiente.
LECTURAS ADICIONALES Lehninger, A. L.Biochemistry Worth Publisher Znc. New Yark. 1970. Chaps. 8 , 1 3 , 1 4 , 1 7 . Lehninger, A. L.Bioenergetics. W. A. Benajamin Inc. Menlo :Park Calif. 1971. Peunsner, L. Concepts in Bioenergetics. Prentice-Hall Inc. En.glewood Califfs, N. J. 1974. Westley, J. Enzyme Catalysts. Harper & Raw. New York. 19169.
Ca-pítulo 6
Hasta ahora solamente se vio el flujo de energía. Pero los organismos también tienen masa, la que adquieren en las reacciones de síntesis y pierden en la respiración. Además, las reacciones por las que se transforma y utiliza la energía son químicas. El flujo de materiales enlas síntesis y enla respiraciónes tan importante como el flujo de energía. En este capítulo se estudia el proceso integral de la respiración tal como ocurre enlas células y órganosdelasplantas. Se profundiza en las fuentes del carbono, el metabolismo intermediario y los sistemas de control que regulan la respiración. Más adelante (particularmente en los Capítulos 15 y 2 1 ) se examinarán con más detalle las relaciones entre la respiración y otros sistemas metabólicos y los esquemas respiratorios de la planta en desarrollo. El procesoprimariodelarespiracióneslamovilizacióndecompuestos orgánicos y su oxidación controlada paraliberarenergíapara el mantenimiento y desarrollo de la planta. Considérense primero las reacciones del carbono resumidas en la ecuación
C6H,206
+
6 O,
--f
6 C02
+
6 H,O
+
energía
que representa laoxidación de una molécula de hexosa. Lasreacciones del carbono en la respiración involucran dos procesos distintos. El primero, la glicólisis, es una serie de reacciones que constituyen la vía Embden-Meyerhoff-Panass (EMP) (así llamadapor tres de los principales científicos cuyo trabajo llevó a ponerlas en claro), que también es la base de la respiración anaerobia o fermentación. La vía EMP convierte una molécula de hexosa en dos moléiculas de ácido pirúvico. fistas sonluegodescarboxiladas, y e€fragmentoremanentededos carbonos se oxida dos procesos principales, el ciclo de ácidos tritotalmente enelsegundodelos caboxílicos O ciclo del ácido cítrico, también llam,ado ciclo de Krebs por el famoso bioquímico británico Sir Hans Krebs, quien fue el primero en demostrar las reacciones. También se examina una importante via del catabolism0 de las hexosas que circunvala la vía EMP, la vía accesoria de la hexosa-monofosfato 0 vía accesoria de las pentosas.
METABOLISMO VEGETAL
118
Las reacciones de la vía EMP de la glicólisis se esquematizan en la Figura 6-1, junto con las enzimas que catalizan cada reacción. El primer paso utiliza ATP para fosforilar la hexosa, una reacción por la hexokinasa (las kinasas son enzimas queadicionan un grupo fosfato; la hexokinasa fosforila a una hexosa). La glucosa-6-fosfato (6-6-P) resultante se convierte en su isómero fructosa-6-fosfato (F-6-P) por la fosfoglucoisomerasa (una isomerasa altera la estructura de un compuesto sin cambiar su fórmula). Una segunda moléculade fosfato de otro ATP es introducida subsiguientemente por la enzima fosfohexokinasa. La fructosa difosfato (FDP) así formada sufre ahora una rotura catalizada por la aldolasa (una enzima que cataliza las reacciones entre, o produce compuestos aldehído-alcohol) fraccionándose en cetotriosa, fosfodihidroxicetona (DHAP) que contiene C , , C2 y C, de lahexosaoriginal, y en aldotriosa3-fosfogliceraldehido (GAP) que contiene los C, , C5 y C6 . Estos y los subsecuentes pasos de la glicólisis se ilustran con más detalle en la Figura 6-1 mostrando las relaciones ent.re los carbonos individuales de los intermediarios. Las dos triosas son interconvertibles y hay un equilibrio a través de la acción de la enzima fosfotriosaisomerasa. La DHAP se convierte en GAP y este compuest o es hego oxidadoporlafosfogliceraldehído deshidrogenasa formandoácido 1,3-difosfogliceraldehído (las deshidrogenasas remueven hidrógeno de los compuestos, oxidándolos). En esta reacción parte de la energia de oxidación se utiliza para reducir NAD+ a NADH + H (en adelante las formas oxidadas y reducidas del NAD y NADP se escribirán NAD-NADH y NADP-NADPH). El resto de la energía de oxidación se conserva por esterificación del fosfato inorgánico en el C1 de la molécula de GAP formando un acilfosfato de alta energía. En la reacción siguiente este grupo fosfato es transferido al ADP pars generar ATP catalizadoporlafosfoglicerilkinasa. El ácido3-fosfoglicérico(PGA) resultante se convierteenácido2-fosfoglicéricopor la fosfogliceromutasa(una mutasa cambialaposición del fosfatoesterificado) y éste se convierte,porla remocióndeunamolécula de agua, enfosfoenolpiruvato (PEP) porlaenolasa, una enzima que cataliza la conversión a la forma enólica y viceversa. Los enoles tienen una doble ligadura (-ene) y un grupo alcoholadyacente (-01). La conversión de PEP a piruvato por la piruvatokinasa involucra la transferencia del grupo fosfato al ADP formando ATP. La energía para esta transferencia se deriva de la conversión del PEP, altamente reactivo e inestable, al ácido pirúvico más estable. REACCIONES.
+
El balancedeenergíadela glicólisis se determinafácilmente. En la conversión inicial de glucosa a FDP se consumen dos moléculas de ATP; peroenformasubsecuente se generan directamente dos enlaoxidación de dos moléculas de fosfogliceraldehído y dos más se generan en la conversión de dos moléculasde PEP a piruvato. Esta síntesis directa delATPesdenominada fosforilación del substrato. Por tanto, el balance neto es de dos moléculas de ATP sintetizadas por fosforilación del substrato, por cada molécula de glucosa que se convierteen piruvato. Adicionalmente,durantelaoxidaciónde dos moléculas de GAP a PAG, dos moléculas de NAD son reducidas a NADH. La reoxidación de cadamolécula de NADH poreloxígeno a través delacadenadetransporte de electrones genera tres moléculas de ATP, lo que hace un total de seis moléculas de ATP más por molécula de glucosa. Así pues, la producción total neta de la
BALANCEDE ENERGÍA.
119 Figura 6-1. Reacciones y enzimas de la vía de glic6lisis EImbden-Meyerhoff-Parnass(EMP). almidón
1
glucosa-1-fosfato
11
glucosa b
t
hexokinasa
ADP
glucosa-6-fosfato
1
fosfoglucoisomarasa
fructosa-6-fosfato ATP
+ *
ADP
fosfohexokinasa
fructosa-1,6-difosfato
CH,OP-CO-CHOH-CHOH-CHOH-CH,O-P aldolasa fosfato de dihidroxiacetona CHZOP-CO"CH,OH
gliceraldehfdo-3fosfato
"-c CHO-CHOH-CH,OP
fosfotriosa isomerasa
o
o 0 pi
gliceraldehldo-1.3,difosfato CHOP-CHOH-CH,OP
gliceraldeh(do fosfato deshidrogenasa
NAD'
NADH
+ H+
ácido 1.3-difosfoglic61rico COOP"CHOH-CH201'
0 ADP
0
0
tATP
fosfogliceril kinasa
ácido 3-fosfoglic6rico COOH-CHOH-CH,OP
1
fosfogliceril mutasa
ácido 5-fosfogiicérico COOH-CHOP-CH,OH
t+Hz0
enolasa
ácido fosfoenolpirúvico COOH-COP-CH,
ADP
ATP
ácido pirúvico COOH-CO-CH,
o
0 0
kinasa pirúvica
METABOLISMO VEGETAL
120
glicólisis en términos de intermediarios de alta energía por mol de glucosa catalizado es de 2 moles ATP + 2 moles NADH, u 8 moles ATP. Esto representa solamente unas 60 kcal/mol de glucosa, o cerca del 10% de la energía total utilizable de aquélla. En el proceso de conversión de la glucosa al piruvato algo dela energía liberada se pierde como calor, pero una proporción mayor de la energía de laglucosaqueda todavía encerrada enlas moléculasdepiruvato y es liberada en las reacciones de oxidación del ciclo de Krebs.
CICLO DE KREBS FORMACIdN DE ACETIL-COENZIMA A. Las dos moléculas de piruvato que resultan dela glicólisis de una molécula de hexosa sufren a continuación una serie de reacciones que las convierten en un derivado del ácido acético, la acetil-coenzima A (aceta-COA), en cuya forma entran al ciclo de Krebs. El agente para la transferencia de grupo, la coenzima A (COA) participa en varias reacciones importantes incluyendo la descarboxilación del piruvato y el a-cetaglutarato en el metabolismo oxidativo y la oxidación de las grasas hasta acetato. La COA está constituida por una molécula de la vitamina ácido pantoténico y una molécula de ATP. Su grupo activo -la ligadura que sirve para transferir grupos tales como los radicales acetilo- es el grupo SH que puede ser oxidado y reducido. La estructura de la COAse muestra en la Figura 6-2. La secuencia de reacciones que lleva a la formación de acetil-COA se esquematiza en la Figura 6-3. En el primer paso el piruvato reacciona con la tiamina pirofosfato (TPP o cocarboxilasa) para formar un complejo acetaldehído-TPP y CO,. El complejo reacciona con el cofactor ácido a-lipoic0 en estado oxidado para formar un complejo acetil-ácido lipoico liberando al TPP. El complejo acetilácido lipoico racciona con la COA formando acetil-COA y el ácido lipoico seha reducido en esta reacción. El ácido lipoico es reoxidado por el NAD y el NADH así formado es reoxidado por el sistema de transporte de electrones por los citocromos, generando tres moléculas de ATP por molécula de piruvato oxidado. Las estructuras delTPP y del ácido a-lipoic0 se muestran a continuación. Los complejos se forman en los puntos marcados con flechas. El ácido (Y -1ipoico oxidado tiene un enlace S-S (línea punteada); en la forma reducida se adicionan hidrógenos a los átomos de azufre.
/
IPP
H
CH,-CH,--CH-(CH,),-COOH I I S _""" S
I
H
I\
Ácido a-lipoico
REACCIONES DEL CICLO. La acetil COAesel combustible del ciclo de Krebs, el sistema oxidativo que completa la conversión del carbono de los substratos respiratorios a CO, La necesidad de un ciclo en lugar de una oxidación directa es doble.
.
121
RESPIRACION C H 3 H O H H H O H H H
I I I I I I I I I I I I
CH,---C-C-C-N-C-C-C-N-C-C-SH
I
I
I
H
/
H
I
H
I
H
O
o-cFyH
coenzima A
Figura 6-2. Estructura lade
H
(COA).Las dos partes básicas de la mol6cula se derivan del ácido pantothico (por-
O
OH
I
ción superior) y ATP.
"3
Primero, la oxidación directa de acetato a COZ tendría que proceder por compuestos con un carbono y éstos son extremadamente reactivos y, por así decirlo, difíciles de manejar. Así que el acetato, en lugar de ser oxidado directamente, es adherido a un "mango". La molécula mayor resultante es oxidada paso a paso hasta el tamaño del "mango" original, que entonces puede aceptar unanueva molécula de acetato para ser oxidada, y así sucesivamente. La segunda ventaja de un ciclo es que durante su operación se hacen muchos intermediarios más complejos, los cuales sirven como puntos de partida para la ,síntesis de otros componentes celulares. Esta funcion del sistema respiratorio se describe con ciertos detalles en la página 130. Las reacciones del ciclo de Krebs se esquernatizan en la Figura 6-4. Los detalles en las relaciones de los átomos de carbonose muestran en la Figura 6-20, Piruvato
co,
de
Pirofosfato
Complejo TPP-acetaldehído
tiarnina
1
"
Ácido a-lipoico
r""""" (oxidado)
t t
I
Ácido acetil-lipoico
Ácido u-lipoic0 (reducido)
f"--"
Acetil-COA
Figura 6-3. Conversión del piruvato a acetil-COA (deshiKrebs drogenasa pirúvica).
I
de
I
Ciclo
NAD'--+--rNADP!
COA
t
H '
122
METABOLISMO VEGETAL
1
O
I1
t
acetil - COA
COA-S-C-CH,
COA
II -
enzima condensadora del citrato
Ácido oxaloac6tico
L.
O-=C-COOH
I
H,C-COOH deshidrogenasa málica
Ácido cítrico H,C--COOH
I
HOC--COOH
I
H,C-COOH
NADH24+ NAD
H 2 0 e ; C t
Acido mdlico
&ido cis-acon ític0
H HOC-COOH
H,C"COOH
1 II
I
1f+
fumarasa
> aconirasa
C-COOH
H,C-COOH
HC-COOH
H, O
-11
fumárico Acido
H20 Acido isocítrico
HC-COOH
I
H,C--COOH
I
HC-COOH
deshidrogenasa succinica
HC-COOH
FADH, 4 +,
I
FAD
HOC-COOH
Ácido succínico
deshidrogenasa isocltrica
H,C--COOH
NAD+
I
Acido oxalosuccínico
H
Hz '\COO
NADH, H,C-COOH
I
HC-COOH
ácido
deshidrogenasa u-cetoglutárica y tiokinasa SUCCíniCa a-lipoico reducido
L
H, C
carboxilasa
I
O=C-COOH i
c
o oxidado
coz 'llamado tambidn &ido
NADH,
2-oxoglutárico
Figura 6 4 . Ciclo de Krebs. Las reacciones reversibles se muestran por dobles flechas; las flechas gruesas indican la direcci6n en la operación normal del ciclo.
en la discusión sobre las investigaciones con indicadores l 4 C. E1 primer paso en el ciclo es la adición del acetato de la acetil-COA al oxaloacetato formándose citrato, el primer ácido tricarboxílico del ciclo. La siguiente serie de reacciones cambiaal grupo OH del carbono intermedio del citrato al carbono siguiente, formándose isocitrato que puede ser oxidado luego a oxalosuccinato. Este cambio es necesario porque el grupo carbonilo debe estar junto a un carboxilo para las reacciones siguientes. A continuación, el grupo carboxilo central es removido dejando el CY-cetoglutarato de cinco carbonos que es descarboxilado de modo
RESPIRACION
123
oxidativo dando succinato de cuatro carbonos. Las, reacciones de los ácidos dicarboxílicos de cuatro carbonos completan lospasosoxidativosdel ciclo y regeneran al ácido de cuatro carbonos con el que se empezó, el oxaloacetato. Las reacciones individualessonlassiguientes. La adición de acetato al carbonilo del oxalo acetato es efectuada por la enzima condensadora del citrato. Esta es una reacción típica importante y puede utilizarse para crear compuestos de cadena larga y de cadena ramificada por la reacción de la acetil-COA con una s í formadosufreahorala removariedaddecompuestos carbonilo. El citrato a ción y reposición de una molécula de agua que cambia al OH del C3 , al C4 de la molécula. Ambas reacciones, la remoción de agua para hacer ácido cis-aconitic0 y su reposiciónpara hacer ácido isocítrico estáncatalizadasporla aconitasa. Este pasoes el sitio de inhibición por el ácido fluoracético, un compuestoque se encuentra libre engrandes cantidades en la plantasudafricana“Gibflaar” (Dichapetalurn eyrnosum). Por s í mismo el fluoroacetato no es inhibitorio pero forma fluoroacetil-COAque reacciona con el oxaloacetato paradar fluorocitrato. Este análogo del citrato es un inhibidor competitivo de la aconitasa y bloquea el ciclo en este punto. Otro hecho importante de elsta reacción es que el citrato se conduce como unamolécula asimétrica al reaccionar con la aconitasa por adherirse en tres puntos a la enzima (los tres carboxilos forman un diseño asimétrico como seveen laFigura 6-5). Por tanto, la oxidación siguienteestá en el extremo de la molécula, opuesto al formado por los carbonos del acetato recién adicionados. Esto tiene importantes consecuencias enla investigacióndel ciclo y susvías metabólicas asociadaspormediodeindicadoresradiactivos como se verá posteriormente (página 151). El isocitratg esoxidadodando el cetoácido oxalosuccinato porla isocítrico deshidrogenasaque transfiere dos electrones y dos H + al NAD; el NADH formado es reoxidado por la vía del sistema de transporte de electrones. El oxaloFigura 6-5. Estereoespecificidad de la aconitasa. El C, y C2 delácido cítrico se derivande la acetil-COA y el C3-D3del oxaloacetato. A. Muestraunamoldculade citrato orientada correctamente para un enlaceentres puntos, a traves de los tres grupos carboxilo, a la superficie de la enzima. B. Las flechas muestran el sitio activo. C. Muestra una molecula de citrato orientada incorrectamente. H
H
o o
HO
H A
/o B
C
METABOLISMO
124
succinato es descarboxilado por una carboxilasa (una enzima que adiciona o remueve grupos carboxilo) dando ácido (Y -cetoglutárico* y COZ. Luego el ácido a-cetoglutárico es descarboxiladodemodooxidativoporuna reacción irreversible dando ácido succínico y CO, . Esta reacción es similar esencialmente a la descarboxilación del piruvato. Requiere TPP y ácido lipoico oxidado formando succinil-COA; la reacción está catalizada por la deshidrogenasa del ácido cr-cetoglutárico. El ácido lipoico reducido así formado, reduce al NAD y se reoxida en el proceso. Lasuccinil-COAes convertidapor la tiokinasasuccínicaenácido Succínico y COA. En la reacción con tiokinasa la energía del enlace tioéster de la succinil-COA se utiliza para convertir ai ADP + Pi en ATP. La oxidacióndesuccinatoa fumarato por la deshidrogenasa succínica difiere de otras oxidaciones en el ciclo en que dos H' y dos electrones son transferidos directamente al dinucleótido de flavina adenina (FAD) -la coenzima de la deshidrogenasa succínica- más que al NAD (ver también Figura 6-21). El FADH, así formado reacciona con el sistema del citocromo de la manera usual; sin embargo,producesolamentedos moléculas de ATP en la transferencia de electrones al oxígeno. Este paso en el ciclo está fuertemente inhibido porel ácido malónico, un análogo de tres carbonos del ácido succínico, que inhibe la a enzima deshidrogenasa succínica ligándose a ella pero sin reaccionar. El fumarato es convertido a malato por la adición de agua cerca de la doble ligadura, catalizada por la fumarasa. Este paso en el ciclo de Krebs no libera energía, pero prepara al ácido de cuatro carbonos para una oxidación con liberación de energía subsecuente (ácido málico a ácido oxaloacético). Las reacciones del succinato y fumarato, a diferencia de las del citrato y de los otros miembros asimétricos del ciclo, son simétricas; o sea que las enzimas involucradas no pueden distinguir entre los dos extremos de la molécula. Los carbonos derivados de cualquier extremo de la estructura original de la succinil-COA se vuelven indistinguibles o se entremezclan en las reacciones siguientes. En el paso final del ciclo, el ácido málico es oxidado por la deshidrogenasa málica a ácido oxaloacético, reduciéndose el NAD en el proceso. Esto completa las reacciones del ciclo de Krebs. BALANCEDE ENERGÍA. Por cada molécula de piruvato oxidada a acetil-CoA y por las tres oxidaciones ligadas al NAD en el ciclo, se llevan al oxígeno un par de electrones y un par de iones H por la vía de la cadena de transporte de electrones, produciéndose tres moléculas de ATP en el proceso, haciendo un total de 12 ATP. Además, la oxidación del succinato ligada al FAD genera dos ATP más y la regeneración de COA a partir de succinil-COAgenera un ATP. Por tanto, la síntesis total de ATP por cada vuelta de ciclo (la oxidacióndeuna molécula de piruvato a CO, y H,O) es de 15 ATP, o 30 ATP por molécula de glucosa. Se recordaráque la glicólisis genera adicionalmenteocho moléculas de ATP por molécula de glucosa, llevando a 38 el total de molkculas de ATP que pueden generarse en la combustión completa de una molécula de glucosa a CO, y HzO. El balance de la energía total es pues sumamente favorable al catabolismo, la energía recobrada como ATP representa solamente cerca de la mitad de la energía total de combustión de la glucosa. El resto se pierde como calor y se utiliza para operar el sistema, es decir, para mantener un balance de intermediarios favorables para que las reacciones puedan proceder con tasas eficientes. +
*También llamado ácido 2-oxoglutárico.
RESPIRACION
125
VÍA ACCESORIA DE LAS PENTOSAS
REACCIONES. Esta vía, conocida también como la vía accesoria hexosamonofosfato a la vía de oxidación directa del catabolismo tie la glucosa, es una secuencia de reacciones que esencialmente convierten la glucosa en fosfato de triosa y COZ. Solamente se produceuna molécula de COZ porcadamolécula de glucosa; el resto de los carbonos sufren una complicada reorganización. El ciclo se muestra reacciones. Algunas enla Figura 6-6 junto con lasenzimasresponsablesdelas de éstas son similares o idénticas a las enzimas de la secuencia glicolítica. Dos enzimas extremadamente importantes que se presentan tantoaquí como enlavíade reducción del carbono en laflotosíntesis (el ciclo deCalvin, descrito en el Capítulo 7 ) , son la transcetolasa y la transaldolasa. La transcetolasa transfiere los primeros dos carbonos de una P-cetosa a una P-aldosa produciendo unanueva P-cetosa, que tiene dos carbonos más(quela aldosa receptora, y una nueva aldosa que tiene dos carbonos menos que la cetosa donadora. H,COH
c-o I
I
c=oJ
H ~ O H
I
I H,COP
H,COP
HYOH
H(?oH I H,COP
cetopentosa-P aldopentosa-P cetoheptosa-P
I
H,COP aldotriosa-P
Hay dos reacciones transcetolasa en el ciclo. La primera convierte la xilulosa-5-fosfato (Xu-5-P) y la ribosa-5-fosfato (R-5-P) en la sedoheptelosa-7-fosfato (S-7-P) y 3-fosfogliceraldehído (GAP), y la segunda convierte la Xu-5-P y entrosa4-fosfato (E-4-P)en fructosa-6-fosfato (F-6-P)y GAP. La transaldolasa transfiere los tres carbonols superioresde una cetosa-P a una aldosa-P produciendo una nueva cetosa y una nueva aldosa más corta.
H,COH
I I
c=o HCOH
I I
HCOH HCOH HCOH H,COP H,COP cetoheptosa-P
+
LO H T
I aldotriosa-P
HCH HCOH
reacción transddolasa HAOH + I
HCOH HCOH
I
H,COP
o I I I
HCOH H,COP
cetohexosa-P aldotetrosa-P
La reacción transaldolasa en la vía accesoria de las pentosasconviertela S-7-P y la Xu-5-P en F-6-P y E-4-P. El resultado neto de las reacciones transcetolasa y transaldolasa es la conversi6n de tres azúcares C5 en dos azúcares C6 y una
126
METABOLISMO VEGETAL glucosa
ATP +-ADP hexokinasa G-6--P
G"6-P
G---6-P
g l ~ ~ ~ ~ a - e i - f ~ ~ fdsshidrogenasa a t ~
3 NADP
1
I
6-PG
6-PG 6-fosfogluconato
3 NADP
c
I
6"PG deshidrogenasa
I
I
+ COZ
Ru-5-P
xu-5-P
1
isornerasa
epirnerasa
I1
-c
c-c"c-c
1 7 -
I-"
xu-+"
O
!I
transcetolasa
I
I
t
t
t COZ
Ru-5-P
R--5--P
o
* 3 NADPH,
i
+ CO,
Ru-5-P
epirnerasa
* 3 NADPH, I
O !I
c-c-c-c-c"P
-P
"
S-7-P
"
n
GAP
O 1,
E-4-P
O
p- C"C"C"C.
n .c.-c
isornerasa
"-6
G \
"p
/
O
J
p"c-c"c"c"c"c
It
isornerasa
G-6-P
.J
c
Figura 6-6. Vía accesoria delas pentosas. Todas las reacciones son reversibles excepto la fosforilación de la glucosa por la hexokinasa. Como se describe aquí, cada vuelta del ciclo convierte una molécula de glucosa en gliceraldehído fosfato más 3 C O Z .
C3. Estas intrincadas reacciones sehan diseñadodemodo claro en la porción central de la Figura 6-6. Otraenzimanuevaesla ribulosa-fosfato epimerasa (las epimerasas cambian la configuración, es decir el plano de simetría de los compuestos) que altera la ribulosa-5-fosfato (Ru-5-P)en el C3convirtiéndola en xilulosa-5-fosfato (Xu-5-P). La fosforriboisomerasa convierte la Ru-5-P en su isómero ribosa-5-fosfato (R-5-P). Tienen lugar dos pasos oxidativos: la oxidación de G-6-P a 6-fosfogluconato por la G-6-P deshidrogenasa y la descarboxilación oxidativa del fosfogluconato a
RESPIRACIdN’
127
Ru-5-P por la deshidrogenasa del ácido 6-fosfogluc6nico. Ambas deshidrogenasas están ligadas a la coenzima NADP que, a su vez, puede reducir al NAD por una transhidrogenasa. El NADH puede luego reducir la cadena de transporte de electrones y producir ATP. O bien el NADH puede utilizarse como agente reductor en varias reacciones de síntesis tales como síntesis de grasas. Los productos de la oxidación son COZ y triosafosfato. Es posible que dos moléculas de triosafosfato se combinen por la acción con aldolasa (Figura 6-1) después de la isomerización de una molécula de GAP, el producto del ciclo, a DHAP. La FDP resultante puede convertirse en G-6-P que puede entonces volver a entrar al ciclo, así que la oxidación completa de hexosa a COZ puede producirse. De otro modo, probablemente mucho más común, elGAP producido puede entrar a la provisión de triosafosfatos de la célula y oxidarse a piruvato, y de aquí oxidarse en el ciclo de Krebs. BALANCE DE ENERGfA.
Por cada molécula de COZ producida a partir de glucosa se reducen dos moléculas de NADP formándose seis moléculasde ATP, o 36 ATP por cada molécula de glucosa oxidada. Se necesita un ATP para fosforilar la glucosa inicialmente; por tanto, la ganancia neta es de 35 ATP por glucosa, lo que hace a esta vía de oxidación un poco menos eficiente que la glicólisis y el ciclo de Krebs (38 ATP por glucosa). Siel triosafosfato producido en lavíaaccesoria entra al proceso glicolítico, la energía recobrada es algomás alta: se producen 18 ATP en la producción de tres COZ, menos uno para la fosforilación inicial de laglucosa;la siguiente oxidación del piruvato produce 15 ATP más, dando un total de 37 moléculas de ATP por molécula de glucosa oxidada.
En ausencia de oxígeno, las reacciones de oxidació:ndel ciclo de Krebs no pueden ocurrir, y los organismos que derivan su energía del catabolismo de la glucosa tienen que descansar en la energía liberada en la glicólisis exclusivamente. Pero se presenta otro problema. El NADH que se forma durante la oxidación del GAP no puede reoxidarse por el oxígeno, de aquíque se necesite otro sistema para producir la continua provisión de NAD requerida para la operación de la glicólisis. Este problema se ha solucionado en varios organismosde!dos modos importantes. Una solución es la reducción de piruvato a lactato, catalizada por la deshidrogenasa del ácido láctico que convierte el NADH a NAD en el proceso. Este es el paso terminal en los sistemas animales, que a menudo lleva a cabo glicólisis y metabolismo oxidativo en sitios bastante distantes. La reacción es característica de algunos sistemas vegetales y de ciertas bacterias, por ejemplo Lactobacillus, que agría la leche por la producción de ácido láctico. La segunda solución esladescarboxilacióm del piruvato a acetaldehído, catalizada por la alcohol-deshidrogenasacon la reoxidación del NADH. Estas reacciones se esquematizan en la Figura 6-7. Esta es la vía encontrada comúnmente en las levaduras, la fermentación alcohólica de los azúcares es una reacción muy importante (tanto sociológica como fisiológicamente). Es probable que los organismos masivos como los tubérculos de papa, que pueden estar faltos deoxígeno en SU centro, dado el largo camino de difusión,pueldan llevar a cabo fermentación alcohólica como también las semillas en germinacih antes que se rompa la testa y permita la entrada deoxígeno.
to
128
METABOLISMO VEGETAL
+glucosa
glicólisis
NAD+
NADH
O
+ H+
0
\\
II
C-C-CH,
/ HO ácido pirúvico
-
co,
ácido Ijctico deshidrogenasa
C-CH, NAD+ acetaldeh ido
H
0
\
/
Ho
0
I
C"C"CH,
I
H
HO--C-CH,
I
H
etanol láctico ácido
Figura 6-7. Víasde ción del NADH.
fermentación que llevan a la reoxida-
Como resultado de la necesidad de reoxidar el NADH, la producción de energía de la conversión de una molécula de glucosa a dos moléculas de lactato o de etanol + C 0 2 es muy pequeña:solamente dos moléculas de ATP (cerca de 15 kcal/mol) se producen, y esto es tan sólo un 2.5%de la energía total presente en la molécula de glucosa. Así es que la recuperación de energía de aquélla por fermentación es extremadamente baja, y los organismos que descansan en la fermentación para la producción de energía deben consumir grandes cantidades de azúcar en el proceso. LOCALIZACI6N DE LOS PROCESOS
Las células pueden ser fraccionadas para separar los organelos subcelulares, generalmente rompiendo las c6lulas o tejidos seguido de una centrifugación cuidadosa. Como los organelos varían un tanto en sus densidades, pueden separarse solos o en grupo, los más pesados primero, controlando cuidadosamente la velocidad de la centrífuga o la densidad del líquido de suspensión. De otro modo, los organelos pueden ser separados en un gradiente de densidades. Se colocan con cuidado capas de líquidos de densidades crecientes a partir del fondo de un tubo de centrífuga
RESPIRACION
129
y los restos celulares sedispersanenla superficie. Todo elgradiente se centrifuga cuidadosamente de modo que nose mezclen las capas. Los diversos componentes de la célula giran a travésdelascapasdedelnsidadligeraen el gradiente, hasta que alcanzan la capa de densidad igual a la suya propia y ahí se detienen. Es posible determinar enzimas específicas en las diversas capas del gradiente. Así es posible encontrar cuálesenzimas se asocian con miles partículas específicas u organelos celulares y cuáles están libres o solubles en el citoplasma. Se hademostradoque las enzimas dela secuencia glicolítica y delavía accesoria de las pentosas están solubilizadas en su mayoría; es decir, no se asocian con ninguna partícula sinoqueestán o bienlibres enel citoplasma o tansólo asociadas sin firmeza a las membranas citoplásmicas como el retículo endoplásmico. Las enzimas del ciclo de Krebs, por otra parte, están mayormente en la mitocondria, como también las enzimas de la fosforilación oxidativa. Esto significa que los productos de la glicólisis deben poder entrar y salir según se necesite. Por otra parte, no es probable que lamembranadela mitocondria sea totalmente permeable para los intermediarios delciclo, pues de otro modo sería imposible mantenerlos en el interior a la concentración necesaria para la operación del ciclo. Por tanto, se necesita un cierto númerodeenzima!; transportadoras paramover los compuestos hacia dentro y fuera de la mitocondria segúnse requiera.Estas enzimas pueden necesitar ATP para funcionar. Se estudian en el Capítulo 12. Así, la mitocondria constituye un sistema totalmente autosuficiente que efectua, entre otras cosas, las reacciones energéticasbásicascelulares.Muchos de los sistemas enzimáticos dentro de la mitocondria se asocian íntimamente de manera estructural. Como se vio en el Capítulo 5, las enzimas del sistema de transporte de electrones están firmemente empacadas y altamente estructuradas dentro de los pliegues de la membrana interna de la mitocondria, y en estrecha asociación física con las enzimas que sintetizan ATP. Tal asociación y estrecho ligamento es necesariopara la eficiente transmisiónde intermediarios, electrones y energía. Se conocen otros grupos de enzimas que están también ligados estructuralmente, formando complejos multienzimáticos. El grupo deenzimasquelleva a cabo la descarboxilación del ácido pirúvico constituye, segú.nseha demostrado, un complejo así enlas bacterias, y también las enzimassimilares que descarboxilan al a -cetoglutarato en las plantas y las enzimas asociadias con la síntesis de las grasas (Capítulo 9). Algunos otros grupos de enzimas están también estrechamente ligados en organelos (por ejemplo, las enzimas del ciclo del glioxilato que se encuentran en los glioxisomos de las semillas). Hubouna tendencia a tomar este hecho como principio, y algunos fisiólogos han supuesto erróneamente que todos los mecanismosde reacción están asociados con organelos o con estructuras celularesorganizadas.Por ejemplo, se pensóquelas reacciones de fijación del nitrógeno estabanorganizadasen nitrosomas Y las reacciones primariasdela fotosíntesis en cumtosomas, ningunode 10s cuales resultaron ser entidades reales. La generalización es un proceso importante en el desarrollo de la ciencia, pero estos ejemplos muestran que es en extremo peligroso y debe aplicarse con gran cuidado.
MOVILIZACX6N DE LOS SUBSTRATOS Los substratos más generales de la respiración celular (ver Figura 6 - 8 ) son el almidón y polisacáridos relacionados con él, azúcaress'olubles como sacarosa, grasas
METABOLISMO VEGETAL
130
y proteínas. Bajo ciertas circunstancias, compuestos de bajo peso molecular tales como ácidos orgánicos o azúcares simples pueden llegar a acumularse. Pueden servir como substratos respiratorios, pero simplemente entran al metabolismo respiratorio en los sitios apropiados y no se consideraránde aquí en adelante (ver Figura 6-8). El almidón es con frecuencia el mayor substrato respiratorio y generalmente esdegradadopor reacción con la fosforilasa dando glucosa-1-fosfato (G-1-P).
+
"-G-G-G-G
Pi
almidóa
fo sf0 ri la sa
+ G-1-P
-G-G--G
La G-1-P puede ser convertida en G-6-P por la enzima fosfoglucomutasa y entrar a la secuencia glucolítica. Pero la amilofosforilasa puede atacar solamente dos enlaces a-l:4-glicósido, y los enlaces 1:6 de la amilopectina deben ser rotos porlallamada enzima-R (amilo-1,6-glucosidasa) querindemoléculasdeglucosa libre. Otros sistemas para la degradación del almidón son la a-amilasa y pamilasa, ambasrinden el disacárido maltosa. La maltosaeshidrolizada a glucosapor la enzima maltosa, de amplia distribución. La cY-amilasa ataca enlaces internos 1 :4 en lamolécula de almidón, rompiendolacadena en fragmentos pequeños. La (3-amilasa sólo ataca los ligamentos subterminales de la cadena liberando las dos hexosas terminales como maltosa. Figura 6-8. Relaciones entre los intermediarios del metabolismo respiratorio y otras secuencias metab6licas. almidón
11 1
maltosa
1 l
G-1-P
glucosa
, , G-6-P
fotosintéticos
glicólisis
nucleótidos
vía accesoria de las pentosas
~+
aminoácidos
-
aminoácidos -proteínas
7 1
4
\I
I' d 1 11 I
intermediarios
Bcido pirúvico
protelnas
terpenos, esteroides
~
acetil-~o~
=---
ácidos grasos
aminoácidos
11
ácido aspártico
1
purinas
porfirinas aromáticas
cítrico
ácido oxaloacético
f
t bide.
1
&ido
CICLO DE KREBS
succlnicox
Bcido glioxllico
\
/ácid0 a-cetoglutárico
/
1
/
acid
protelnas pirimidinas
1
Bcido glutámico
amino&idos
RESPIRACI6N
131
Naturalmente, después del ataque de la amilasa quedan grupos restantes de glucosa impares; éstos contienen siempre tres residuos de hexosa, nunca uno. Si están presentes enlaces 1 :6 ramificados, pueden quedar restantes varias dextrinas conteniendo hasta siete unidades de glucosa (arriba de dos a cada lado del enlace 1 :6 residual). Éstas sellaman dextrinas límite y puedenservir como iniciadoras para la síntesis de nuevas moléculas del almidón (ver Capítulo 9). La degradación dealmidónporlaamilasapareceser el sistema más comúnmenteusadoporlas semillas para movilizar sus reservas; las hojas y las estructuras almacenadoras de almidóncomo los tubérculos depapamovilizan el almidónmayormentepor reacción con la fosforilasa. La entrada de sacarosa en el metabolismo respiratorio se produce probablemente sobre todo por medio de la enzima hidrolítdca invertasa que está casi universalmentedistribuida en los tejidos vegetales.L,ainvertasahidroliza a la sacarosa directamente dando una mezcla equimolar de glucosa + fructosa llamada de azúcaresinvertidos (la sacarosa es dextrorrotatoria, perolamezcladeglucosa + fructosa es levorrotatoria, así quealhidrolizarse la dirección de la rotación queda invertida). El enlace glicosídico, que es el enlace energético de la sacarosa, se gasta para esta reacción. La enzima sacarosa fosforilasa, que convierte a la sacarosa en G-1-P y {ructosa en Pseudomonas (ver pc&$na 110), nose encuentra en las plantas superiores. in vitro de otros polisacáriSe ha trabajado poco sobreladegradación dosenlas plantas, pero seha informadodeenzi.mas hidrolíticas quedegradan compuestos tales como inulina (polifructosana) a dísacáridos y monosacáridos; éstos pueden convertirse en G-6-P o F-6-P, entrando así al proceso glicolítico. Otros substratos de la respiración son grasas y proteínas, aunque su uso no es tan general como el de la sacarosa o el almidón. Las grasas se degradan por el proceso conocido como 0-oxidación, que corta ].as moléculasde ácido acético del extremo acídico de los ácidosgrasosenformadeacetil-COA,laquepuede entrar al ciclo de Krebs directamente. El mecanismode reacción es complejo y no se han demostrado todos suspasosenlas plantas; sin embargo, su operación probable es la que se esquematiza en la Figura 6-9. El ATP se produce enla reoxidación delFADH y NADH quesereducenporla oxidación delosácidos grasos. El glicerol que queda después de la oxidación de los residuos de ácido graso de la grasa, se fosforila por una kinasa apropiada para formar glicero fosfato; éste se puede oxidar luego a DHAP bajo cuya forma los carbonos pueden entrar directamente al proceso glicolítico. La degradación respiratoria de las grasas probablemente no esun fenómeno generalsinoque ocurre durante la germinación de ciertos tipos de semillas oleaginosas (verCapítulo 17). Las proteínas seusan frecuentemente como substratos delarespiración en las plantas. Esto puede ocurrir bajo condiciones de falta de alimento o durante la germinación de las semillas cuya reserva principal esproteína. Además, algunos tejidos y órganos sufren una continua destrucción y resíntesis de proteína. Esto puede ocurrir durante el crecimiento cuando hay un continuo cambio en10s juegos de enzimas, desde las que dirigen las reacciones de crecimiento y desarrollo a las que dirigen reacciones características de tejidos maduros. El recambio de proteínas es característico también de ciertos tejidos y decultivosde tejido. Este proceso y sus relaciones metabólicas seconsideran más detalladamenteen 10s Capítulos 8 y 15. En esta discusión es importante enfatizar que diversos intermediarios en el proceso respiratorio, particularmente en el ciclo de Krebs, forman los esqueletos de carbono de aminoácidos importantes y por reacciones inversas
132
METABOLISMO VEGETAL triglicerido
Bcidos grasos ATP
---f-"AMP
COAy acil-COA-grasa
O
I1 R-CH,-CH,-C-COA 0-cetotiolasa
O
I/
R-CH=CH-C-COA
R-C-CH,-C-COA
deshidrogenasa
enolhidrolasa R"CH--CH,-C-COA
NADH
+ H'
Figura 6-9. Ciclo de la oxidación de los ácidosgrasos ción) con producción de acetil-COA.
( p oxida-
son puntos de entrada del carbono de las proteínas al metabolismo respiratorio. Los más importantes de ellos sonlos a-cetoácidos pirúvico, a-cetoglutárico y oxaloacético. Estos compuestos a-ceto pueden, por el proceso de transaminación (ver Capítulo 8), formar los aminoácidos alanina, glutánico y aspártico, todos ellos importantes en la síntesis proteica y como precursores de otros aminoácidos. Estas relaciones se muestran en la Figura 6-8.
REACCIONES DE CARBOXILACIdN En una secuencia cíclica de reacciones como el ciclo de Krebs, una de las consecuencias es queporcadamoléculade acetato oxidada se requiere una molécula de aceptor y solamente seregenera una, La tasadelas reacciones dependeen parte de la concentración de los intermediarios; debe haber unareservade oxaloacetato para iniciar las reacciones del ciclo. Si la concentración de intermediarios del ciclo cae a un nivel bajo, el ciclo se retarda o se detiene. Cada vez que sale del ciclo una moléculade oxaloacetato, de a-cetoglutarato o de cualquier otro intermediario hayuna molécula menosde oxaloacetato utilizable para lasubsecuente operación del ciclo. Así pues ciertas reacciones son necesarias para recuperar a los intermediarios del ciclo, cuando son gastados en reacciones de síntesis. En estas reacciones losmiembrosdel ciclo, o los compuestos que lo alimentan, sonconvertidos en nuevas moléculas deun determinado miembro del ciclo. Tales reacciones, llamadas anapleróticas, no contribuyen a la reserva energética de la célula sino que sirven para regenerar a los intermediarios del ciclo que puedan haber sido agotados.
RESPIRACION
133
Las reacciones de carboxilación queconviertenunácido de tres carbonos del proceso glicolítico en un ácido de cuatro carbonos del ciclo de Krebs, son importantes reacciones anapleróticas. Sin embargo, estas carboxilaciones tienen varias otras funciones en las plantas, incluso la síntesis de intermediarios en tejidos embrionarios o en tejidos que no tienen un mecanismo de fijación fotosintética del COZ. Esto se estudiará en el Capítulo 15. La reacción de carboxilación más importantle está catalizada por laPEPcarboxilasa y forma oxaloacetato. P E P carbosilasa
PEP
+
-
(o P E P carboxikinasa)
COZ (+ ADP)
oxaloacetato
-.
+
Pi (o
+
ATP)
Esta reacción puede ser catalizada también por la enzima fosforilante PEPcarboxikinasa, en cuyo caso produce P en formal de ATP y procede más lentamente. Se conocen por lo menos dos enzimas que pueden carboxilar al piruvato, formando un ácido de cuatro carbonos. Una de ellas es la enzima málica que cataliza la reacción entre piruvato y COZ para formar malato
-
piruvato
+
+
COZ
NADPH
-
malato
+
NADP
Pero ésta no es una reacción anaplerótica nnuy importante porque corre más fácilmente hacia atrás (descarboxilación). Igualmente, esta reacción es específica para el NADP y por tanto probablemente no es mitocondrial. En la mitocondria está presente una enzima málica específica para el NAD pero su función casi exclusiva es descarboxilar el malato. Una enzima encontradaen el tejido animal ytambiénen Pseudomonas usa la energía de hidróIisis del ATP para acelerar una reacción que también carboxila al piruvato pero que produce oxaloacetato. piruvato
+
CO,
+
ATP
+
oxaloacetato
+
ADP
+
Pi
Todas estas reacciones regeneran intermediariosdel ciclo de Krebs por carboxilación del piruvato (o del PEP) en lugar de descarboxilarlo, y en esta forma circunvalan las reacciones oxidativas del ciclo. Estas reacciones pueden ser importantestambiénen el metabolismo de sínter;is bajo ciertas circunstancias, particularmente durante los principios del crecimiento de las plántulas y en elmetabolismo de las raíces y aun de los tejidosverdes en ausencia de luz. Una secuencia de reacciones un tanto especializada que lleva la carboxilación del fosfoenolpiruvato (PEP) se encuentra en los tejidos fotosintéticos de ciertas plantas. En esta secuencia de reacciones la energía de la hidrólisis del ATP y del pirofosfato se usa para dirigir la carboxilación por formación del substrato PEP, por una reacción fuertemente exergónica.
Piruvato PPI
+
Pi
+
ATP
pirofosfatasa
2 Pi
piruvatofosfato dikinasa
*
PEP
+
AMP
+
PPI
134
METABOLISMO VEGETAL
+
AMP
ATP
adenilatokinasa
(suma: piruvato PEP
+
HCOB-
2ADP
t
+ Pi +
2 ATP
PEP carboxilasa t
-+
PEP
+
+
2 ADP
oxaloacetato
2 Pi)
+ Pi
Esta secuencia de reacciones, en la que la formación del substrato para la carboxilación es catalizada por la enzima piruvato, fosfato-dikinasa, se ve con más detalle en el Capítulo 7, página 192. CICLO DEL GLIOXILATO Otra vía anaplerótica importante es el ciclo del glioxilato, un ciclo interno que capacita para que una molécula de citrato y una moldcula de acetil-COA se conviertan, finalmente, en dos moléculas de oxaloacetato por las reacciones esquematizadas enlaFigura 6-10. En este ciclo el paso importante es el rompimiento del isocitrato (formado por la operación normal de la enzima condensadora del citrato) en una molécula de succinato y una molécula de glioxilato por la enzima isocitratasa. El succinato se convierte en oxaloacetato por elproceso normal del ciclo de Krebs. El glioxilato forma el substrato de una reacción de condensación con acetil-COA, similar esencialmente a la reacción entre el oxaloacetato y laacetil-COA. Esta reacción está catalizada por la enzima malato-sintetasa. Por esta reacción se forma una molécula de malato que puede luego oxidarse para dar una segunda moléculade oxaloacetato. Aunque este ciclo es capaz de aumentar la concentración de oxaloacetato, hay poca evidencia de que opere ampliamente en tal sentido. Parece ser mucho más importante como un medio por el que la grasa que almacenan muchas semiFigura 6-10. Ciclo del glioxilato: 2 acetil-COA -+ 1 C4 ácido.
1
acetil-COA
i
enzima condensadora del citrato Bcido oxaloac4tico
c Bcido cltrico
i
aconitasa
&ido isocltrico deshidrogenasa succínica
ácido málico c
dcido oxaloacetico
deshidrogenasa málica 4
ácido succínico
J
isocitrasa
v
Bcido
-
k i d 0 glioxllico
l acetil-COA
RESPIRACION
136
llas, como las de higuerilla o ricino, puede movilizarse y convertirse en azúcares, apropiados para transportarse a la porción en crecimiento del embrión. La acetilCOA se forma por la 0-oxidación de las grasas y es convertida a ácido oxaloacético por el ciclo del glioxilato en los glioxisomas. El ácido oxaloacdtico se descarboxila por la operación inversa de una PEP-carboxilasa produciéndose COZ y PEP. El PEP esluegoreducidopara formar PGA y yendo a lainversa del proceso EMP, se forma fructosa-l,6-difosfato. h a pasa a f1ructosa-6-fosfatopor una fosforilasa (no por la acción inversadeuna fosfohexokinasa), que a su vezpuede convertirse en glucosa-1-fosfato que, con la fructosa-6-fosfato, forma el substrato parala síntesis delasacarosa. Así, el carbono que estaba almacenado como grasaenlas semillaspuedesermovilizado y convertido en azúcares, quees la forma normal de transporte del carbono en las plantas. La producción de azúcares a partirdel PEP sedenomina frecuentemente gluconeogénesis.Alconsiderar las reacciones de gluconeogénesis salta un hecho curioso. Es de la máxima importancia que la fosfohexokinasa que fosforila a la fn~ctosa-6-fosfatoy la fosfatasa que la desfosforila estén siempre separadas o reguladas cuidadosamente en la célula; de otro modo estas enzimas se acoplarían para efectuar una reacción cíclica que funcionaría esencialmente como unaATPasa efectiva, una situación sin duda desventajosa parala célula. CONTROL DE LA RESPIRACIdN EFECTOPASTEUR. Hacemucho tiempo que Pasteuradvirtióque el proceso metabólico de las levaduras puede ser afectado por el oxígeno: bajo oxígeno favorece la fermentación en tanto que alto oxígeno inhibe la fermentación y estimula la respiración oxidativa y también promueveel uso del carbono delosazúcares para reacciones de síntesis. Este fue el primer reconocimiento de un sistema de control en el metabolismo; los fisiólogos y bioqu~ímicostodavía discuten cómo funciona. Un probable mecanismo es la regulación de la relación ATP/ADP por el oxígeno. En ausencia del oxígeno el metabolismo oxidativo no puede ocurrir y laprincipal comente de síntesis deATPqueda cortada. El metabolismo continuadodela célula utiliza todo el ATP y se produce una gran cantidad de ADP y Pi, lo cual estimula la fermentación. A causa de :la limitada energía liberada (y ATP formado) en la fermentación, se utilizancantidades mucho mayoresde substrato para sostener la misma tasa de reacciones de síntesis. Los experimentos con dinitrofenol (DNP), un compuesto quedesacopla la fosforilación oxidativa, confirman este punto de vista (desacoplar significa separar las reacciones del sistema del citocromo delais que hacen ATP de modo que no se sintetiza ATPdurantela transferencia de electrones). Aunque el DNPno afecta directamente las reacciones glicolíticas estimula fuertemente laglicólisis reduciendo las cantidadesde ATP y permitiendo una acumulacióndeADP. El fisiólogo americano H. Beevers mostró que el DNP puede causar un cambio notable de la respiración hacia la fermentación, aun en presencia deoxígeno. En ausenciade oxígeno el ciclo deKrebs ]no puede operar, así que sus intermediarios no están disponibles para las reacciones de síntesis. Tampoco hay piruvato disponible porque se requiere que se reduzca a lactato o etanol para reoxidar al NADH producido en la oxidación delos triosafosfatos. Además, muchas reacciones de síntesis que usan a estos intermediariosrequieren metabolismo oxidativo. De aquí que bajo condiciones anaeróbips muy poco, o nada,
136
METABOLISMO VEGETAL
del carbono del azúcar pueda utilizarse en síntesis celulares, en tanto que la presencia de oxígeno permite que esas reacciones ocurran. CONTROL DE RETROACCIdN Y ALOSTERICO. La respiración es un proceso exergónico (O exotérmico), es decir, libera energía. Por tanto, si no se ejerciera algún control la respiración procederíaacelerada y continuamente hasta que todoel abastecimientodesubstrato se agotara.De hecho, funcionan diversos controles,encadenando o integrando las diversas fases del metabolismocelular.Consideraremos dos tipos principales de control: efectos alostéricos y control de retroacción.Losefectosalostéricos se ejercencuando una moléculapequeña,a menudo no relacionada directamente con la reacción, puede promover o inhibir una reacción enzimática específica al combinarse en un sitio secundario, o alostérico, de laenzima. Los mecanismos de auto control involucran la inhibición o, con menor frecuencia, la estimulación de una reacción por uno de sus productos finales, a menudo como resultado de un efecto alostérico. También puede ocurrir en el control que un reactante afecte un paso metabólico posterior en el proceso. Esta situación no es tan común. Los puntos de control en las vías metabólicas no son fortuitos. Por lo general una reacción tempranay otra tardía en la secuencia metabólicason fuertemente exotérmicas (es decir, tienen un fuerte cambio negativo en la energía libre) y son por tanto casi irreversibles. Esto impide la acumulación de substratos o de intermediarios y las enzimas involucradas se denominan reguladoras y actúan en los sitios que requieren la regulación más obvia; del mismo tipo son las enzimas que median las reacciones en lossitios de la cadena metabólica de dondeparte una ramificación. Algunos puntos de control se resumen en la Figura 6-11. El primer regulador enla glicólisis es la fosfofructokinasa que fosforila a la F-6-P pasándola a FDP, utilizando al ATP como su donador. Esta enzima es inhibidaalostéricamenteporaltasconcentraciones de ATP y activada porel ADP y Pi. La inhibición por ATP impide que la reacción “se desboque” en presencia ae altas concentraciones del substrato, F-6-P, cuando la demanda de ATP un exceso de ATP). La enzima también es es baja (o sea cuandoestápresente inhibida por el citrato, el cual tiende a acumularse en presencia de exceso de ATP. Las enzimas delciclodeKrebs están bajo un control similar. La enzima y elNADHy estimulada por el ADP; una preparación aconitasa es inhibida por el ATP de Neurospora es inhibida por el a-cetoglutarato y estimulada por el citrato. Las reaccionesanapleróticasestán, como podría esperarse, bajo control alostérico. La piruvato-carboxilasa y la PEP-carboxilasa son activadas a veces (no siempre) por la acetil-COA, un compuesto que se acumularía si se retardara el ciclo de Krebs, por la remoción de intermediarios que requierenreemplazo. La PEP-carboxilasa está bajo el control de un producto de su propia reacción: la carboxilación es inhibida por el malato que se forma fácilmente a partir del oxaloacetato resultante de la carboxilación del PEP.
CONTROLDE COFACTORES. Lasreacciones respiratorias importantes están sujetas a un control precursor-producto a través de las relaciones entre NADH/NADy ATP/ADP. La glicólisis y la fermentación se regulan básicamente por l a s exigencias de ATP y NADH de la célula, las reacciones de reducción de la fermentación (piruvato -+ lactato o acetaldehído -+ etanol) se dictan por la exigencia absoluta de NAD, que no puede provenir del NADH a través de la cadena de transporte de
RESPIRACION
137 G-6-P
Figura 6-11. Esquema generalizadodela respiracibn mostrando algunossitiosde control por retroacción. Los nivelesde ATP,ADP, NADH y NAD afectan, todos ellos, cualquier reacción enque dichos compuestos tomen parte (no se muestran todos paraevitar confusiones). +-+estimula;+oinhibe.
electrones en ausencia de oxígeno. Dado que la oxidación del NADH en la mitocondria por la cadena de transporte de electrones está acoplada intimamente a la formación de ATP (es decir que ADP y Pi son requeridos como substratos), todas las reacciones deoxidación del ciclo de Krebs estáncontroladaspor las necesidades celulares de ADP o NADH que abastecen de fuerza motriz a las reacciones de síntesis, crecimiento, absorción de sales, etc. En efecto, la tasa respiratoria está controlada porel nivel de carga energética de la célula, como se describe en el Capítulo 5 (página 111).La adición de DN:P que desacopla la fosforilación oxidativa a menudo causa un súbito aumento en la producción de COZ porque todo el proceso oxidativo se libera de las restricc:iones impuestas por la exigencia de ADP y Pi como substratos obligados de las reacciones. La falla "bastante frecuente- del DNP en estimular la producción de COZ puede deberse a que la respiración está también bajoel control de otrossistemas, como ya se discutió. REACCIONES LATERALES. La tasa de respiración está afectada inevitablemente por las necesidades de intermediarios para la síntesis de la célula. Por tanto, la
METABOLISMO VEGETAL
138
utilización de los intermediarios afectará a las reacciones que se generanpor acción de masas, aumentando la tasa total de la respiración. Ya que el metabolismo posterior de los intermediarios utilizados (por ejemplo de aminoácido a proteína) también requiere ATP o cofactores reducidos, ocurrirá un aumento posterior en la tasa respiratoria. Se puedever así que la respiración está estrechamente integrada con las actividades que requieren energía y substratos en la célula. Todas las actividades metabólicas de las células y organismos se integran así. Sin tal integración prevalecería un caos metabólico en la compleja red de reacciones intermediarias de la célula.
OTROS SISTEMAS RESPIRATORIOS Y OXIDASAS
FENOLOXIDASAS.Se conocen varias enzimas que oxidan a los fenoles dando quiimportantes sonla monofenol oxidasa (tirosinasa) y la nonas. Dos delasmás polifenol oxidasa (catecol oxidasa). Estas enzimasparticipan en la característica “reacción traumática” de lasplantas y contribuyen a la respiración traumática convirtiendo los fenoles liberados en la herida a quinonas, que son tóxicas a los microorganismos, ayudando así a impedir la infección. El color cafd que se desarrolla a menudorápidamenteen la herida (por ejemplo cuando a un tubérculo de papa o una manzana se le hace un corte o se golpea) esun resultado de dicha reacción. Es evidente, por larápida reacción que ocurre al herir, que tanto la enzima como su substrato, loscualesparecenser solubles, debenhaber estado apartadosunodel otro en la célula normal, aprisionados en diferentes compartimientos celulares. La fenoloxidasa puede acoplarse a la oxidación de los componentes de la célula en la forma siguiente A H z x q u i n o n a > c :o: A
fenol fenol
oxidasa
Aunque esta reacción puede ser activa en la senectud, normalmente no es importante en la respiración. Es posible que la oxidorreducción del fenol se acople a la oxidación del substrato por el NADP. NADP
fenol
A
Las fenoloxidasas estáninvolucradasen los cambios químicos de los precursores de la lignina y otros componentes químicos celulares. Las quinonas tales como la coenzima Q (ubiquinona) son importantes en la cadena de transporte de electrones de la respiración y fotosíntesis (Capítulo 7). Pero en esas circunstancias no reaccionan directamente con el oxígeno como en la reacción con la fenol oxidasa, pues esto haría un cortocircuito en la cadenade transporte de electrones impidiendo su buena operación como sistema de síntesis de ATP.
139
RESPIRACION
OXIDASA DEL ACID0 ASC6RBICO. La oxidasa del álcido ascórbico o vitamina C es un componente común de las plantas. Puede oxidarse a ácido deshidroascórbico por la oxidasa del ácido ascórbico como se muestra en la Figura 6-12. La oxidasa del ácido ascórbico parece existir tanto como una enzima libre o como adherida a la pared celular. Esta oxidasa se asocia con diversals enzimas redox (es decir, que reducen un substrato al tiempo de oxidar otro) como la oxidasa terminal, o sea la que transfiere los electrones al oxígeno. Está ligada a ciertas deshidrogenasas por el compuesto con SH glutatión en la secuencia siguiente
A
xGrG x xeshidrr;;órbico áci do
NADP NADPH
ascórbico
deshidrogenasa
glutatión reductasa
reductasa del ácido ascórbico
oxidasa del ácido ascórbico
donde GSH es el glutatión reducido y GSSG el glutatión oxidado. Esta puede ser una reacción importante en la producción de intermediarios reducidospara las síntesis celulares, por ejemplo para la oxidación de azúcares a ácidos o la descarboxilación de aminoácidos. CATALASA Y PEROXIDASAS. Estas enzimas usan peróxido de hidrógeno, o sea agua oxigenada ( H 2 0 2) como substrato. La catalasa normalmente actúa sólo destruyendo al H 2 0 2 en tanto que la peroxidasa oxida también otros substratos
H,O H,A
+ H,O, + H,O,
catalasa
peroxidasa
+ O,
2 H,O 2 H,O
" +
+A
Antiguamente se pensaba que la catalasa actu.aba sólo como agente desintoxicante de enzimas tales como la oxidasa del k i d o glicólico que produce H 2 0 2 (ver Figura 6-12), pero se ha demostrado que también tiene actividad como peroxidasa. Se cree que la peroxidación de la hormona ácido indolacético es catalizada por la catalasa, por lo que puede tener un efecto rlegulador al controlar el contenido de IAA. Además, el NAD o el NADPH pueden ser oxidadas por laperoxidasa, quepuedesermuy importante en el control del;metabolismo celular. Comola fenoloxidasa, estas enzimas pueden tener que ver con la biosíntesis de la lignina. O
O
\\
'1
HOC
HOC!
I
4
+:o,
HC
I
HCOH
I
Figura 6-12. Acción de la oxidasa del &ido ascórbico.
\\
CH20H Ácido asc6rbico
-
'1
o=c
P
Oxidasa del ácido ,asc6rbico
I
HC
I
+H20
HCOH
I
CH20H Acid0 deshidroasccjrbico
METABOLISMO VEGETAL
140
OXIDASA DEL ÁCIDO GLICÓLICO. Esta enzima, de extrema importancia, cataliza la conversión de ácido glicólico en glioxilato. El producto de la oxidación no es HzO sino H2O2 , lo que requiere la presencia de catalasa para convertirse en H2O. La oxidasa del ácido glicólico puede ligarse a la oxidación de ciertos substratos, como el etanol, por medio de la glioxilato-reductasa en la forma siguiente:
etanol
NAD
etanol deshidrogenasa
glicolato
oxidasa glioxilato reductasa
\f
del icido glicólico
La oxidasa del ácido glicólico puede ser importante en la síntesis de la glicina, lacual puedederivarsedel glioxilato. Probablemente es importante en la fotorrespiración, el proceso de liberación de COZ porlos tejidos fotosintéticos iluminados. La fotorrespiración norinde energía útil como la respiración en la oscuridad y esun proceso totalmente diferente. Se veráen los Capítulos 7 y 15. Lasoxidasasya descritas probablemente no participan en la respiración excepto en reacciones auxiliares. En primer lugar, no se ha visto que ninguna de ellas esté acoplada al sistema de transporte de electrones, que es el Único modo efectivo por el quela célula puede generar ATP. En segundo lugar,la citocromo oxidasa tiene gran afinidad por el oxígeno (es decir, reacciona muy fácilmente), en tanto que las otras oxidasas no la tienen. En tercer lugar, los estudios hechos con sustancias tóxicas por lo general danbasesparapensarquelarespiraciónsedageneralmente a través de la citocromo oxidasa, que sufre toxicidad por el cianuro (CN)o por el monóxido de carbono (CO), siendorevertidapor la luz la intoxicación por CO. Las oxidasas terminales posibles semuestranenla Tabla 6-1 que indica algunas de sus propiedades relevantes. Las plantas viven en una atmósfera que contiene abundante O2 así como diversos compuestos reductores poderosos. Ahora se sabe quela interacción quimica de estos compuestos puede producir radicales de oxígeno, o formas “excitadas”, que serían extremadamente tóxicas por sugran capacidad de oxidación. Es posi-
PARTICIPACI6N DE OTRASOXIDASASENLARESPIRACIóN.
Tabla 6-1. Algunas propiedades de las oxidasas terminales. Enzima
Media
Fenoloxidasa Oxidasa del ácido ascórbico Oxidasa del ácido glic6lico Citocromo oxidasa Vía accesoria del citocromo
Afinidad elpor 0 2
Acoplamiento con s h t e s i s de ATP
-
+ +
-
-
-
Baja Muy baja Muy alta
Alta
Sensibilidad Sensibilidad Inversi6n al CN
++ +
al CO
+
del efecto por la luz _.
I
-
+
+
-
-
+
RESPIRACION
141
ble que algunasdelasoxidasasmencionadas anteriormente tengan importancia haciendo que la célula se deshaga del exceso del atxígeno, particularmente en la forma excitada. De hecho, esmuy probable que e,stas enzimas efectúen diversas funciones en las células. RESPIRACIdN “ALTERNATIVA” Aunque en la planta pueda tener lugar respiración insensible al CN o al CO hasta cierto punto (en algunos tejidos la respiración es insensitiva al CN casi por completo) el proceso de fosforilación oxidativa se afecta mucho. La eficiencia de una preparación o deun tejido en hacer ATP por medio de reacciones de oxidación, puede expresarse como la relación de moléculas de fosfato esterificado por átomo de oxígeno consumidodenominándose la relación P/O.Cuandoun tejido con respiración insensible al CN, como el espádice de Arum, se expone al CN, la tasa integral de la respiración no se afecta mucho, en tanto que la fosforilación declina notablemente; por tanto, la relación P/O decrece. ]Los datos del estudio espectrométrico de los citocromos (ver página 154)muestran que existe una vía alternativa. Los electrones sonderivados directamente del citocromo al oxígeno por un citocromo b autooxidable (citocromo b, ) o bien por un citocromo a autooxidable especial. En cualquier caso los electrones pasan por circuito corto al oxígeno y evitanel sitio de fosforilación del citocromo a3 (citocromo oxidasa) quees sensible al CN. La hipótesis alternativa es que la omidasa del ácido glicólico participa en larespiracióninsensibleal CN, perono es atrayente a causadela baja afinidad de laenzima por el oxígeno y porqueno está acoplada con la síntesis de ATP. Hay datos recientes quesugierenquelarespiración alternativa, insensible alCN,escomúnenlassemillasengerminación y tejidos de almacenaje, tales como laspapas, y también durante el climaterio en los frutos enmaduración y en las hojas en senescencia. La significación de esta vía respiratoria no está clara. Se ha sugerido que el cianuro es un subproducto normal del metabolismo y ya que no puedeescapar de los tejidos con una cubierta impermeable, tales como las semillas, o de tejidos muy masivos, tales como los tubérculos de papa, su concentración aumentaría hasta un nivel inhibitorio de la cadena de transporte de electrones normal. La vía alternativa insensible al cianuro1 solucionaría el problema. Sin embargo la evidencia no esconcluyente en modo alguno. FACTORES QUE AFECTAN LA RESPIRACIdN DE LOS TEJIDOS La fisiología de la respiración en cuanto proceso, está muy afectada por su relación con los otros procesos metabólicos, los requerimientos generales respecto al crecimiento y desarrollo, la disponibilidad de substratos apropiados y la situación física y fisiológica de la planta. Muchas de estas interrelaciones se tratarán en detalle en capítulos posteriores. Noes apropiado examinar ahora todas las interrelaciones fisiológicas de la respiración; enlugarde ello se tratarán brevemente las respuestasbásicas del mecanismo respiratorio a las condiciones ambientales externas e internas. COCIENTE RESPIRATORIO Y SUBSTRATOS DE LA RESPIRACI6N. En 10s Comienzos del estudio de la respiración se reconoció que pod:ían servir como substrato com-
142
METABOLISMO VEGETAL
puestos con diferente grado de oxidación. Se creía que midiendo la cantidad de CO, producidopor cada molécula de O, consumido, podría obtenerse alguna indicación sobre qué clase de substrato se estaba oxidando. Esta relación expresada como moles de COZ producido moles de O, absorbido se denomina el cociente respiratorio o CR.Cuando el carbohidrato se oxida completamente por la relación general
el CR es 6 COZ/6 O2 o sea 1.0. Cuando se oxidan grasas, proteínas u otros compuestos altamente reducidos el CR es menor que 1. Por ejemplo, en la oxidación del trioleato de glicerol
C,-JHIO,0
6
83
0 2
+
57 COZ
+
52 H z 0
trioleato de glicerol
el CRes 57/83 = 0.69. Cuando sirven como substratos de la respiración compuestosqueestánparcialmenteoxidados, el CRes mayorque 1, comoen la oxidación del ácido cítrico.
CgHSO7 + 4 1/2 O2
+
6 COZ
+ 4 Hz0
ácido cítrico
en la cual el CR es 6/4 1/2 = 1.33. Así pues, el CR puede dar cierta indicación sobre qué clase de compuestos se oxidan o, al menos, sobre el estado de oxidación del substrato. Pero muchas otras condiciones pueden producir grandes cambios en el CR. Por ejemplo, si ocurre fermentación en un tejido se causa un CR anormalmente alto, en tanto que la oxidación parcial de un substrato puede dar absorción de O, y liberar cantidades altas de energía pero no CO, ,lo que causará un CR anormalmente bajo. Igualmente, la retenciónde 0, o de C 0 2 enuntejido masivo puede dar valores experimentales que lleven al error. Inversamente, la inhabilidaddeltejido para absorber O, (comoenuna semilla en germinación) puede producir fermentación con su alto CR característico. Por tanto, aunque la composición química del substrato puede a veces determinaral CR, este valor puede ser síntoma del proceso más que indicación del substrato. Por esta razón el CR no tiene ya gran importancia en estudios de fisiología de la respiración excepto en situaciones bien entendidas y cuidadosamente controladas. EDAD Y TIPO DE TEJIDO. De modo general, los tejidos jóvenes respiran más que los viejos, los tejidos en desarrollo más que los maduros y los tejidos que efectúan otras actividades metabólicas (como absorción de sales o de agua) más que los t,ejidos en descanso. Esto es consecuencia natural del hecho de que la respiración es el proceso que libera energía para todas las otras actividades celulares. Sin em-
RESPIRACIdN
143
bargo, ciertas condiciones modifican este concepto. La primera es que los substratos respiratorios cambian al madurar los tejidos, y el proceso general así como la eficiencia de la respiración cambian el desarrollo. Por ejemplo, la tasa respiratoriadelasplántulasgeneralmenteascienderápidamentedurante la germinación hasta una máxima durante un periodo de mayor crecimiento, luego cae conforme maduran los tejidos formados inicialm-ente (Figura E;-13). Figura 6-13. Respiracicindesemillasdecebadaengerminacicin (De B.F. Folkes, A.J. Willis 11 E.W. Yemm: The respiration of barleyplants VIII, themetabolism of nitrogen andrespiration of seedlings. New Phytol. 51 :317-41 (1952). Usado con permiso.)
1
METABOLISMO VEGETAL
144 1.5
-
. L
S
N
E
U ‘ 1.0
o” O
Amarillamiento de las hojas
E
r‘
.-O
.O
.-E
P
0.5
4
Expansión foliar
[r
O E d a d de las hojas
A o
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22 2 m In
.-mO S
-ul al
1
0
lu” a
O
O verde O
10
20
30
40
50
60
Días
B
Figura 6-14. Respiración de las hojas. A. Respiración dehojasdefresa1adheridas a la planta. La producci6n de COZ se midi6 en una corriente de airea 24.5’C. Las hojas fueron encerradas periódicamente en una cámara respiratoria durante 3 meses (De S.E. Arney: The respirarion of strawberry leaves. New Phytol. 46:68-96 (1967).Con permiso.) B. Pendientes de la respiración de Tropaeolum majus (I ínea superior seguida y escala del tiempo) y Prunuslaurocerasus (curva inferior seguida y escaladel tiempo). La líneapunteadada el pesode la hoja del Tropaeolum con la ordenada a la derecha.(De W. O.James: Plant Respiration. The Clarendon Press. Oxford, 1953. Con permiso.)
Además,cuando semide la tasa de respiraciónde un solo órgano, como una hoja, hay unacurva característica durante su desarrollo (Figura 6-14). La respiración está a su máximo durante el crecimiento de la hoja, luego cae a un estado estable durante el periodo de maduración de la hoja. A menudo hayun breve ascenso, o climaterio, a un nivel más alto, lo que señala la implantación de procesos de degeneración irreversibles que marcan la senescencia y muerte del órgano. Generalmentela relación P / O (átomo de fósforo esterificados por átomo de
RESPIRACI~N
145
oxígeno absorbido) declina marcadamente durante y despuésdelascensoclimat4rico. En la hoja madura esto indica un rompimi'ento del sistema integrado de transferencia de energía. Más tarde, en el proceso de senescencia l a s proteínas empiezan a romperse y forman el substrato de la respiración. Puede haber un breve periodo final de alta producción de dióxido de carbono al colapsarse la organización y morir las c6lulas aunque esto se puede deber en parte a la rápida multiplicación de microorganismos endógenos o invasores. Los diferentes tipos de tejido tienen diferent,estasas de respiración dependiendo de su actividad metabólica, la masa relativa de sus componentes no metabólicos o estructurales y su accesibilidadal oxígeno. En la Tabla 6-2 sedaun resumen de las tasas respiratorias de varios tejidos. Las tasas de respiración de los tejidos metabólicamente inactivos, tales como esca.mas, tallos, hojas viejas y raíces, o tejidos masivos como frutos en estado de descanso, son menores que las tasas de tejidos en metabolización o crecimiento activo. Las tasas de los tejidos Tabla 6-2. Tasas de respiración de algunos tejidos. Tejido
de Tasa
respiracith, pnoles O2/hr
Por g seco peso fresco peso Hombre en corriendo Ratón descanso en corriendo Riñón Cerebro Bacterias cebada de Semilla de Plántula trigo Hoja de trigo 5 días 13 días sano laurel de Hoja Hoja de laurel sin reservas Raíz de cebada Raiz de zanahoria Tubdrculo de papa Manzana en desarrollo Manzana madura Planta entera de papa Semilla de chícharo Plántula de avena h i c e de ralz de tomatero Rodajas de betabel Planta de girasol Espáddice de aroidea
descanso
Por g
10 200
1O0 900 900 600 10,000
0.003 65
22 8 9 1.3 50 1 0.3 10 0.5 5
0.005 70 300 50 60 2,000
METABOLISMO VEGETAL
146
que tienen unamasade células, materialmuerto no-metabólico, tales como tallos leñosos, pueden ser muy bajas. Sin embargo, la tasa por célula o por unidad de proteína de algunos componentes de tejidos, como tallos (es decir, las célulasde compañía de floema, del cambium o del parénquima), puede ser muy alta. La respiración de órganos masivos como las papas puede ser muy afectada por la tasa de difusión del oxígeno. Las semillas en letargo pueden tener un intercambio de gases muy lento pero es improbable que esto sea realmente una respiun proceso de autooxidación y ración lenta; es más probablequerepresente decadencia más que de metabolismo organizado. TEMPERATURA. La respiración, como otros procesos enzimáticos, se ve afectada por la temperatura. Dentro de ciertos límites la tasa delas reacciones enzimáticas se duplica, aproximadamente por cada 10°C de elevación de la temperatura. Esto se expresa cuantitativamente por el valor Qlo dado por la expresión
-
u 1 0
=
tasa a ( t + tasa a to C
lo)" C
Los valoresde Qlo paralarespiraciónestánpor lo general entre 2 y 3 a temperatura de O a 20°C.Por encima de esta temperatura a menudo el Ql0 decrece, probablemente a causa de la limitación de oxígeno debido a la reducida solubilidad y lenta difusión de este gas. Al ir aumentando la temperatura por encima de 35°C puede haber una caída progresiva más y más rápida de la respiración debido a la destrucción de las enzimas por el calor y el rompimiento del mecanismo respiratorio (Figura 6-15). Cuando se aumenta de golpe la temperatura de la hoja, la tasa respiratoria aumenta rápidamente hasta que una elevación breve y brusca y el desborda(el climaterio) marcael rompimiento delaorganizacióncelular
15
10
5
O
1
2
3
4
5
Tiempo, horas
6
7
8
Figura 6.15. Efecto de la temperaturasobrela tasa derespiraci6n de plantulas de chicharo (Pisumsarivum) de 4 dias.En el tiempo O latemperatura se cambi6 de 25OC a la demostrada en la figura (De R.M. Devlin: PlanrPhysiology. Publicadapor Van Nostrand Reinhold Co. Copyright 1966-1969 por Litton Educational Publishing Inc. Nueva York,1966. Usadocon permiso.)
RESPIRACIdN
147
miento delasenzimasoxidativascon substratos. 13ntonces,aquéllasson inactivadas porel calor (Figura 6-16). Si la temperatura seelevamás lentamente, la inactivación por el calor precede al rompimiento de los tejidos y se presenta una falta de substratos que impide el brusco climaterio (Figura 6-16). Este breveresumenindicalascomplejas interrelaciones que existen entre los diversos factores internos que afectan la respuesta de la respiración a la temperatura.
OXÍGENO. Se consideraron los efectos del oxígeno ten la respiracióny la fermentación y, claramente, lapresenciadel oxígeno esesencialpara el metabolismo oxidativo. Sin embargo, el sistema oxidativo del c:itocromo tiene una alta afinidad por el oxígeno, y por lo tanto se satura aun a muy bajas presiones parciales de &te. En la Figura 6-17 se presentan datos de la hoja de soja que ilustran este sí como aquelen que, contrariamente a l;arespiración oscura, la fotohecho a rrespiración se afecta muchoporla concentración de oxígeno. Por otra parte el oxígeno debe difundir a los sitios de oxidación. Las tasas respiratorias, particularmente en tejidos masivos,pueden estar limitadas frecuentemente por el abastecimiento de oxígeno porser un tanto insol.ubles y difundir lentamente. Esto semuestraclaramente en laFigura 6-18 en:la quelatasarespiratoriade semillas intactas de chícharo en germinación es proporcional a la concentración de oxígeno (o sea a su tasa de difusión) en toda la escala de O-lOO% , en tanto que la respiración de semillas con la testa (cáscara de la semilla) retirada se sasatura al 20% de oxígeno. Figura 6-16. Efecto del incremento de temperatura sobre la tasa de respiración de hojas de trigo. (Datos del Laboratorio de Fisiologia de no graduados. Universidad de Toronto 1962.)
I
10
I
20
I
30
I
40
Temperatura, 'C
I
50
I
60
METABOLISMO VEGETAL
20
60
40
1O0
80
Concentración de oxígeno,
Ole
Figura 6-17. Efecto del oxígeno sobre la tasa de fotorrespiraci6n (PR) y respiraciónen la oscuridad (RD) enhojasdesprendidas de soya. (De M.L. Fowester, G. Krofkov y C.D. Nelson: Plant Physiul. 41:42-27 (1966). Usado con permiso)
DIdXIDo DE CARBONO. Podría esperarseque el dióxido de carbono, siendo un producto final dela .reacción, inhibiera la respiración en altas concentraciones. De hecho, la inhibe un poco pero sólo en concentraciones que exceden en mucho a las que normalmente se encuentran en el aire. No está claro el mecanismode esta inhibición; de hecho pueden estar involucradosvariosmecanismos diferentes. La respiración anaeróbica (o sea la producción de dióxido de carbono por fermentación) de las semillas de chícharo en germinación se inhibe cerca de 50% "testa
80 -
+testa
1 I
' ¡
-1
!
I
O
20
40
60
Ox ígeno, *lo
.
,
80
A
A
100
Figura 6-18. Efecto de la concentración de oxígeno en la respiración de semillas de chícharo. El quitar testa la permite al oxígenodifundirlibremente en el interior de la semilla lo que no es posible con la testa intacta. (De E.W. Yemm: En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vol. IVA. Academic Press, Nueva York, 1965, pp. 231-310. Usado con permiso.)
RESPIRACION
149
por 50% de dióxido de carbono en el aire. Esto puede relacionarse con un mecanismoparamantener el letargo enlassemillas,pero su modode acción no está claro. El dióxido de carbono tiene un efecto inhibitorio sobre la succinooxidasa, pero éste afectaría solamente a la respiración aerob:ia que puede ser poco importante al iniciarse la germinación. Todos lospasosde descarboxilación enla respiraciónson reacciones queliberanunacantidadrazonable de energía, así que no es probablequeincluso una concentración relativamente alta del producto final (dióxido de carbono) tenga mucho efecto en las tasas de reacción. El dióxido de carbono tiene, sin embargo, un fuerte efecto sobre los estomas (ver Capítulo 14). Lasaltas concentraciones de dióxido de carbono generalmentecausanel cierre de los estomas y el efecto inhibitorio que se lna observado en la respiración de la hoja bien puede deberse a este efecto. SALES. Cuandolas raíces absorbensales la tasa de respiraciónaumenta. Se ha ligado este aumento al hecho de que la energía se gasta en absorber sales o iones y este requerimiento se enfrenta aumentando la respiración. Este fenómeno llamado respiración salina, se discutirá enel Capítulo 12.
l
HERIDAS Y ESTIMULOS MECANICOS. Se sabe, desdehacemucho tiempo, quela estimulación mecánica de los tejidos de la hoja causa un aumento en la respiracibn por un tiempo corto, generalmente de unospocos minutos a una hora. La clase de estímulo parece ser importante. La compresión o tensión parecen tener poco efecto, doblar la hoja lo tiene más y el cortarla o fracturarla parece estimular al máximo la respiración. Los mecanismos son desconocidos. Se ha dicho que las ondas de sonido estimulan la respiración, entre otros procesos, pero no se ha dado una prueba rigurosa. El herir o romper los tejidos estimula mucho la respiración por tres razones. La primera es la rápidaoxidación de los compuestosfenólicos que tienelugarcuandola organización, quemantiene a estos substratosseparados desus oxidasas, se rompe. La segunda, son los procesos normales de glicólisis y cataboo células lismo oxidativo queaumentan conforme ladisrupcióndelacélula causa una mucho mayor accesibilidad de los substrattosa la maquinaria enzimática de la respiración. Tercero, la consecuencia general de la herida es la reversión de ciertascélulasalestado meristemático, seguidoporla formación de callo y la “curación” o reparación de la herida. Tales células y tejidos en activo crecimiento tienen tasas respiratoriasmuy superiores a las de los tejidos maduros o en descanso.
EL ESTUDIO Y MEDICIdN DE LA RESPIRACIdN La respiración sehaestudiadodemuchasmaneras,usandodiversas técnicas. El estudio de la respiración es básico para el conocimiento de la bioquímica y metabolismo de tejidos. Quedaría fuera del propósito de este libro tratar de exponer, aun esquemáticamente,todos los experimentos que fundamentan el conocimiento de la respiración dado aquí, pero sí es posible examinar brevemente algunos de los puntos de vista experimentales importantes y las técnicas que se han usado. MEDICI6N DE LA TASA. El método más fácil y efectivo de medir la respiración es medir el producto gaseoso o el substrato, dióxido de carbono u oxígeno. La medición cuantitativa de los volGmenesgaseosospor manometría hasidouna téc-
150
METABOLISMO VEGETAL
nica estándar desde el desarrollo del aparato de Warburg de Otto Warburg. Este aparato consiste enun conjunto decámarastermoestabilizadascuidadosamente en las cuales se colocan muestras del material vegetal. Estas cámaras están provistas de manómetros sensibles y todo el aparato se agita constantemente. El cambio de presión que resulta del intercambio neto degasespuedemedirse durante un periodo de tiempo en cada manómetro, y luego se pone un álcali en el brazo lateral para que el dióxido de carbono producido en la respiración se absorba. El cambio de presión resultante se debe al dióxido de carbono producido, y la diferencia entre el cambio depresióndebidoal intercambio neto degases y el que se debe a la absorción de dióxido de carbono es el resultado de la toma de oxígeno del aire. Este sensibleaparato y eldesarrollado más recientemente respirómetro, que trabaja bajo el mismo principio pero tiene una presión constante ajustada por un instrumento cambiadordevolúmenesoperado micrométricamente enlugar de un manómetro, han producido muchos datos cuantitativos sobre la respiración tisular.Obviamente, la limitación de este aparatoesque la necesidadde tener pequeñascámarasselladasimpidela utilización demuestrasgrandes u órganos adheridos como hojas y de plantas integras. Para mediciones menos sensibles, el dióxido de carbono puede ser absorbido en una solución alcalina y determinado gravimétricamente o por titulación. Algunosinstrumentosdesarrollados recientemente permiteunamedición continua y sensibledelastasasde toma del oxígeno o produccióndel dióxido de carbono. El dióxido de carbono puedemedirse con gransensibilidadenuna corriente gaseosapormediodelanalizadordegases infrarrojo, que detecta al dióxido de carbono por su capacidadde absorber dichos rayos. La gráficaque muestra los cambios en la respiración dela hoja al elevarse rápidamente la temperatura, quesepresenta en la Figura 6-16, sehizoutilizando un analizador infrarrojo de dióxido de carbono con una muestra de dos o tres hojas de trigo, lo que indica la sensibilidad y adaptabilidad deesta técnica. Tanto la concentración de dióxido de carbono como la de oxígeno, sea con en aire o en líquido, puedenmedirseusandoinstrumentospolarográficos electrodos que se parecen básicamente a los de pH. Este método permite mediciones continuas y sensibles delintercambio de gases por todos los tipos de tejidos bajo casicualquier situación experimental y haprobadoser extremadamente valioso en la fisiología vegetal moderna. Un ejemplo específico del valor de este método polarográfico demedición de oxígeno, tan sensible, sem.uestraen la Figura 6-19. Es un trabajo de W.D. Bonner Jr. Las mitocondrias del frijol mung (Phuseolus aureus) sesuspendenen el medio apropiado siendo su tasa de absorción de oxígeno muy pequeña. Se añade un substrato con carbono (ácido málico) y la tasa de oxidación aumenta. Entoncesseañade ADP (en el medio está presente Pi) e inmediatamente la tasa de oxidación aumenta más hasta que todo el ADP es convertido en ATP. Puede repetirse la adición de ADP, y cada vez se estimula la respiración hasta que el ADP se agota. El examen cuidadoso de los datos indica que por cadamicroátomo* de oxígeno consumido se utilizan cerca de 3 moles de ADN. Esto significa que la relación P/O de esta preparación es 3 , que es el valor teórico esperando 3 ATP produ*Un micro6tomo es el ntímero de microgramos equivalentes al peso at6mico de la INStancia, asf como un micromol es el ntlmero de microgmmos equivalentes a su peso molecular: 2 dtomos de O = 1 mol 02.
--
RESPIRACI6N
151
30 m mol malato
[02]=260p mol
-
0.43~ mol 02/50g
t
0.901 mol 02/se1) 0.15~ mol 0 2 h g
M,
150p mol ADP
-
O. 1 5p mol O 2 /seg
150p mol ADP
- -
-
60 =g
I
I
I
I
o,
=o
150p mol ADP 150p mol ADP
I
Figura 6-19. Trazapolarogr4fica(electrodo deoxFgeno)dela utilizaci6ndeloxígenopor mitocondriasde frijol mung. La utilización de oxígeno en1 estadode equilibrio por las mitocondrias se muestra despuC de añadir malato y ADP a la suspensi6n. El control de la tasade oxidación por el ADP es claramente evidente. La relaci6n ADP/O equivalente a la relaci6n P/O, calculadade la traza es cercade 3 (Dato de W. Bonner Jr. J. Bonner y J.D. Varner: Plant Biochemistry. Academic Press. Nueva York, 1965. Con permiso.)
cidos por cada par de electrones transportados por el sistemade transporte de electrones del malato al oxígeno. Para los fisiólogos siempre fue unproblema1 la presentación delos datos cuantitativos de la respiración. En muchos casos, como en los experimentos prebajo condiciones sentados enlas Figuras 6-16 a 6-19, lacomparac:ióndetasas diferentes (por ejemplo de tensión de oxígeno) o en tiempos diferentes es importante. Entanto seuselamisma muestra para todas las mediciones enuna serie no se precisa medir con cuidado la cantidad absoluta de tejido requerida. Sin embargo, debe hacersealgunamediciónpara propósitos de comparación. A menudo seusa el peso fresco, pero puede estar muy influenciado por el contenido enagua. El peso seco obvia esta dificultad pero el tejido se destruye y nosiempre es posiblemedirlo.Además,elpeso seco representa tan sólo la materia seca total, no la materia metabolizante total. Dos tejidos quetengan elmismonúmerodecélulas metabolizantes igualmenteactivaspueden diferir ampliamente en el contenido de tejido fibroso o esclerenquimatoso, lo que revalidaría una comparación porpeso seco. Se han hecho comparaciones sobre la base del nitrógeno total, proteína total o contenido en ácidos nucleicos tratando de sortear el problema, peroesevidente que tales prácticas estánexpuestas a la misma crítica. Más aún, dado que presuponen que bien podría no haber relación entre la respiración y dichas cantidades, puedenllevar a error. Para estimar la actividad de sistemas específicos, hansido útiles las expresiones de la tasa de reacción en base a la concentración de la enzima específica o de los reactantes, pero el formidableanálisissecundarioque ello requiere impideeluso frecuente de este método. Probablemente la convención más simple es la más útil: por unidad de peso fresco o por unidaddepeso seco (por ejemplo, por hoja) cuando es posiblela medición en secuencia de la misma muestra. CLARIFICACI6N DE LOS PROCESOS. Antes del descubrimiento de los indicadores
radioactivos seusaronmuchas
técnicas bioquímicas para determinar l a s víasde
152
METABOLISMO
las reacciones del carbono, incluso: 1) determinación de que las enzimas requeridas estaban presentes y operando a ha velocidad requerida; 2) estudio de los sistemas parciales o reconstituidos, y 3) usodeinhibidores para bloquear puntos específicos en la secuencia de las reacciones. Pero estas técnicas rara vez dan una respuesta definida. Las enzimas pueden serdifíciles de aislar y sus actividades pueden cambiar o perderseenel proceso. Los sistemas reconstituidos puedenser idénticos a los naturales o no serlo; elgradode asociación o de acoplamiento delasenzimaspuedesermuy diferente in uivo e in vitro. Pueden emplearse diversosinhibidores específicos para determinar si están operando reacciones específicas. Por ejemplo, la oxidación del fosfato gliceraldehído a PGA se bloquea por la yodoacetamida, los arsenitos y los grupos tiol (SH). La conversión de PGA a PEP se inhibe fuertemente por el fluoruro. El ciclo de Krebs se bloquea por el fluoroacet.ato en el paso de la aconitasa, y por el malonato en la deshidrogenasa succínica. Pero los inhibidores rara vez son completamente específicos y la interpretación de los resultados obtenidos al usarlos es muy difícil. Así pues, aun con estas thcnicas no era fácil probar que la vía que se investigaba era, necesariamente, la única o la normal. El descubrimiento de los indicadores radioactivos y su utilización han posibilitado el estudio delas reacciones con mucha mayor precisión por: 1 ) estudios cinéticos de las formas por las que pasa un carbono marcado radioactivo a través de l a secuencia de reacciones; 2) eluso deintermediariosmarcados específicamente para determinar la conformación exacta y la distribución cuantitativa del carbono en el metabolismo, y 3) el uso de isótopos para clarificar el mecanismo de las reacciones individuales en una secuencia. Un ejemplo deluso de intermediarios marcadoses el usodel ácido pirúvics radioactivo para estudiar las reacciones, que van del ácido cítrico al a-cetoreacción y la distribución glutarato, en el ciclo de Krebs. El mecanismodela del carbono marcado puede verseen la Figura 6-20. Se advierte que el piruvato marcado ensu primer carbono (pir~vato-l-'~C) nopuedepasar este carbono al ácido cítrico ni al a-cetoglutarato cuando entra al ciclo descarboxilándose porque el C-1 del piruvato pasa a CO, en la síntesis de la acetil-COA. Pero el carbono del piruvatopuede entrar al ciclo de Krebs despuésdesu carboxilación, lo que lleen el C, o varía a tener ácido cítrico marcado con I4C a partir del pir~vato-l-'~C C, delpiruvato entraría al ciclo como resultado tanto de la descarboxilación como dela carboxilación delpiruvato. Por tanto, comparando la cantidad de y del piruvat0-2-'~Cse evidenradioactividad que entra al ciclo del pir~vato-l-'~C ciarán las cantidadesrelativas de carbono delpiruvatoque entran al ciclo por estas dos vías, es decir, la importancia relativa de la carboxilación anaplerótica. Se obtuvo aúnmás información con este sistema. La evidencia experimental demuestraquecuando se utiliza elpiruvato-2-14C toda laradioactividad se encuentra en el pcarboxilo (C-5) del a-cetoglutarato. Esto demuestra claramente la especificidad estérica delaenzima aconitasa que actúa sobre el ácido cítrico (ver Figura 6-5). Si no fuera estereo específica, la radioactividad del C-2 del piruvat0 iría a parar a ambos carboxilos terminales del ácido cítrico y , consecuentemente, a ambos carboxilos del ácido a-cetoglutárico. En experimentos con tejidos intactos se redistribuye una cierta cantidad de radioactividad. La radioactividad en el p-carboxilo del a-cetoglutarato se distribuye entre los dos carboxilos del ácido succínico (que es simétrico) y los siguientes ácidos de cuatro carbonos. De ahí vuelve a entrar al ciclo a marcar los carboxilos medio e inferior del ácido cítrico, introduciendo así unapequeña
RESPIRACION
153 CH, -CO-COOH
0 c
C ‘I
t b
CH,---COO
COO ti
acetil
d
H,C-COOH
-
\ \ y
C-COOH
H,i-~OOH 2 carbonos del acetato
-
I
HOC-COOH
I
I
}
Punto de”--+ c b.d oxaloacetato H,C-.COOH acci6n lade H,C-COOH 4carbonosdel aconitasa Ácido cftrico (asim6trico) Ácido oxaloacdtico
c
b
H,C-COOH c
I
b
H,C-COOH
I
c
HC-COOH I
b
d
O=C-COOH
H,C-COOH
Ácido oxalosucclnico
Ácido succínico (sim6trico)
\ COZ
/
Hz c3 I
d
O=C--C00H 2
1
Ácido a-cetoglut8rico.
Figura 6-20. Ciclo deKrebsIlalgunosreactantes se han omitido distribucih de 14C en en las flechaspunteadas)mostrandola 14C en a, b varios intermediarios después ‘de suministrar piruvato o c o 14C0, en d. Aquí se muestra el marcaje en solamente una vuelta del ciclo. AI seguir el metabolismo se dispersa el carbono se radiactivo. Los dtomosdecarbonodealgunoscompuestos numeran así C1,C 2 ,etdtera.
cantidad deradioactiviad en el p-carboxilo del a-cetoglutarato formado enlas siguientes vueltas del ciclo. Pueden surgir ciertas dificultades en la interpretación de los datos porque las reacciones de los ácidos de cuatro carbonos del ciclo de Krebs sonreversibles.Por lo tanto, las moléculas de ácido oxalo acético marcadas demodo asimétrico puedenquedarmarcadas simétricamente por una reacción inversa, formando ácido fumárico o succínico y una reconversión subsecuente a ácido oxaloacético. La derivación de ácido glutámico a partir del ácido a-cetoglutárico en el ciclo de Krebs, seha demostrado in vivo por experimentos similaresen los que la distribución de lasmarcasen el ácido glutámico concuerda con lo predicho por el a-cetoglutarato, después de suministrarse intermediarios como piruvato o acetato marcados específicamente. La cantidad de redistribución del 14C encon-
154
METABOLISMO
trado en el ácido glutámico provee datos con los que sepuede calcular cuánto carbono está siendo reciclado y qué porcentaje se destina a la síntesis del ácido glutámico. Una modificación muy interesante de esta técnica es la determinación de la vía del catabolismo delaglucosausandoglucosamarcada específicamente. Se suministra glucosa marcada en C-1 o en C-6 a dos muestras idénticas de tejido y semide laradioactividaddel C 0 2 exhaladaporcadamuestra. Si la glucosa se está catabolizando por la vía EMP, se producirá la misma cantidad de COZ tanto de la glucosa C-1 como de la C-6, porque ambos extremos de la molécula se trataron igual y la relación C-6/C-1será 1. Pero si la glu.cosa se está catabolizando por la vía accesoria delas pentosas la relación C-6/C-1 será inicialmente mucho menor que l. Esto sucede porque el C-1 de la glucosa se libera en la primera reacción en tanto que el C-6 se oxida mucho más tarde, después de la reacción cíclica de los productos de laprimera oxidación. Si estánoperandoambasvíasse obtendrán valores intermedios. ENZIMOLOGfA. No importa que los experimentos sean ingeniososparadilucidar las vías de reacción efectuados con indicadores radioactivos; la prueba final de la existencia deuna reacción yace en el aislamiento, o en la prueba de operación, de la maquinaria enzimática necesaria en lostejidos. Se aislaron o demostraron, más allá de la duda, muchas enzimas del metabolismo respiratorio en las plantas, usando los métodos estándar en bioquímica y se determinaron sus requerimientos específicos y sus cofactores. Muchas de ellas fueron localizadas en organelos específicos y se demostró que varias de las enzimas responsables del metabolismo respiratorio u oxidativo existen en diferentes formas, a veces con diversos cofactores, en diferentes lugares de la célula. Los estudios sobre la estructura primaria de las proteinas enzimáticas empiezan a indicar que algunas de sus similaridades pueden ser el resultado de evolución paralela o convergente, es decir que las enzimas han evolucionado a partir de fuentes diferentes, pero hoy realizan funciones similares. Otras enzimas representan sin duda el resultado de divergencia evolutiva bioquímica; es decir, dos enzimas distintas pueden haber evolucionado de un prototipo común, pero ahora cada una efectúa funciones similares o diferentes, bajo diferentes circunstancias o en diferentes lugares de la célula. Una herramienta en extremo importante para estudiar la transferencia de electrones es el espectroscopio. Cada enzima capaz de oxidarse y reducirse tiene un espectro de absorción lumínica característico, que sufre un notable cambio cuando la enzima pasa de la forma oxidada a la reducida o viceversa. Por tanto las enzimas pueden ser reconocidas e identificadas por su espectro de absorción. Más aún, puededemostrarse que están tomando parte en reacciones específicas porque pueden reconocerse por su espectro diferencial, este es el cambio espectral que ocurre cuar; ‘o un transportador de electrones pasa del estado de oxidación al de reducción, o viceversa. El espectro diferencial se obtiene sustrayendo el espectro de la enzima en estado de oxidación del que presenta en estado de reducción. Ademásde esto, algunasenzimassufren un cambio de espectro característico cuando sufren una intoxicación (por ejemplo, por monóxido de carbono) y este cambio en el espectro puede correlacionarse con la actividad de la enzima. Es pues posible demostrar la participación de enzimas específicas en la cadena de transporte de electrones, y determinar sus posiciones en ella obteniendo los espectros diferenciales en: 1) lapresencia o ausenciade substratos; 2) lapresencia o
165 550
h
l
~
520
l
560
540
~
580
l
600
~
620
l
~
~
~
l
W
Longitud de onda (Oxidasa insenritiva al cianuro)
A
B
Figura 6-21. La cadena respiratoria de la mitocondria. A. Espectro diferencial de mitocondrias aisladas de la raíz de trigo. Estos espectros muestran c6mo los citocromos a, b y c pueden separarse 6pticamente. Curva 1 reducido menos oxidado..Curva 2 substrato antimicinaA aereaciónmenosoxidado.En este espectro los componentes a y c e s t h oxidados; solamente los componentes b esten reducidos. Curva 3: succinato antimicinaA CN - menossubstrato antimicinaA aireación. Aquí los citocromos b reducidos se cancelan mutuamente y sololoscomponentes a y c aparecenen el espectro(DeJ.Bonner y J.E.Varner: Plant Biochemistry Academic Press Nueva York, 1965. Usado con permiso.) B. Diagrama de la cadena de transporte de electrones en la rnitocondria mostrando los sitios de la fosforilaci6n (-P) y la acción de los inhibidores. La oxidasa terminal inactiva al CN no se intoxica por la antimicina por lo que debe desviar los electrones antes que lleguen al citocromo c.
+
+
+
+
+
+
~
l
156
METABOLISMO VEGETAL
ausencia de oxígeno, o 3) la presencia o ausencia de inhibidores específicos cuyo sitio de acción se desconoce. La Figura 6-21A, tomada del trabajo de W.D. Bonner Jr., presenta un ejemplo de cómo se usó esta técnica para examinar el sistema de transporte de electrones en las mitocondrias de la raíz de trigo. La curva 1 daun espectro diferencial compuesto (reducido menos oxidado) de los tres citocromos: a, b y c. El espectro del citocromo b seseparaenlacurva 2. Esto se obtiene poniendo el citocromo oxidado o reducido, añadiendo u omitiendo el substrato y usando la antimicina a que bloquea la transferencia de electrones del citocromo b al citocromo c. Los continuamente espectros del citocromo a y c se cancelanporquesemantienen en estado de oxidación por la presencia de oxígeno. En lacurva 3 el citocromo b es cancelado, manteniéndolo en estado de reducción usando antimicina A durante ambas partes de la medición del espectro diferencial. El espectro diferencial de los citocromos a y c se obtiene por el contraste del espectro inhibidocon cianuro con el espectro en presencia deoxígeno. LaFigura 6-21B esunarepresentaciónesquemáticadelsistemade transporte de electrones dela mitocondria con la posición marcada de algunos inhibidores bien conocidos. También semuestran la derivación insensible al cianuro y los sitios de síntesis del ATP (- P). Los datos en la Figura 6-21A deben examinarse con referencia a la Figura 6-21B
LECTURAS ADICIONALES Artfculos en el Annual Review of Plant Physiology sobre energética celular, función de las mitocondrias y respiración. Para mayores detalles sobre las vías respiratorias y mecanismos enzimáticos pueden consultarse textos modernos de bioquimica. Beevers, H.:Respiratory Metabolism in Plants. Row, Peterson & Co. Evanston, Ill., 1961. Forward, D.F. The respiration of Bulky organs. En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vol. IV-A. Academic Press. Nueva York, 1965. Steward, F.C. (ea.). Plant Physiology: A Treatise. Vol. 1-A. Academic Press. Nueva York, 1960. Yemm, E.W.: The respiration of plants and their organs. En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vol. IV-A. Academic Press, Nueva York, 1965.
Capítulo 7
FOTOSÍNTESIS
La maneradeemprender el estudiode la fotos:íntesis dependede cómo se la defina.Algunosdesusinvestigadoresconsideraronsolamentelas reacciones que realmente exigenquantade luz, en tanto que otros examinaron todo el espectro de reacciones queresultandel estímulo' inicial provistopor la luz. Se tomará la visión amplia y se considerarán todos los procesosdelmetabolismo que ocurren como resultado directo de la absorción de luz por el aparato fotosintético. Es evidenteque debe haberinteraccio:nes entre el proceso anabólico de fotosíntesis y todos los demás procesos catabólicos y anabólicos celulares; éstos se considerarán en detalle en el Capítulo 15. Elásicamente, la fotosíntesis es la absorcih deenergía lumínica y conversiónen potencial químico estable por la síntesis de compuestosorgánicos. Puede considerarse como un proceso de tres fases: l. La absorción de la luz y retención de energía lumínica. 2. La conversión de energíalumínica en potencial químico. 3. La estabilización y almacenaje del potencial químico.
Al describir estas tres fases también se examinará la mecánica de la fotosíntesis, la naturaleza física del aparato subcelular en el que tiene lugar el proceso y la maquinaria química que se requiere. La fotosíntesis es importante por muchas razones. Desde el punto de vista del hombre, su mayor importancia essu papelen la producciónde alimento y oxígeno; por lo tanto se estudia a menudo en función de sus productos finales. Sin embargo, éstos son secundarios enel proceso integral. Lo importante es el hecho de atrapar y transformar energía. Vale la pena considerar una analogía sencilla. Cuando un quantum de luz golpea a un objeto -digamos una piedra negra- 'una molécula de la roca absorbe la energía del quantum. Esta molécula queda momentáneamente más energética; es decir que un electrón de la molhcula toma una energía orbital más alta y éste es elevado a un nivel de energía más alto, El electrón no queda largo tiempo en este nivel; casi inmediatamente cae de nuevo a su nivel primitivo (o estado basal) y la energía extra absorbida por la
METABOLISMO VEGETAL
158
molécula de roca esremitidadegolpe como calor. Este proceso se ilustra en la Figura 7-1A. Cuando un quantum de luz golpea y es absorbido por una molécula de clorofila en una planta, la molécula se energiza y un electrón se eleva a un nivel de energía más alto, igual que en la roca. Pero en lugar de retornar al estado basal inmediatamente, el electrón permaneceen el nivel energético alto, perdiendo como calor toda la energía absorbida al ser transferido a un compuesto aceptor de electrones apropiado. En el proceso, el compuesto que recibe el electrón se reduce y la energía que entra a la molécula de clorofila queda así atrapada y se convierte en potencial químico enun enlace reducido. El enlace inicial así formado puede ser muy inestable, pero se estabiliza por una serie de transformaciones químicas, de modo que la energía es almacenada y puede ser liberada más tarde en las reacciones de la respiración, como se ilustra en la Figura 7-1B. Así que la vida puede ser vista como una corriente eléctrica, la analogía se ilustra en la Figura 7-1C. El aparato fotosintético, los agentes de transferencia de electrones y la química del Figura 7-1. Proceso de la fotosíntesis y una analogía elhtrica (hv es el símbolo para un quanto de luz o fotón). A. La luz golpea una piedra y se convierte en calor. B. La luz golpeaunarnol6culade clorofila, suenergía se convierteenpotencial químico y se usa mis tarde. C. Analogía elbctrica de la fotosíntesis. Trampa de luz y converribn de energfa Estabilización. alrnacdn de energla eCalor
e-
hv
t
trabajo,
I
ATP, etc.
I I
I I
hu
I
""_""
" "
Nivel basal de energla
Clorofila
B
A e-
Baterla
Trampa de luz, conversión de energfa
-
Estabiliracibn. almacén de energla
C
FOTOSINTESIS
159
carbono son los alambres, baterías y motores eléctricos del sistema viviente.Existen, como los alambres y componentes de un circu:ito eléctrico, como un medio para transformar y conducir energía. Sin embargo debe recordarse que los organismos no están hechos sólo de energía. La razón de almacenar energía es que se use parallevar a cabo reacciones de síntesis delassustanciasque constituyen a las plantas y animales. ANTECEDENTES HISTóRICOS Las investigaciones en fotosíntesis presentan un desarrollo histórico ordenado que lleva a la comprensión actual del proceso. Aristóteles pensaba que la luz era necesaria para el crecimiento de las plantas, pero fue Stephen Hales, en 1727,el primeroque reconoció con claridadquelaluzesnecesariapara el proceso por el cual las plantas adquieren nutrientes del aire (previamente se había pensado que lasplantas obtienen sus sustanciassolamentedel agua y del suelo). Duranteel periodo de 1790 a 1815 los experimentos de Priestley, Ingen-Housz, Senebier y De Saussure, establecieron que las partes verdes de las plantas absorben COZ de la atmósfera y producen Oz cuandoseiluminan,revertiéndose el proceso enla oscuridad. Pronto se reconoció que también absorben el agua y convierten la luz en materiaorgánica. A mediadosdelsiglodiecinueve, el filósofo alemánMayer había reconocido la verdadera importancia de la luz en la fotosíntesis, y su indudable importancia para el mundo vivo como proveedora de la energía para todos los procesos biológicos. En el año 1900 la fotosíntesis se había estudiado extensamente y se conocía su base cuantitativa según la ecuación
6 COZ
+
6 Hz0
energía lumínica C6HlZ o 6
+
6 0,
Muchas investigaciones de aquella época se dirigieron a entender la reacción en términos deuna reacción, mediadapor la clo~rofila(quizá junto con otros pigmentos) del COZ con HzO que condujera a for:mar carbono reducido que se polimerizaría en los azúcares, que como se sabe se forman en la fotosíntesis. Desafortunadamente ese concepto era erróneo. Se estaban haciendo preguntasno valederas y por tanto muchos de los experimentos no produjeron más que resultados intrigantes que no podían interpretarse. El basamento para una concepción correcta 110 expuso el fisiólogo inglés F. Blackman en 1905,en su trabajo sobre las interrelaciones de los efectos de la luz y la temperatura en la fotosíntesis. Encontró que a altas intensidades lumínicas la tasa de la fotosíntesis varía con la temperatura (siendo Qlo = 2 ó 3) pero a bajas intensidades de luz no es afectada por aquélla ( Q l 0 == l), indicando que la tasa del proceso integral está limitada por una reacción que requiere luz (probablemente no enzimática) y no es termosensible. Por otra parte, cuando está saturada de luz, la tasa del proceso se limita por una reacción termosensible (por lo tanto, probablemente enzimática). Experimentos posteriores indicaron que la porción de la fotosintesis que es sensible a la temperatura también puede limitarse reduciendo la concentración de COZ, en tanto que la porción insensible a latemperatura no requiere COZ. Se concluye que la fotosíntesis consiste por lo menos de dos secuencias de reacciones, una no quimica que requiere de la luz por 10 que se ha llamado reacción
METABOLISMO VEGETAL
160
lumínica y la otra química, enzimática, que requiere COZ y no requiere luz, llamada reacción oscura o reacción de Blackman. Los estudios con inhibidores o tóxicos del científico alemán O. Warburg y muchos otros, establecieron que estas dos reacciones son muy independientes. Los experimentos de muchos científicos particularmente Warburg y posteriormente los americanos R. Emerson y W. Arnold mostraron que la eficiencia de la fotosíntesis (la cantidad de fotosíntesis porunidadde luz) podía aumentarse mucho interrumpiendo la luz con periodos cortos de oscuridad. Esto mostró que el proceso lumínico esmuy rápido en tanto que el oscuro esmás lento. Conunbreve fogonazo la reacción lumínica forma su producto final en exceso, y puede usarse durante los intervalos oscuros siguientes para la fijación del COZ por las reacciopocos nesoscuras. Como estos intervalos no se podían alargarmásqueunos segundos sin que se perdiera la habilidad defijar COZ,se concluyó que los productos de la reacción lumínica son extremadamente lábiles y se descomponen rápidamente si no se usan de inmediato en la reacción oscura. En 1924 el microbiólogo americano C.B. van Niel, propuso un mecanismo explicativo de la naturaleza dual de la reacción fotosintktica, basado en sus observaciones sobre fotosíntesis bacteriana. Demostró que en ciertas bacterias el proceso podía representarse por
COZ
+
2 H,A
-+
[CH20]
+
Hz0
+
A2
donde H,A representa unasustanciareducida (el HzO enlas plantas) que dona electrones y iones H para la reducción del C 0 2 dando carbohidrato y H 2 0 . La fórmula C H 2 0 representa un solo átomo de carbono en forma de carbohidrato, no un compuesto específico. La reacción puede ser dividida en dos partes +
2 HzA 4 [HI
luz -+
+
A2
COZ
-+
+
4 [HI
[CH20]
(1)
+
Hz0
(2)
Van Niel sugirió que en lugar de reaccionar con el COZ como se postulaba anteriormente, el agua era un substrato del que se podían derivar iones H+y electrones para reducir al COZ como se muestra en estas dos ecuaciones;
2 H2O
luz
O2
+
4 [HI
No se conocía la naturaleza del reductante y era claro que la segunda reacción era compleja y probablemente involucrabavariospasos.Perolas implicaciones eran extremadamente importantes: la reacción lumínica es el rompimiento fotoinducido del agua, o fotólisis, para producir O2 y poder reductor, y la reacción oscura es la utilización de este poder para reducir al COZ dando carbohidratos y agua. La validez de esta concepción se estableció recién en 1941, cuando los científicos americanos S. Ruben y M.D. Kamen y sus colaboradores pudieronusar
FOTOSfNTESIS
161
oxígeno enriquecido isotópicamente, 02,para establecer que todo el O2 producido enla fotosíntesis se deriva del agua y nadade 61 viene del COZ.Las tres reacciones posibles se muestran a continuación: C16O2
+
H2 O
-,[CH2 l 6 O] +
16*
O2
(1)
Se encontró que el O2 producido en la fotosíntesis con HZ O tenía esencialmente el mismo contenido de O que el agua usada, indicando que el oxígeno se deriva del rompimiento del agua como en la reacción (3) y no de una reacción del agua con el COZ. Esta hipótesis se relacionó con el sistema biológico en 1937, por el trabajo del químico inglés R. Hill quien fue el primero en lograr tener una reacción parcial de la fotosíntesis en el cloroplasto in vitro.Sus preparaciones eran capaces de producir O2 y simultáneamente reducir a los aceptores de electrones adicionados al iluminarse, un proceso que se ha llamado la reacción de Hill. Aunque Hill fue incapaz de acoplar esta reacción con la reducción del COZ,claramente representa el primer paso dela fotosíntesis o sea la reación luminica. Mucho después, el grupo de M. Calvin en Berkeley, California, pudo al fin demostrar, usando l4 COZ,quelas reacciones oscuras de la fotosíntesis pueden ocurrir verdaderamente en la oscuridad. Se demostró que una suspensión de algas era capaz de fijar al COZ duranteun breve lapso en la oscuridad, después de haber sido iluminada, aunque la duracióntotal del poder reductor en la oscuridad no era grande. En el periodo de 1955 a 1960 el fisiólogo americano D. I. Arnon y sus colaboradores encontraron que hay dos productos de la reacción a la luz, ATPy un agente reductor que después se demostró que era el NADPH, y que estos dos compuestos de alta energía se consumen en la reacción oscura causando la reducción del COZ.;Amon pudo demostrar que los componentes de la reacción a la luz, que llevan a la reducción del NADP y la producci6n de ATP (por fotofosforilación), están estrechamente ligadosen el cloroplasto, pero que las enzimas de la reacción oscura son solubles y se escurren durante el aislamiento de los cloroplastos. Cuando estas enzimas se readicionan todo el proceso se lleva a cabo, aunque las tasas de reacción sean muy bajas. Durante la década pasada el grupo de Calvin, trabajando con l 4 COZ,elucidó las reacciones del ciclo de reducción del carbono (ciclo de Calvin), en el cual el COZ es fijado y reducido a carbohidrato, usando NADPH y ATP generados enla reacción lumínica. El paso más importante para dilucidar la natüraleza de la reacción lumínica fue dado por R. Hill y F. Bendall en 1960. Sugirieron que este proceso podría considerarse como un sistema de transporte dé electrones en dos pasos, corno se esquematiza en la Figura 7-2.En el primer paso los electrones del HZ0 son elevados de su nivel estable a unnivel intermedio (causando la producción de O2 ) y en el segundopasoseelevan al nivel reductor del HZ, con laformaciónde NADP. La transferencia de electrones del nivel del primer paso al nivel inferior delsegundo,undescensoen su potencial, podría tener lugar por la vía de un sistemade transporte de electrones convencional que incluyera dos citocromos
METABOLISMO VEGETAL
162
Figura 7-2. Esquema del sistema de transporte de electronesen dos pasos de la fotosíntesis. Valores €’o v aDroxirnados “0.4
-
NADPH LUZ,
clorofila
0
+ Hf
Podar reductor
Luz,
+0.4
+0.8
-
-
de electrones Electrones
t
i H ,
Agua l
o
2
conocidos localizadosen el cloroplasto, el citocromo b, (E’o = 0.0 v) y el citocromo f (E’o = +0.37 v). Latransferenciade electrones a través de estos componentes puedegenerarATPdelamanerausual(másqueconsiderando la fosforilación oxidativa enla respiración). Los potenciales aproximadosde los electrones en los diferentes estados del sistemasemuestran enla Figura 7-2. Se puederesumir lo expuesto hastaeste punto, delmodosiguiente:la energía de la luz, absorbida por la clorofila, se usa para sacar electrones del agua (causando la liberación de oxígeno) y para elevarlos por un proceso de transporte en dos pasos al nivel reductor requerido para reducir el dióxido de carbono. En el proceso el Pi se esterifica al ADP haciendo ATP que se usa, junto con el poder reductor generado, para llevar a cabo un ciclo de reacciones en las que el dióxido de carbono es fijado hasta carbohidrato. Se examinarán ahora con más cuidado los componentes del sistema, para desarrollar en detalle el modelo hoy aceptado. Debeadvertirse que los términos reacción “lumínica” y “oscura” no son realmentemuy satisfactorios. La única reacción lumínica verdaderaes la absorción de fotones. Todas las reacciones de transporte de electrones que siguen, y quese incluían en el concepto primitivode reacción lumínica, sonrealmente oscuras ya que pueden ser energizadas químicamente y hacerlas ocurrir en la oscuridad. La reacción oscura es en realidad un gran número de ellas que no requieren luz. Algunas se activan por la luz; la mayoría, o ninguna, ocurre en las condiciones normales de oscuridad. Por estas razones deberíamos abandonar los términos de reacción lumínica y oscura y llamarlas reacciones del transporte de electrones y reacciones del carbono de la fotosíntesis.
REACCIONES DEL TRANSPORTE DE ELECTRONES LUZ. Ya que las reacciones primarias de la fotosíntesis exigen la absorci6n de luz por los pigmentos, es necesario examinar algunas de sus propiedades básicas. La luzesenergía electromagnética propagadaencorpúsculos discretos llamados quanta o fotones. Como la energética de las reacciones químicas se describe por lo general en términos de kilocalorías por mol de los compuestos (1 mol = 6.02 X
.
FOTOSfNTESIS
163 Figura 7-3. Energíaqudnticade gitudes de onda. Longitud de onda de la luz, mp
350 450 550 650 750
la luz adiferenteslon-
Color Energía quántica de
la luz
kcal/mol
I
Ultravioleta Azul Amarillo visible Rojo Infrarrojo
80
E
v
3.5 2.6
6o 40
1.7
loz3 moléculas), la energía de la luz generalmente se describeen términos de kilocalorías por mol quantum o por einstein (1 mol quantum o 1 einstein = 6.02 X 1 O2 quanta). Su color se determina por la longitud de onda (X) de la radiación lumínica. A cualquier longitud de onda dada, todos los quanta tienen la misma energía. La energía (E)de un quantum es inversamente proporcional a la longitud de onda. Así, la energía de la luz azul (X = 420 mp) es del orden de 70 kcal/einsteiny la de la roja (X = 690 mp) cerca de 40 kcal/einstein.El símbolo comúnmenteusado para el quantum, hv, se deriva de esta relación. En cualquier onda de propagación la frecuencia (v) es inversamente proporcional a la longitud de onda. Dado que E (Y 1/A,por tanto E a! v. La constante de Planck (h)convierte esto en una ecuación: E = hv. Así, hv, usado para designar un quantum, se refiere a su contenido energético. La relación entre la energía de la luz, tanto como calorías por mol quanta efectuar ciertas (por einstein) y como valores E', , y laenergíarequeridapara reacciones se muestra en la Figura 7-3.Puede verse que la energía de un quantum rojo es justamente la precisa para elevar un electrón de OH- al nivel reductor del Hz;un quantum de ultravioleta (UV) contiene casi el doble de esta cantidad de energía. A s í que en un quantum de luz hayenergía suficiente (apenas la suficiente enun quantum rojo) para escindir el agua. Esto no quiere decir que tenga lugar dicha reacción, sino sólo que es termodinámicament,eposible. De hecho la conversión de energía de una forma a otra invariablemente se traduce en la pérdida de parte de ésta al ambiente duranteel proceso deconversión,ningunamáquina puede ser 100% eficiente. La proporción de luz utilizable enla fotosíntesis ha sido un tema controvertido desde hace mucho tiempo y aún lo es. Enel periodo de 1930 a 1950 se pusoespecial atención al requerimiento cuántico dela fotosíntesis, unamedida de la eficiencia del proceso. Al principio se pensó que dado que 1 quantum lleva a cabo solamente una reacción molecular, el número de ellos absorbidos por molécula de O2 producida indicaría el número de pasos en la reaccih. Por complejos experimentos, querequieren condiciones controladas muy cuidadosamente, Warburg encontró un requerimiento cuántic0 de 4 quantapor moléculade oxígeno producida. Esto implica 1 quantumpor [HIderivadodel agua, para la reducción del COZ.Se ve en la Figura 7-3que la energía requerida paraderivar del aguaunequivalentede reducción esde cerca de 30 kcal/mol, y la energía utilizable que Warburg usóen sus experimentos essólodeunos 40 kcal/einstein. Esta es una eficiencia del 75%, l o que es extremadamente alto para cualquier máquinacapaz de interconvertir energía.
METABOLISMO VEGETAL
164
Los experimentos deWarburg no pudieron repetirse en otros laboratorios
y hoy se acepta que se requierenpor lo menos 8-12 quanta parareduciruna molécula de COZ y producir una molécula de 0 2 .El esquema representado en la
Figura 7-2 satisface el requerimiento deun mínimo de 8 quanta porcada Oz producido o COP reducido, porque exige 4 ( e - + H ') parareducir un COZ al nivel de carbohidrato y cada electrón transferido requiere 2 quanta. Esta formulación es la única que funciona y además, como se verá más adelante, está acorde con la evidencia.
PIGMENTOS.Hasta ahora el Único pigmento mencionado que absorbe luz ha sido la clorofila. Inicialmente se reconoció al pigmento verdedelas plantas como la sustancia responsable de la absorción lumínica en la fotosíntesis, capaz de absorber la luz roja y la azul, no la verde. Pero hace mucho que se sabe que hay otros pigmentos diferentes en las plantas, de diversos colores y que incluso la clorofila noesunasustanciasimplesino un grupodepigmentos interrelacionados. Se descubrió que algunas sustancias coloridas de las plantas están fuera de los cloroplastos, difundidas en el citoplasma o bien presentes en cuerpecillos especiales, a veces como plastos y a menudo de forma irregular o muy angular, llamados cromatóforos. Los cloroplastos son el sitio de la fotosíntesis; por lo tanto los pigmentos fuera de los cloroplastos (notoriamente las antocianinas azules y rojas, las xantofilas amarillas y algunos carotenos rojo y naranja) no tienen que ver con la fotosíntesis. Además de la clorofila se encuentran en los cloroplastos varios pigmentos muchos experiincluyendo algunas xantofilas y carotenos, y sehanrealizado mentos para determinar si toman parte en la fotosíntesis. Algunos de estos pigmentos se encuentran en grupos especiales de plantas, en tanto que otros tienen una' distribución casi universal. Una lista de los pigmentos fotosintéticos más importantes con una información básica sobre ellos se presenta en la Tabla 7-1. La estructura química de algunos de esos pigmentos se resume enlas Figuras 7-4 y 7-5. La clorofila a está presente en todas las plantas fotosintéticas. La clorofila b está presente en la mayoría de las plantas verdes, en las algas verde-azul en su lugar hay ficocianina, en las algaspardas fucoxantina y en las algas rojas ficoeritrina. Las bacterias fotosintéticas tienen una clorofila que absorbe al rojo-lejano, Tabla 7-1. Lista de los pigmentos fotosintkticos. D6nde Pigmento Clorofila a b C
d Protoclorofila Bacterioclorofila Bacterioviridina Ficocianina Ficoeritrina Carotenoides (carotenos y xantofilas)
se encuentra
Todas las plantas verdes Plantas verdes, ni algas rojas o verde-azul ni diatomeas Algas morenas. Diatomeas Algas rojas Plantas etioladas Bacterias púrpura Bacterias verdes sulfurosas Algas verde-azul, algas rojas Algas rojas y verde-azul La mayor ía de plantas, bacterias
Luz absorbida Roja y azul-violeta Roja y azul-violeta Roja y azul-violeta Roja y azul-violeta Rojo cercano y azul-violeta Rojo cercano y azul-violeta Rojo cercano y azul-violeta Rojo naranja Verde Azul, verde-azul
FOTOSfNTESIS
165 Figura 7-4. F6rmula grhfica de la clorofila a. Son posibles varios taut6meros (con diferente arreglo de los enlaces dobles). Los anillos numerales i a IV son anillos pirr6licos; el V es la ciclopentanona. CHZ
~
I
La protoclorofila tiene aqul C=C
HC
I
CH,
I
c=o
I
O
--
4C"O-CH3
La clorofila tiene
C
N O
I
O
I
CzoH39 fitol
Tabla 7-5. F6rmulas de un caroteno y un pigmentode ficobilina. Comperese el núcleo de tetrapirrol ciclico de la clorofila con el núcleo de tetrapirrol linear de la ficobilina.
la bacterioclorofila. Hayvarios pigmentos carotenoides, uno o másde ellos está presente en casitodo órgano fotosintético. En la Figura 7-4 sepuedever que la clorofila esun tetrapirrol y tiene un gran parecido con la estructura del heme y de los citocromos. La clorofila difiere deesasenzimasferrosasenque contiene un átorno demagnesioquenoparece
166
METABOLISMO VEGETAL
participar directamente enlas reacciones de transferencia de electrones como lo hace el hierro del citocromo. La clorofila se caracteriza por un anillode ciclo pentanona (v) con grupos laterales característicos en varios puntos. La identidad de dichos gruposdalaidentidad a lasdiversas clorofilas. El más importante de ellos es el éster de fitol adherido al anillo IV. Éste provee a la molécula de unalarga cadena (“cola”) lipofílica muy importante enla orientación y anclaje delas moléculas de clorofila en lamelas o laminillas delcloroplasto. La clorofila tieneel potencial paradiversosmecanismosde reacción en la absorción lumínica. Puede cambiar su contenido energético por resonancia de la estructura de sus enlaces coordinados (los enlaces alternos sencillos y dobles pueden resonar“cambiandolugares” una y otra vez), porreducción de uno de sus enlaces dobles, por reducción de la quinona (=O) en el anillo V, o por pérdida de un electrón en la estructura con dobles enlaces. ‘Los experimentos con los isótopos del hidrógeno deuterio o tritio han indicado claramente que la clorofila no participa en las reacciones de transferencia de H o en óxido reducciones que involucren H.’ Al parecer la clorofila participa en las reacciones de transferencia de energía tanto por transporte de electrones (o sea oxidorreducción por ganancia y pérdida de un electrón), como porresonancia (una transferencia directa de energíayver La trampa de luz, página 171). La estructura química delospigmentos accesorios ficobilina, ficocianina y fico’eritrina es similar a la de la clorofila en tanto que son tetrapirroles; difieren, sin embargo, por ser de estructura linear en lugar de cíclica y no llevan un metal (Figura 7-5). Los carotenos, incluso la fucoxantina están muy relacionados con la vitamina A y básicamente son moléculas de cadena!&pofílica larga con ungrupo terminal más activo en cada extremo. Los procesos de síntesis de estos compuestos se consideran brevemente en el Capítulo 9. .Los pigmentos porfirínicos requieren luz para su síntesis en la mayoría de las plantas; de ahí la apariencia descolorida o amarillo pálido de las hojas desarrolladas en la oscuridad, ahiladaso etioladas.’El último paso en la síntesis de clorofila, la reducción de la protoclorofila a clorofila, se lleva a cabo a expensas de energíalumínica absorbida por la propia molécula de protoclorofila. La síntesis de la clorofila también se describe en el Capítulo 9. La contribución de los diversos pigmentos a la fotosíntesis ha sido sujeto de intensa experimentación durantemuchosaños. Con el desarrollode los métodos modernos de espectroscopía ha sido posible comparar el espectro de absorción deun organismo (o sea el espectro de la luzabsorbidapor el organismo total, que dependerá de la presencia y concentración de todos los pigmentos del organismo), con el espectro de acción de la fotosíntesis en el organismo. El espectro de acción de la fotosíntesis mide la efectividad para llevara cabo la fotosíntesis de la luz de diversas longitudes de onda, Por un análisis del espectro de absorción se puede determinar qué pigmentos están presentes y su contribución relativa a la fotosíntesis comparándolos con el espectro de acción. En la Figura 7-6 se muestran algunas curvas para el alga marina Ulva (especialmente apropiadapara este estudioporque crece encapas uniformemente delgadas), junto con el espectro de absorción de los pigmentos principales. Puede versequelascurvasde acción y de absorciónson bastante parecidas en buena parte del espectro, mostrando la contribución de las clorofilas y las ficobilinas a la fotosíntesis; sinembargohayunaclaradiscrepanciaen el áreadel caroteno mostrando que éstos no son pigmentos fotosintéticos eficientes, como sí lo son las clorofilas y ficobilinas en este organismo.Way evidencias de que los carotenos
FOTOSfNTESIS
167
pueden ser eficientes en algunas plantas pero no u~niversalmente:,Qtras evidencias confirman su papel en la estabilización de la clorofila en los plastos y que impiden que la clorofila se destruya porautooxidación y por la luz. Los pigmentosinvolucradosenla fotosíntesis soncapacesde efectuar ciertas reacciones aunque se hayan extraído del clmoplasto. Pueden absorber luz y fluorescen, es decir, reemiten la energía lumínica absorbida como luz pero, necesariamente, de longitud de onda máslarga (es decir de menor energía). Las soluciones de clorofila fluorescen dando rojo oscuro. Si las reacciones de la fotosíntesis sebloqueanporsustancias tóxicas la flumorescencia ocurre in uiuo porquela energía absorbidanopuede utilizarse;, El espectro de fluorescenciaes característico del pigmento, así que es posible decir cuál pigmento es el que fluoresce y , de aquí, cuál ha sido activado. Además, los aceptores de energía (o sea substratos oxidados capaces de ser reducidos) pueden extinguir la fluorescencia demostrando la capacidad del pigmento para transferir la energía a dichos aceptores en lugar de remitirla como luz. Se puede hacer que las soluciones de clorofila catalicen reacciones al ser iluminadas, por ejemplo en la formación de polímeros a partir de un monómero, demostrando que la energía lumínica puede utilizarse para formar radicales libres. La transferencia de energía molécula a molécula se demuestra en una mezcla de clorofila a y clorofila b. El análisis del espectro de acción cuando la mezclaseilumina con luz, que solamente puede ser absorbida por la clorofila a, muestra que la clorofila b ha sido obligada a fluorescer, lo que indica que La energía fue transferida de la clorofila. a que la absorbió, a las moléculas de la clorofila b. Hasta aquí no se consideró la eficiencia de las diferentes longitudes de ondadelaluzenla ocurrencia de fotorreacciones. Parece que la luzazulde alta energíaabsorbidaporla clorofila no se utilizacon eficiencia. El requerimiento básico es de un número específico de quanta, y la energía de los quanta (con tal la clorofila) noes importante. Los quanta rojos quepuedanserabsorbidospor (40 kcal/einstein)son tan efectivos como los azules (70 kcal/einstein);la energía extra de los quantaazulessedesperdicia. Aparentemente, si un quantum tiene la longitud de onda apropiada para ser absorbido, será efectivo. Pero una importante excepción a esto es la llamada caída del roja, - u n decidido descenso enla eficiencia encontrado en el extremo del rojo- lejano en el espectro de absorción, generalmente sobre 685 nm, encontrado en muchos organismos. Emerson encontró que la eficiencia de la luz roja de longitud de onda de de onda cerca de 700 nm podía aumentarse por la adicióndeluzconlongitud más corta (650 nm). En otras palabras, la tasa de la fotosíntesis en luz de dos longitudes de onda juntas eramayorque la sumadelas tasas, encadauna de l a s longitudes de onda separadamente, Este es el llamado efecto Emerson, en honor a su descubridor, y ha tenido importancia en la conformación delasideas sobrelasquesehadesarrollado el concepto modernodelmecanismo fotosintético. Evidentemente, la luz se absorbe separadamente por dos diferentes sistemas de pigmentos, uno de ellos se longitud de onda más larga que el otro, y el funcionamiento a satisfacción de la fotosíntesis requiere que ambos sistemas se activen. Pormediode un cuidadoso a d i s i s espectral de dicho efecto, se ha encontrado que el sistema de longitud de onda más corta (llamado ahora fotosistema II), contiene además de algo declorofila a, una buena cantidad declorofila b y de pigmentos accesorios como ficobilinas. El sistema de 1ongiI;ud de onda larga (fotosi&ema I) tiene una mayor proporción de clorofila a y merlos de 10s otros pigmentos. Es-
168
METABOLISMO VEGETAL Figura 7-6. Comparaci6nde los espectrosdeacci6n y deabsorci6nde un organismo y delespectrodeabsorci6ndepigmentosfotosintdticos importantes. A. Espectro de acci6n y espectro de absorci6n del alga verde Ulva. Nótese la discrepancia entre los espectros a 460 y 500 mp (De F.T. Haxo y L. R. Blinks: J. Gen. Physiol. 43:404 (1950). Usado con permiso.) B. Espectros de absorci6n de algunos pigmentosfotosint6ticos.
. c'
:o
e P
9
Longitud de onda, mp
A CI b
I!
B
de
Longitud
onda, mp
tos dos sistemas de absorción lumínica se correlacionan con las dos absorciones de luz postuladas por Hill y Bendall (Figura 7-2). Ahora se considerará la explicación actual y algunas de las evidencias enque se basa.
TRANSPORTE DE ELECTRONES. La actual explicación de la fotosíntesis como un proceso de transporte de electrones se resume en la Figura 7-7.Cada uno de los
FOTOSfNTESIS
169
fotosistemas I y I1 son capaces de absorber quanta de luz. Cada uno contiene moléculas de clorofila especializadas, capacitadas para perder electrones y recuperarlos a partir de otra fuente diferente. Estos centros reactivos que se describirán en una sección posterior (La trampa de luz) contienen moléculasespecializadasde clorofila a, que absorben a una longitud de onda más larga que la usual. El centro reactivodel fotosistema I1 absorbeluzde 680 nm y el pigmentosedenomina P680. El centro de reacción correspondiente del fotosistema I es P700, y tiene una absorción máxima de, aproximadamente, 700 nm. Los electrones sonexpulsadosde los radicales hidróxilo y transferidos o en el fotosistema I1 a un aceptor de electrones “Q” aúnno conocido, vía el que tiene un potencial (E’o)de O a ”0.1 v. De hecho “Q” puederepresentar varios factores o un conjunto de quinonas o compuestos tipo quinona interactuantes. Los electrones son pasados luego a la plastoquinona, que transfiere tanto los ioneshidrógeno como los electrones, del modo como lo hace la ubiquinona en la cadena de transporte de electrones de la respiración. La plastoquinona pasa los electrones al citocromo bSs9 y al citocromo f que a suvez los pasa a la plastocianina, unaenzimacon cobre que tiene una E’0 de cerca 0.4 v. Porcadaparde electrones quedesciendepor esta cadenade transporte de electrones segenera una molécula de ATP a partir de ADP y Pi, de manera muy parecida a la fosforilación oxidativa. El procesode fosforilación fotosintética sedescribirá en la página 162. El fotosistema I transfiere su energía al P7,10que tiene una E’0 de cerca de 0.4 v. Como resultado el P700 transfiere un electrón a un aceptor no identificado llamado “x” que tiene un fuerte potencial negativo (E’o = -0.5 a -0.6 v). El P700 recupera su electrón de la plastocianina reoxidándola en el proceso. El fuerte = -0.45 v), unaenzimaconhierro reductor factor “x” reduce la ferredoxina no heme de amplia distribución en las plantas, que toma parte en las reacciones de reducción de las plantas sean fotosintéticas o no (ver Capítulo 8, Fijación del E,’,,v -0.4
H+
-
\r -P
0
t0.4
Y
I cyt b,
NADPH
f
+ H+
-
-
t0.8 -
H,O“--OH-
eMn, CI-
-H,O
+O,
Figura 7-7. Modelo de la fotosíntesis.Lalíneapunteadamuestra trones en la fosforilacih cíclica.
el caminode los elec-
170
METABOLISMO
nitrógeno). La ferredoxina reduce el NADP a NADPH pormedio de la NADP reductasa, una enzimaflavoproteinica. Es posible también que los electrones pasende “x” o de la ferredoxina a la plastocianina y de ahí haciaatrásal PTo0,yendoporunacadena de transporte de electrones que probablemente incluye un agente transportador de hidrógeno, así como el conocido citocromo b6. A esta transferencia de electrones se acopla una fosforilación. Como en este sistema los electrones siguenuna vía cíclica del P,oo y regresando a 61 a través de la ferredoxina, el proceso, que es capaz de generarATP a expensasdela energía lumínica sin reducir al NADP sellama fosforilación cíclica.La generación de ATPdurantela transferencia de electrones del fotosistema I1 al fotosistema I sellama fosforilación acíclica. Una tercera posibilidad es que los electrones puedanser transferidos de regreso de la ferrodoxina al oxígeno, reduciéndolo a HzO.Es posibleque este proceso pueda también involucrar a la cadena de transporte de electrones y hacer ATP. La base experimental para esta fosforilación pseudocíclica, como se denomina, no es tan firme como la de las fosforilaciones cíclica y acíclica.
EVIDENCIAEXPERIMENTAL. Unagran parte dela concepción expuesta no seha comprobado y han surgido muchos tópicos de discusión. Posteriormente se consideraránalgunasposiblesalternativas.Sin embargo, dicho proceso ha tenido amplia aceptación y se sustenta en varios tipos de evidencias. Aunque los espectros de absorción de los fotosistemas I y I1 se sobreponen, el fotosistema I tiene su máximo mucho más dentro del rojo (aproximadamente a 690 nm) que el fotosistema I1 que tiene su máximo hacia 650-670 nm (o aúnmás bajo en las algas verde-azul). En consecuencia hasta cierto punto sepuedeenergizarindependientemente al fotosistema I o al 11, usando un haz de luz monocromática de la longitud de onda apropiada. Esto se acopla con el análisis del estado de los componentes de la cadena de transporte de electrones por espectroscopía diferencial, para determinar si están reducidos u oxidados. Así, la iluminación de los cloroplastos con longitudesdeonda cortas tiende a reducirla plastoquinona y los citocromos en tanto que las longitudesde onda largastienden a oxidarlos. Existen varios inhibidores específicos que bloquean la cadena en diferentes puntos. El uso combinado de estos inhibidores de luz activadora (luzactínica), de longitud de onda selecta, y de la espectroscopía diferencial ha clarificado mucho el proceso. El inhibidor 3(3,4-diclorofenol)-l,ldimetilurea(DCMU), un herbicida selectivo, inhibe el fotosistema 11. Cuando se ilumina el fotosistema I en presencia de DCMU, los citocromos se oxidan y no pueden ser reducidos por la luz que activa principalmente al sistema, como sucede en ausencia del DCMU. Esto demuestra que los citocromos normalmente se reducen por el fotosistema I1 y se oxidan por el fotosistema I, y así seligan del modoquesemuestraenlaFigura 7-7.Otro método posible de estudio es porque el fotosistema I1 es capaz de flourescer, y la extinción dela fluorescencia porcompuestosoxidados (es decir, aceptores de electrones) se ha utilizado para estudiar al sistema. Un tercer modo de enfocar el problema es por adición de donadores artificiales de electrones para reactivar sistemas con un intoxicante, o por la adición de componentes con un potencial conocido que pueden aceptar o donar electrones en puntos específicos de lacadenade transporte de electrones. Por ejemplo, la hipotética separación del sitio de fosforilación cíclica y del de fosforilación acíclica sebasaengran parte enla observacióndeque los donadoresde electrones,
FOTOSfNTESIS
171
como fenazina metosulfato (PMS), 2,6-diclorofenolindo fenol (DPIP) o la propia ferredoxina, pueden catalizar la fosforilación con luz para el fotosistema I, en presencia de DCMU y en ausencia de oxígeno. Por otro lado, la fosforilación acíclica requiere deluz para ambossistemas,presenciade oxígenos, y es inhibida por el DCMU. Un cuarto modo de investigación sumamente importante, ha sido desarrollado por el fisiólogo americano R. P. Levine y sus asociados. Usaron mutantes del alga Chlamydomonas carentes de uno u otro de los componentes de la cadena de transportedeelectrones.Así por ejemplo, un mutante carente del citocromo f puede reducira la plastoquinona y alcitocromo b con luz delfotosistema 11, pero no puede reducir a la plastocianina ni al PTo0.La luz del fotosistema I oxida a la plastocianina y al P,oo pero no a la plastoquinona ni al citocromo b. Un mutantecarente del citocromo f retiene la fosforilac:ión cíclica, pero un mutante carentedeplastocianinanola retiene;esto indicaque la fosforilación cíclica transfiereelectronesdel nivel superior delfotosistema I hacia atrás alaplastocianina (Figura 7-7). Una quinta técnica deestudio del sistema de transporte de electrones se basa en el descubrimiento de que cuando las membranas del cloroplasto se rompen con más cuidado y se fragmentan, pueden separarse por centrifugación en partículas o menos pesadas y ligeras. Laspartículas pesadas contienen una proporción b, pueden liberar oxígeno y se intoxicancon DCMU. Las más altadeclorofila partículas ligeras contienen una proporción mayor de clorofila a, pueden reducir al NADP y generar ATP, pero no liberan oxígeno. Se supone que las partículas pesadas representan al fotosistema I1 y las ligeras al fotosistema I. Los datos de este tipo de experimentosno son porcompleto cl.aros y los resultados parecen depender considerablemente de la técnica exacta con la que se rompen los cloroplastos. Esto puede efectuarse forzando una suspensión de cloroplastos a través de un orificio diminuto ejerciendo una gran presión (la célula francesa de presión) o por ondas de sonido; pueden usarse varios productos humectantes o tensioactivos que ayudan a solubilizar las materias lípidas parma coadyuvar en el rompimiento. Los fragmentosdecloroplasto no pueden llevar a cabo todas las reacciones fotosintéticas. A menudo requieren la adición de colfactores (a causa de la rotura o para reemplazar los cofactores lavados durante la preparación) y por lo general son incapaces de hacer ATP. Sin embargo, se ha progresado mucho en la identificaciónde las unidades funcionalescon las estructuras visibles almicroscopio electrónico (véase Relaciones estructurales, página 173). Aunque se ha reunido una gran cantidad de evidencias experimentales sobre el funcionamiento del sistema de transporte de electrones en la fotosíntesis, muchas de ellas son difíciles de interpretar o conflictivas y es posible que aún no hayamos llegado a la definición final del sistema. El esquema presentado en la Figura 7-7 parece ser una hipótesis de trabajo útil.
LA TRAMPA DE LUZ. Para entender la naturaleza de la reacción física que atrapa la energía lumínica se requiere considerar la estructura del aparato fotosintético. Se ha empleado un gran esfuerzo en la búsqueda de una unidad fotosintética, es decir, una unidad bioquímica o biofísica capaz de completar las reacciones de la fotosíntesis.Se han hecho varios ensayostratandodeidentificar alguno de los componentesestructurales del cloroplasto como dicha unidad completaen sí misma. Peroactualmente se hacomprendido que éstmeera un propósito irrealiza-
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172
ble porque la fotosíntesiscompletarequiere la coordinacióndeuna serie de procesos que se distribuyen por toda la estructura organizada de la membrana del cloroplasto. Unas partículas pequeñas que podían verse en las micrografías electrónicas se denominaron cuantosomas, reflejando la hipótesis de que serían las unidades fotosinGticas. Pero ahora se sabe que son parte del sistema de síntesis del ATP y que el proceso completo del transporte de electrones en la fotosíntesis requiere la coordinación de algunas áreas de la laminilla o lamela subyacente. Desde el comienzo se reconoció que si se rompen los cloroplastos en fragmentos pequeños, los pedazos mínimos capaces de efectuar la reacción de Hill contienen al menos varios cientos de moléculas de clorofila, y ahora parece ser que la reacción lumínica completa no ocurre en fragmentos que tengan menos de mil moléculas de clorofila. Más aún, los estudios con el inhibidor DCMU sugieren que se requiere una molécula de DCMU por 2,000 de clorofila para una completa inhibición. La inferencia es que con cada centro de reacción (el sitio donde se utiliza la energía lumínica para transportar electrones), se asocia un gran número de moléculas de clorofila. Por análisis cuidadosos se ha demostrado que el P700,el citocromo f y el citocromo b están presentes en relación de una molécula de cada uno, por varios cientos de moléculas de clorofila a, lo que da base a la idea antedicha. Ya que el P700 es el pigmento transportador de electrones, parece que las otras moléculas de clorofila sirven como agentes quecolectan la luz y la transfieren al P,,,. Sería muy poco económico tener un sistema de transferencia de electrones completo asociado con cada molécula de clorofila, porque ésta quedaría tan oscurecida por la masa de todos los asociados del sistema que sería incapaz de funcionar absorbiendola luz. La trampa de luz del fotosistema I parece que consiste en un gran conjunto de moléculas de clorofila arregladas de modo que cada una pueda absorber luz y pasar la energía de excitación resultante de una molécula a otra hasta el centro de reacción (ver Figura 7-8). Los pigmentos accesorios también deben estar tomando parte. La energía es pasada por resonancia entre las moléculas adyacentes, no por una transferencia de electrones real. En alguna parte del conjunto hay un grupo
f--
clorofila
del sistema I I
u-
Figura 7-8. Posibleestructura y función de la trampa de luz del fotosistema I . transporte de electrones; - - + indica transferencia de la energía de excitación.
" +
indica
FOTOSINTESIS
173
de moléculas de clorofila que, a causa de su orientación, absorben luz de longitud de onda más larga y permiten que se pierda como calor una pequeña cantidad de energía de excitación. Esto sirve para atrapar la energía de excitación que ya no puede escapar a los niveles más altos de energía delas moléculas de alrededor. En elcentrodeestecomplejo hay unamolécula de P700 (probablemente una molécula de clorofila en asociación especial con su componente de proteína) que se asocia con el citocromo f y con la plastolcianina, así como el aceptor de electrones “x”. La excitación pasa al P,oo que lanza un electrón a “x”, reduciéndolo y recuperando su electrón de la plastocianina, oxidándola. La trampa de luz del fotosistema I1 es esencialmente similar, excepto que contiene un número de moléculasdeclorofila b considerablemente mayor, así como una mayor proporción de pigmentos accesorios. El centro de reacción del ligeramente más corto que fotosistema 11, P680, tiene un máximodeabsorción el del fotosistema I. El fotosistema I1 absorbe electrones del agua y los pasa a “Q” y a la plastoquinona. La cinética de la fotosíntesis se ha estudiado también midiendo la resonancia de spin del electrón ( E S R ) , una técnica que detecta los cambios en el paramagnetismo de losintermediarios fotoquímicos cuando se formanelectronesno pareados durante los eventos fotoquímicos. Esta técnica se ha usado tratando de identificar donadores y aceptores primarios de electrones en ambos fotosistemas. Hay ciertas indicaciones de que un complejo de ubiquinona y un compuesto con hierro, fuertemente ligados, sirven como el aceptor de electrones primario en la fotosíntesis bacteriana. La identidad de los aceptores primarios de los fotosistemas I y I1 en las plantas no está clara aún. Experimentos recientes sugieren que el donador de electrones en el fotosistema 11, el mecanismo que transfiere electrones del agua al P680,pueda involucrar un complejo de quinonas o derivados quinónicos junto con manganeso. Pero se necesita aún mucha más experimentación. LIBERACIdN DEL OXfGENO. El sistema de la fotosíntesis del que se sabe menos en el presente, es el mecanismo que produce oxígeno. Deben ocurrir cuatro reacciones de transporte de electrones, incluyendo cuatro moléculas deagua, para generar una molécula de oxígeno. Cómo se lleva esto a cabo no está claro, en vista de que los electrones se transportan separadamente. Se ha sugerido que una enzima “rompedora de agua” pueda contener una asociación de cuatro moléculas transportadoras de electrones(quizáclorofilas)orientadas de modoque laremoción de cuatro electrones del agua pueda dar la reacción total.
2 4 H+
4 H,O 4 O H - + 4 e-
+
2 H20
+
O2
Parece que se requieren iones de manganeso y de cloro para la evolución del oxígeno, y la oxidorreducción reversible del manganeso podría estar relacionada conlaliberación de oxígeno. Para laproducción de oxígenotambién se requiere COZ o bicarbonato (aparte de su papel como substrato de la carboxilación fotosintética). Los intermediarios y cofactores en esta reacción aúnse desconocen.
RELACIONESESTRUCTURALES. La estructura integral del sistema laminar del cloroplasto (ver página 59) está bien definida ahora. La microscopía electrónica
174
METABOLISMO VEGETAL
de grabado por congelación ha provisto nuevos detalles sobre las membranas tilacoides. En este proceso las preparaciones son congeladas y luego astilladas con unacuchillademicrotomo. El tejidotiendea rajarse o hendirse a lo largo de líneasnaturales de separación generalmente a lo largo de la superficie de las membranas. El sombre0 de la preparación con metal provee entonces un retrato en relieve de lasuperficieinterna o externa de lamembrana. Una micrografia electrónica así preparada se muestra en la Figura 7-9A junto con un diagrama de interpretación (Figura 7-9B). Se ven muchas partículas de diferentes tamaños en las diversas superficies de la membrana. Algunas de ellas parecen estar relacionadas con agregados de enzimas o de transportadores de electrones asociados con los fotosistemas I y 11, o con el factor acoplador de la ATPasa (ver el párrafo siguiente). La Figura 7-9C muestra un modelo hipotético basado en evidencia de microscopia electrónica y en los resultados de experimentos de subfraccionamiento, que muestra la localización de las partículas o de los agregados capaces de efectuar solamente la fosforilación cíclica, y de los agregados del fotosistema I y del 11, capaces del transporte de electrones acíclico. Figura 7-9. Estructura del cloroplasto. A. Micrografía electrónica delasfases y superficies delas laminillas (lamelas) de los grana sujeta a fractura bajo congelación X 100,000. B. Interpretación diagramdtica de A. Los números se refierena: 1 ) superficie exterior del tilacoide; 2) fractura plana inmediatamente por debajo dela superficie exterior; 3) fractura plana por debajo dela superficie interior del tilacoide, y 4) superficie interior del tilacoide. La magnificación muestra un posible arreglodelasmolbculasde clorofila enlas partículas (visibles en A) embebidas en la membrana del tilacoide. c. Representación diagramdtica de la estructura de los grana Y de la distribución de los fotosistemas I y I I (De Park, R.B. y P.V. Sane: Ann. Rev. Plant Physiol. 22:395-430 (1971), y Anderson, J.M.: Nature. 253:536-537. Usados con permiso. Fotografía cedida gentilmente por el Dr. Park.)
FOTOSfNTESIS
175
f
Mol6cula de clorofila
y///&
Fotosistema I - tilacoide intergrana
B
METABOLISMO
176
SÍNTESISD E L ATP. La hipótesis quimioosmótica de Mitchell está acorde con la evidencia que se tiene sobre la síntesis de ATP. Esencialmente, la formación de ATP por transporte de electrones cíclicoo acíclico es similar a la síntesis del ATP en la mitocondria que resulta del transporte oxidativo de electrones (ver página 106). La transferencia de electrones y iones hidrógeno (protones) a través de la membrana tilacoide provee una separación de las cargas, éstas son conjuntadas de nuevo por la ATPasa y un factor acoplador (CF) que es identificable como una partícula que aparece enla superficie externa dela membrana (ver Figura 7-9). La Figura 7-10 muestra un modelo del sistema, dibujado según el trabajo del Dr. A. T. Jagendorf (Universidad de Cornell) y del Dr. N.E. Good (Universidad del Estado de Michigan). La exigencia crítica de este modelo, además de la organización espacial de los citocromos, es la movilidad de la plastoquinona, que verdaderamente transporta electrones y protones a través de la membrana del exterior al interior. Los fotosistemas I y I1 activan la separación de las cargas transportando los electrones al exterior. El factor acoplador opera de la misma manera que el F, y la F1-ATPasa de la mitocondria (ver Figura 5-8). La evidencia en que se fundamenta esta concepción incluye el descubrimiento original de Jagendorf, de que elevando el pH externo de cloroplasto in vitro se induce la fosforilación en la oscuridad, y la observación de que existen gradientes de pH a través de los tilacoides en la luz requerida. Se ha encontrado que la fotooxidaciónde los donadores de hidrógeno(agua,catecol)induce la fosforilación, en tanto que la oxidación de los donadores de electrones, como el ferrocianuro, no lo hace. Por último, hay agentes desacopladores que permiten que pasen protones a través de la membrana, por una vía diferente a la del factoracoplador,aunquenoafectaneltransportedeelectrones,eimpiden la fosforilación por el transporte de electrones simultáneo. Este modelo sugiere quepuedenhaberdossitiosde fosforilación -uno para cada fotosistema- ya que cada fotosistema causa la liberación de un par de protones por cada par de electrones transferido. Los experimentos recientes con el inhibidor dibromo-timo-quinona han permitido la separación de tilacoides intactos con las actividades de los fotosistemas I y 11, y ha sido posible demostrar NADP
2H'
TILACOIDE
2H'
I N T E R I O R H,O tilacoide
\
Figura 7-10. Modelo de lainterpretaciónquimioosmótica dela fosforilaciónfotosint6tica en Dr. N.E. Good y del Dr. A.T. Jagendorf.Estediagrama debe compararse con las Figuras 5-8 y 7-7.
los cloroplastos, basadaenideasdel
FOTOSfNTESIS
177
que cada fotosistema es capaz de fosforilación. En cloroplastos preparados cuidadosamente, la producción de ATP se aproxima a losvalores teóricos predichos para este modelo. Esto trae a discusión la necesidad de fosforilación cíclica. Sin embargo, es improbable que la fosforilación ocurra siempre con una eficiencia del 100% y es probable que también el ATP fotosintético sea utilizable por el citoplasma (ver Capítulo 15). De ser así, probablemente, la fosforilación cíclica tiene importancia, ya que las reacciones del carbono en la fotosíntesis requieren por lo menos 1.5 ATP por cada reductor equivalente (NADPH) utilizado. Este requerimiento es suficiente solo para producir monosacáridos y se requiere ATP extra para la formación de sacarosa, almidón y otros compuestos hechos por el cloroplasto. Una interesante confirmación experimental de la localización y participación del factor acoplador se tiene por técnica inmunológica. Se ha podido aislar el factor acoplador e inyectarlo a un conejo, causandola formación deun anticuerpo; cuando éste se adiciona a cloroplastos en suspensión el transporte de electrones continúa sin obstáculos pero se impide la sintesis de ATP. Esto demuestra dos cosas: que el factor acoplador inactivadoporel anticuerpo toma parte, sin duda, en la fosforilación, y que debe localizarse en el exterior del tilacoide para que el antígeno pueda llegar a él.
BALANCEDE ENERGfA. Hemos vistoque el modelogeneralmente aceptado requiere cuatro quanta de luz roja (40 kcal/einstein) para producir una molécula de NADPH y uno o dos ATP. Así que el ingresode energía es 4 X 40 = 160 kcal/ mol, y la recuperación esde 51 kcal útiles por oxidación de 1 mol NADPH más 7-15 kcal por los ATP, lo que suma 35 a 40%del ingreso de energía. Las pérdidas de energía ocurren en la conversión de energía lumínica a potencial química y en la estabilización de los pigmentos y de los intermediarios con alta energía (excitados); es decir, al “atrapar” la energía o el electrón migrante para que no recaiga al nivelde posición de que partió. Considerandola complejidad dela conversión éste es un nivel de energía notablemente alto. REACCIONES DEL CARBONO: EL CICLO DE CALVIN INTRODUCCI~N. Las reacciones lumínicas danporresultadola producción de poder reductor, que reduce al NADP, y la producción de ATP. En las reacciones
oscuras estos productos se utilizan para reducir el COZ.Hasta el descubrimiento del carbono radioactivo sólo se podía tratar deadivinarlos intermediarios y las transformaciones de la síntesis deazúcares.Cuando Calvin y sus colaboradores suministraron 14C02 a algas Chorella en suspensión, encontraron que el producto inicial más importante era el ácido 3-fosfoglicérico (PGA), de tres carbonos. Este producto fue aislado y degradado químicamente y se encontró que la mayoría del l 4 C estaba en la posición carboxilos. P-O-CH2 -CHOH-14 COOH Un examen posterior de los productos de la fotosíntesis con 1 4 C 0 2 por breve tiempo reveló que la fructuosa-l,6difosfat~o(FDP) formada al principio era radioactiva y al degradarla se encontró que contenía la mayoría de su radioactividad en los dos carbonos intermedios
METABOLISMO VEGETAL
178
P-O--CH, -CHOH-14 CHOH-14
CHOH-CO-CH,
-O-P
Estasobservaciones sugirieron: 1 ) que lasíntesis de hexosaocurreala y 2) que se requiere un modelo cíclico inversa de las reaccionesdelaglicólisis, para la regeneración de un aceptor del COZ.Con el desarrollo de la cromatografía en papel y la combinación de este medio analítico y el uso del carbono radioactivo, todo el complejo proceso de reducción del carbono y regeneración del aceptor de CO, fue rápidamente esclarecido.
RADIOACTIVIDAD Y CROMATOGRAFfA. Estas herramientas han tenido tal impacto enfisiología vegetal que merecen ser examinadas brevemente.Loselementos radioactivos son idénticosquímicamentea sus isótoposestables y difierensolasu inestabilidad mente en la masa de sus núcleos.Decaenproporcionalmentea desintegrándose y emitiendo radiaciones, por lo general y , o partículas p. Como estas radiaciones son ionizantes, pueden detectarse con los detectores de ionización, particularmenteloscontadores Geiger-Mueller o loscontadores de cintilación o centelleo. El contador Geiger-Mueller detecta la producción de ionización en una cámara de ionesespecial, el tubo Geiger-Mueller, que tiene una ventana delgada a través de la cual penetran las radiaciones ionizantes. El contador de cintilación 0 centelleo detecta y cuenta los flashes de luz emitidos por un cristal o un líquido especial al absorber una radiación. La tasa de decaimiento de un isótopo se mide por su vida-media, que es el tiempo requerido para que decaiga la mitad de la suseste valor es diferente a la media vida que tancia cualquiera sea su cantidad (N.T.: es el promedio de tiempo de decaimiento; en inglés se dice igual). Para isótopos de vida corta (por ejemplo "P con media-vida = 14 días) deben hacerse correcciones diarias para tomar en cuenta este decaimiento. El 4C tiene una vida media de unos 6,000 años, así que no se necesitan hacer correcciones. Dado quelosátomosradioactivos son químicamente iguales a sus contrapartes estables, sufren las mismas reacciones químicas. Excepto por ciertos ligeros efectos que pueden ocurrir porque el I4C es algo más pesado que el "C; los átomos de carbono radioactivo se conducen precisamente de la misma manera que los no radioactivos, así que entran en todas las secuencias de reacciones y marcan a todos los compuestos que toman parte en el metabolismo normal del carbono. Si se suministra 14C a una planta iluminada durante 5 segundos, los compuestos sintetizados durante esos 5 segundos, y solamente esos compuestos, serán radioactivcs. Más aún, si se adiciona un nuevo átomo de carbonoradioactivoa un compuestonoradioactivopreexistente,solamentedicho átomo será radioacla molécula puede tivo.La presencia y posición del carbonoradioactivoen y determinarse degradando químicamenteelcompuesto,carbonoporcarbono, probando la radioactividad de cada carbonoindependientemente. Usando esta técnica esposibledetectar las transformaciones del carbono en el metabolismo. A suvez éstasdebencorrelacionarse con los tipos de reacciones involucradas y la naturaleza de las enzimas presentes, para lograr unacomprensióncompleta del sistema metabólico. La cromatografía en papel es una técnica de separación de los componentes de una mezcla compleja de sustancias químicas, tal como los constituyentes solubles de una planta. Generalmente los tejidos vegetales se extraen con un solvente quematatodas las células y desnaturaliza las enzimas (comúnmentese usa etanol o metano1 caliente) y el extracto se concentra. Luego se aplican unas
FOTOSfNTESIS
179
pocas gotas del extracto en la esquina de una hoja de papel filtro, por lo general de 20-50 cm por lado y una orilla se sumerge en un solvente orgánico apropiado. El solvente se mueve a través del papel por movimiento capilar. En el papel está presente una cierta cantidad de agua firmemente adherida e inmóvil. Las diversas sustancias se mueven conel solventeorgánico ;móvil adiferentesvelocidades, dependiendo de su solubilidad relativa en la fase acuosa estacionaria, en la fase de su absorción al papel. El orgánica móvil del solvente, y hastaciertopunto resultado es que los componentes de la mezcla se separan en una hilera de manchas definidas. En las mezclas complejasla separación de todos loscomponentes puede quedar incompleta;entonces puede usarse un segundo sistema de solventes aplicado en ángulo rectocon elprimero, para resolver las manchas que habían quedado sin separarse. Loscomponentes pueden. hacerse visibles aspeeandoel Figura 7-11. Cromatograf ía en papel. A. Fotografía deunacubacromatogrhficaenusoen el laboratoriodelautor, y unbastidor de cromatogramas en papel a punto de utilizarse. B. Cómo se corre el cromatograma en dos solventes y se desarrolla. Los solventes pueden tarnbien correr hacia abajo en lugar de hacia arriba.
B
Aplicación del material que se va a separar al papel de cromatograma
Cromatografia en el solvente 1 (primera direccibn)
Cmmsatografia en !solvente el 2 (segun'dadirección)
Aspersión del cromatograma para revelar la localización de las manchas
METABOLISMO VEGETAL
180
A
Figura 7-12. Cromatograma y radioautograf ía. A. Fotografía deuncromatograma asdeextractodehojadetrigo perjado con el reactivo ninhidrina para revelar los aminoácidos. B. Radioautografla deun cromatograma de hidrolízado de proteínasde hoja de trigodespuesde suministrar I4CO2 durante 1 hr a la luz. Todos los productosque la recibieroncarbono de los de fotosintesis son radioactivos y puedenverse como manchas oscurasenla película derayos X. Los cromatogramas se corrieron primero en una mezcla fenolagua ( l ) , luego en una mezcla propanol-acetato de etilo-agua(2). Los extractos se aplicaronenel ala, alanina; 0 origen. C6digo: ala, 0-alanina; arg, arginina;asp, ácidoaspártico;asN,asparagina; GABA, ácido y-aminobutírico;glu, ácidoglutámico; glN, glutamina; gly, glicina; leu, leucina;phe, fenilalanina; pro, prolina; ser, serina; thr, treonina; tyr, tirosina; U, desconocido; val, valina.
FOTOSfNTESIS
181
cromatogramacon un reactivoqueproduzca derivados coloridos(porejemplo, la ninhidrina reacciona con los aminoácidos dando un color azul o púrpura), y las manchas radioactivas pueden localizarseporradioautografía (llamada también autorradiografía). El cromatograma se coloca junto a una hoja de película para rayos X en un bastidor durante varias horas o días, dependiendo de la intensidad de la radioactividad. Las manchas radioactivas causarán un oscurecimiento en la película en el lugar sobre el que queden, de modo que la película registra, como en una fotografía, la posición y radioactividad de las manchas del cromatograma. En las Figuras 7-11 y 7-12 se muestran ilustracionesdeaparatos típicos usados en la cromatografía en papel así como un cromatograma y una autorradiografía del extracto de una planta. Por medio de estas técnicas es posible identificar a los compuestos presentes en una planta y , en experimentos con substratos marcados, determinar cuáles provienen de dicho substrato y en qué proporción. Las manchas individuales pueden recortarse y degradarse por técnicas microquímicas para obtener más información sobre las transformaciones metabólicas. EL CICLO DE CALVIN. Las reacciones del ciclo reductivo del carbono en la fotosíntesis y las enzimas que las catalizan se muestran en la Figura 7-13. Como se esquematiza, las reacciones dan por resultado la síntesis de una molécula de triosa por la fijación de tres moléculas deCOZ. Lareacción puede resumirse
3 CO,
+
9 ATP
+
6 NADPH
+
GAP
+
9 ADP
+
8 Pi
+
6 NADP
Para hacer hexosafosfato se requieren dos vueltas del ciclo. Una de las moléculas de GAP así formadas pasa a DHAP y las dostriosafosfato se unen por reaccióncon la aldolasa. Lafructosadifosfato resultante se convierteenfructosa-6-fosfato porlafosfatasa. El resumen para laproducciónde una molécula de hexosafosfato sería entonces
6 CO,
+
18 ATP
+
12 NADPH
-+
F-6-P
+
18 ADP
+
17 Pi
+
12 NADP
Vale la pena seguir la secuencia de reacciones a través del ciclo en la Figura 7-13 para entenderclaramente las transformaciones sufridas porcada átomo de carbono.Porconveniencia, las moléculasdeCO, adicionadas de nouo están marcadas en la Figura 7-13 con un asterisco, así que se puede ver en cada vuelta del ciclo que sigue a la adición de l4 CO, tanto los lugares marcados como el sitio radioactivo. La peculiar manera en que queda marcada la RuBP* se debe a la mezcla de tres moléculas de Ru-5-P, dos de las cuales se marcan de modo diferente a la tercera. El estudiante debe determinar la distribución de los puntos marcados en los compuestos clave después de que se introduce un segundo trío de l 4 COZ y comparar sus resultados con los obtenidos en un experimento real, que se anotan en *RuBP (ribulosa bifosfato) es la forma de nomenclatura bioquimica que ha reemplazado al antiguo thrmino RuDP (ribulosa difosfato). Es una distinción correcta (pero parece tonta). Un difosfato (como el ADP) tiene el segundo fosfato esterificado sobre el primero. Un bifosfato tiene dos fosfatos en dos carbonos separados, La RuBP se denomina a veces RuPz Asi deberian llamarse otros bifosfatos (FDP, SDP). Comola antigua y mas familiar nomenclatura de estos compuestos todavia se utiliza ampliamente en la literatura, se ha mantenido en este capítulo.
.
METABOLISMO VEGETAL
182 Tabla 7-2. Distribución dela radioactividad en los intermediarios del ciclo de Calvin, según un experimento en el que se suministró I4CO2 durante 5.4 seg a un cultivo de Scenedesmus obliquus. Atomo de
Radioactividad en átomos individuales
carbono
PGA
1
82 9 9
2 3 4 5 6 7
28 24
-
-
Fructosa
(%)
Sedoheptulosa
Ribulosa
2 2
11 10 69 5 3
3 3 43 42 3 3
27 2 2
-
-
Fuente: J.A. Bassham y M. Calvin: The Path of Carbon in Photosynthesis. Prentice-Hall Inc., Nueva Jersey, 1957. Utilizada con permiso.
la Tabla 7-2. La distribución de los puntos radioactivos no siempre es igual a la prevista. Se han encontrado ciertas asimetrías que se pueden explicar por rearreglos causados por reacciones reversibles con la transcetolasa y la aldolasa, las que redistribuyen el l4 C en otros sitios. Debe notarse que aunque en el ciclo se produce una molécula de triosa por cada tres de COZ adicionadas, según se describe en la Figura 7-13, sería igualmente fácil arreglarlo para producir PGA, una pentosa, una hexosa o compuestos C 2 , todos los cuales son productos finales de la fotosíntesis. Las enzimas y reacciones individuales son las siguientes: en la primera reacciónunamolécula del azúcar decincocarbonos,ribulosabifosfato (RuBP), se carboxila. Se forma un intermediario de seis carbonos que se hidroliza espontáneamente dando dos moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA) así CH,OP
CH,OP
C=O
CHOH
I
*CO,
+ CHOH
I
L!&, *COOH
CHOH
+COOH
CH,OP
CHOH
I
CH,OP RuBP
2 PGA
Esta reacción fue una de las aclaradas primero por los estudios cinéticos de Calvin con l 4 COZ y cromatografía en papel. Se dejó que las célulasefectuaran la fotosíntesis hasta un estado estable usando l4 COZ,de modo que todos los intermediarios se saturaran con l4 C. Entonces se interrumpió el proceso oscureciendo las células, así se suspendieron losproductos de lareacciónlumínica y se depudo contuvieron las reacciones de reducción. Sin embargo,lacarboxilación tinuar dando comoefecto la desaparición simultáneadel aceptorde COZ y la aparición del producto de carboxilación. La gráfica de la Figura 7-14 muestra los
r
CO, + RuBP
J
CO, + RuBP
ribulosa
bifosfato
2P-C-C-COOH PGA
GAP
DHAP
J
J
2 PGA
2 PGA
x.
+
triosa fosfato
6 NADPH + 6 ATP
C02 + RuBP
carboxilara
6 NADP
deshidrogenasa
+ +6ADP + 6 Pi
GAP
I
P-c-c-c-c-c-c--P
+Pi
F-6-P
P-c-c-c-c-c-c
O II
I/
c-c-c-c-c-P U
II
P-c-c-c-c-c-c-c-P *
X
*
*
fosfatasa
I
GAP
Pi
I S-7-P epimerasa
xu -5 almidón
1
ribulosa fosfato
3 ATP
R&P
.
I
R&P
kinasa
o
"--i
P-c-c-c-c-C-P t
t
3-
R
ADP
P
**
*
Figura 7-13. El ciclo de Calvin. Los grupos OH y H se han omitido para mayor claridad y solamente se muestran los grupos -0 y -P. Si el dióxido de carbono radioactivo ( * C 0 2 ) pasa por una vuelta del ciclo aparecerá el marcaje en la distribuci6n mostrada. ABREVIATURAS RuBP PGA GAP DHAP FDP F-6-P
= =
= = = =
bifosfatot ribulosa E-4-P ácido fosfoglicérico fosfogliceraldehído fosfato de dihidroxiacetona R-5-P fructosa difosfatot fructosa-6-fosfato
+Ver nota al pie de página 181.
SDP S-7-P Xu-5-P Ru-5-P
= =
=
=
= =
eritrosa-4-fosfato sedoheptulosa difosfatot sedoheptulosa-7-fosfato ribosa-5-fosfato xilulosa-5-fosfato ribulosa-5-fosfato
184
METABOLISMO VEGETAL
O
Figura 7-14. Cambios de la luz a la oscuridad en las concentraciones de PGA y RuBP (De J.A. Bassham y M. Calvin: The Path of Carbon in Photosynthesis. Copyright 1957. Con permiso de Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. Figura original cortesía del Dr. J.A. Bassham.)
resultados del experimento, de los que se concluye que la RuBP es el aceptor de COZ y el PGA es el producto de la carboxilación. La enzima responsable de esta carboxilación, RuBP carboxilasa (RuBPcasa, conocida taqbién comocarboxidismutasa) ha sido objeto de mucho estudio y muchas de sus características invivo son bien conocidas. La enzima se aísla de las hojas fácilmente y parece ser fa fracción proteica mayor en los tejidos fotosintéticos. Es posible aislar una proteína aparentemente pura (llamada fracción I) que tiene actividad como RuBPasa, pero que también tiene enzimas activas en otrasreaccionesdel ciclo que pueden separarse solamente con gran dificultad. Se ha sugerido que la RuBPasa y algunas otras enzimas del ciclo están estrechamente asociadas entre sí, lo que explicaría la gran eficiencia de operación de este sistema enzimático. Las medidas hechas in vitro conbicarbonatodieron tasas de reacción muy bajas y sugirieron que la enzima requiere una concentración de substratoextremadamentealta.Experimentosrecientes del grupodel fisiólogo británico D.A. Walker indican que la afinidad de la enzima por su substrato natural, COZ,es lo suficientemente alta para explicar la tasa de fotosíntesis in vivo. Hay cierta evidencia de que esta enzima se activa in vivo por la luz. Además, su síntesis requiere de ésta y no aparece en las ligas desarrolladas en la oscuridad sino hasta que se iluminan de tres a cincohoras. El PGA producido en la reacción por la RuBPcasa se fosforila (se prepara para la reacción de reducción) porla fosfoglicerokinasa, si es el ATP eldonador. El á,ido 1,3-difosfoglicéricoresultante se reducepor medio deunatriosafosfatodeshidrogenasa específica para elNADPH dando 3fosfogliceraldehído (GAP). Partedel GAPse convierte luego endihidroxiacetonafosfato(DHAP)porla triosafosfato isomerasa y de las dos triosas se sintetiza fructosadifosfato (FDP) por la aldolasa (ver página 118). Las reacciones de PGA a FDP son similares a la inversa de la secuencia glicolítica de FDP a PGA, excepto porque la triosafosfato deshidrogenasa se asocia en los cloroplastos al NADPH en tanto que la del cito-
FOTOSÍNTESIS
185
plasma se asocia con el NAD. Pueden existir otras diferencias. Las dificultades que se tienen para conciliar la baja actividad invitro de algunas de las enzimas con laalta actividad queserequiere invivo para llevar la fotosíntesis, ha llevado a pensar que las enzimas puedan activarse en el cloroplasto, lo que las diferenciaría aún más de sus contrapartes en la glicólisis. La conversión de FDP a fructosa-6-fosfato (F-6-P) se lleva a cabo por una fosfatasaquedafosfato inorgánico.Lafosfatasaparece ser específica para los difosfatos de hidratos de carbono. Este es uno de los tres pasos “gastadores de energía” del ciclo, que aseguran que las reacciones seguirán adelante y no se detendrán temporal o totalmente por la producción masiva de intermediarios. La F-6-P sufre a continuación una reacción por la transcetolasa (ver página 125) que remueve los dos carbonos superiores como un derivado de glicol aldehído: el tiamina pirofosfato(TPP), dejandouna tetrosa: laeritrosa-4-fosfato(E-4-P).La E-4-P se condensa con la DHAP por reacción con la aldolasa para formar la sedoheptulosa difosfato (SDP), que se convierte, por un segundo paso con liberación de energía, en seduheptulosa-7-fosfato (S-7-P) y Pi catalizando una fosfatasa. La S-7-P sufre una reacción por la transcetolasa en la que los dos carbonos superiores se separan como TPP-glicoaldehído, dejando la pentosa ribosa-5-fosfato (R-5-P). ÉSta se convierte en ribulosa-5-fosfato (Ru-5-P) por la fotopentosaisomerasa. El TPP-glicoaldehído derivado de la F-6-P y F-7-P en lareacción catalizada por la transcetolasa se transfiereal GAP formandoxilulosa-5-fosfato(Xu-5-P), que se convierte en R-5-P por la fosfopentosa epimerasa.. La R-5-P pasa a Ru-5-P por una isomerasa y es fosforilada por la fosforribokinasa, con el ATP como donador, produciendo ribulosa bifosfato (RuBP) y ADP (una segunda reacción “preparadora” que dispone a la pentosa para su carboxilación). La utilización del ATP para hacer un enlace éter-fosfato de baja energía representa el tercer punto del ciclo en el que la energía se “gasta” para constituir un paso irreversible que mantiene la velocidad y la dirección en el ciclo. PUNTOS DE CONTROL. Se han sugerido diversos mecanismos de control que pueden regular la operación del ciclo. En primer lugar, el ciclo es un sistema autocatalítico muy eficiente. Dado que el producto final (sea una triosa o una hexosa) es también un intermediario, es posible rearreglar el ciclo de modo que produzca ungran número de moléculasiniciadoras (RuBP) denuevas vueltas del ciclo(a expensas del producto normal). En esta forma el. ciclo puede utilizarse para formarsus propiosintermediarioseincrementar su propia velocidad de operación. Tal hecho podría ser necesario porque algunos intermediarios (por ejemplo, PGA, de triosafosfato y glicolato)podrían salir del cloroplastodurantelosperiodos oscuridad, y la concentración de losintermediarios se tornaría muy baja. Bajo estas circunstancias sólo podría operar con lentitud hasta que el nivel de los intermediarios subiera de nuevo. Puede impedirse el agotamiento del ciclo por otras reaccionesderegulación,principalmentelaactivación de ciertas enzimas por la luz. Cuando la hoja está en la oscuridad algunos de losreactantes se inactivan (particularmente la carboxilasa, las dos fosfatasas y la Ru-5-P-kinasa). Finalmente, elbalanceen las síntesis de los diversos productos del ciclo (hexosas, pentosas, triosas, PGA, compuestos C) se mantieneporla regulación de varias reacciones del ciclo o por cofactores tales como ATP o ADP. En esta forma se mantienen el balance y la alta velocidad de las operaciones y e l ciclo puede reaccionar rápida y fácilmente a la demanda de una variedad de productos que pueden necesitarse para el metabolismo, por otras partes de la célula.
METABOLISMO VEGETAL
186
BALANCE DE ENERGÍA. Las reacciones del ciclo pueden resumirse
6 CO,
+
18 ATP
+
12 NADPH + C,H,, O, t 18 (ADP
+
Pi)
+
12 NADP
+
6 H,O
Los 18 ATP representan un total de cerca de 140 kcal y los 1 2 NADPH un total de cerca de 615 kcal. Por lo tanto, el ingreso de energía es de unas 755 kcal. La energía recuperada en la hexosa es de unas 670 kcal/mol, lo que representa una eficiencia de casi 90%.El 1 0 %restante se utiliza en mantener el ciclo en movimiento. La secuencia de reacciones por las que las plantas estabilizan y almacenan el potencialquímico derivado de la energía de la luz, es por lo tanto de una notable eficiencia. En buena parte, ésta es el resultante del efectivo sistema de autocontrol del ciclo de Calvin en el que las reacciones están alimentadas continuamentepor sus propiosproductos,por lo que las concentracionesdeintermediarios puedenaumentarrápidamente por medio de reacciones internas y mantenerse al nivel apropiado para la máxima operación del ciclo. OTRAS VÍAS FOTOSINTÉTICAS RUBP OXIGENASA. Recientemente se ha sugerido que la RuBPcasa puede reaccionar tanto con el oxígeno como con el dióxido de carbono. Esta actividad de la RuBPcasa conviertea laRuBP en una molécula de ácido fosfoglicólico y una molécula de PGA, en lugw de formar dosmoléculas de PCA cuando se fija el COZ. CH20P I
C-o O,
I
+ CHOH I
CHOH CH,OP KUBI’
CH,OP
I
COOH icido fosfoglicólico
+
COOH
CHOH I CH,OP PG.4
Los.experimentos demuestran que el O, es un inhibidor competitivo de la actividad de la carboxilasa. Además, usando O2 en reacción in vivo se forma glicolato marcado en el carboxilo final. Una activa fosfatasa convierte al P-glicolato en glicolato y Pi en la superficie del cloroplasto. Se han sugerido otras transformaciones para llegar a glicolato, pero no se han aportado tantas pruebas. Es posible que la timina pirofosfato-glicol-aldehído (el fragmento Cz de la reacción por la transcetolasa) pueda oxidarse y dar glicolat o o que el producto de la carboxilación de la RuBPcasa pudiera oxidarse dando COZ y glicolato. Sin embargo hasta ahora el peso de la evidencia se inclina por la oxigenación de la RuBP como la fuente principal de glicolato en el tejido fotosintético. VfA DEL GLICOLATO. Es claro que una oxidación en una secuencia de reducción como la fotosíntesis es un proceso inirtil. La reacción por la oxigenasa puede ser
FOTOSfNTESIS
187
la consecuencia inevitable del hecho de que la RuHPcasa no hace clara distinción entre el COZ y el 0 2 .Perono se pierde todo el carbono que se desvía en esta reacción. El trabajo demuchosinvestigadores, particularmente N.E. Tolbert y sus colegas enlaUniversidad del Estado deMichigan, hallevado a formular la vía metabólica del glicolato que se muestra en la Figura 7-15. Este es un mecanismo que permite rescatar carbono que, de otro modo, se perdería como glicolato reintroduciendo al cloroplasto tres cuartas partes de éI en forma de ácido glicérico. Deben advertirse cuatro puntos principales. E1 primero es que la vía del glicolato involucra tres lugares metabólicos distintos: cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias. Probablemente estos organelosseasocian estrechamente, de otro modo el espacio de difusión del carbono sería demasiado grande para que el proceso funcionara con efectividad. La evidencia experimental que llevó a entender que varios organelos deben estar involucrados fue obtenida principalmente en el laboratorio de Tolbert. Se centrifugaron cuidadosamentehomogeneizados celulares a travésdegradientesdedensidadparasepararsus constituyentes, y se localizaron las diversas enzimas del proceso encapas específicas en los tubos de centrífuga, que coincidían con la posición de los organelos específicos. El segundo punto es que la reacción con la oxidasa del ácido glicólico produce Hz0 2 ,que es intoxicante por ser un poderoso oxidante, y es destruida por la catalasa en los peroxisomas. La mayor parte de la catalasa está confinada en los peroxisomas, enlas hojas que fotosintetizan y forman una enzima muy conveniente como señal, cuando seseparan los peroxisomaspor centrifugación. La oxidasa del ácido glicólico tiene una afinidad par el oxígeno más bien baja. Es inhibida selectivamente por el ácido a-hidroxipiridín-metano-sulfónico(HPMS) en cuya presencia se bloquea la oxidación del glicolato y el ácido glicólico aumenta en las hojas. El tercer punto es la producción de glicina y serina por la vía del glicolato. Se ha encontrado que estos compuestos a menudoson productos iniciales del:, fijación fotosintética del COZ; a los pocos minutos de la fijación de l4 CO los radiocromatogramas de extractos de las plantas muestran a menudo una fuerte radioactividad en la serina y la glicina. Sin embargo, en ausencia de 0 2 ,que impide el metabolismo del glicolato al imposibilitar tanto su formación como su oxidación, no se forman glicina ni serinaradioactivas. EHPMS también impidela formación de éstas. :,FOTORRESPIRA El C cuarto I ~ punto que se deduce de la vía del glicolato es que por cada dos moléculas de glicolato que se oxidan se produceuna molécula de COZ y se absorbe una de 0 2 .La absorción de O2 y producción de COZ a la luz por el tejidofotosintético se denomina fotorrespiración. La fotorrespiración es inhibida característicamente cuando se reduce la concentración de 02.Tal hecho es previsible, puesla función oxidativa de la carborrilasa no puede operar en ausencia de O2 y la oxidación del glicolato requiereuna concentración bastante alta de 0 2 .El pH alto promuevela función deoxigenasade la RuBPcasa, y la elevación del pH in vitro también aumenta la fotorrespiración. Ademásel COZ producido en la fotorrespiración por una hoja que está fijando l 4 COZ se torna radioactivo rápidamentealdifundirseel l 4 C a travésdelosintermediariosdel ciclo de Calvin y entrar a la vía del glicolato. Finalmente, 10s inhibidoresespecíficos de la oxidación del glicolato, como el HPMS, también inhiben la fotorrespiración. Toda esta evidencia experimental fundamenta la hipótesis de que la
METABOLISMO VEGETAL
188 CLOROPLASTO:
I
azúcares, almidón
t
r
i
o
r
'':y/
0 2
PGA
t
P-glicolato
I
glicolato
u glicerato
PEROXISOMAS
glic6lisis,-' gluconeoghesis?
Figura 7-15. Reacciones de la via del glicolato.
MITOCONDRIA
+ I
1
(2) glicina
serins
(9)
c
CO,
c) d) e) f) g)
Fosfatasa Oxidasa del Bcido glic6lico Catalasa Transaminasa Glicina descarboxilasa e hidroximetil transferasa h) Regresodel carbono al cloroplasto Nóteseque se requierendosmol6culas de glicina parahacer una serinaen (9). El grupo amino sobrante probablemente vuelve a los peroxisomas para hacer m& glicina en (f).
fotorrespiración proviene de la operación de las transformaciones de la vía del glicolato . Es importante advertir, sin embargo, que la vía del glicolato no es un verdadero metabolismo respiratorio, pues no se asocia con transporte de electrones ni con producción de energía. Además, se conocen otras fuentes posibles de CO, por respiración a la luz. Igualmente, el oxígeno puede ser absorbido por diversas reacciones oxidativas a la luz. Así que los procesos conocidoscolectivamente comofotorrespiraciónson complejos e involucran las interrelacionesde varios sistemas metabólicos, así como de varios organelos que se muestran en la Figura 7-15. El problemi integral de las interrelaciones de la fotosíntesis, la respiración y la fotorrespiración se analizará en el Capítulo 15. FOTOS~NTESIS C,. Los experimentoscinéticoscon hojas, algas o cloroplastos aislados generalmente dan evidencias de reacciones secundarias de carboxilación. A menudo se encuentran pequeñas cantidadesdeácido málico marcado enel 1
FOTOSfNTESIS
189 COOH
I I
COP
Pi
"
CH,
+14~0,
-/ -/
--
II
P E P carboxilasa
COOH (a-carboxilo) I i HCOH HCOH
21H1
?OoH I C=O C=O
-i i L I L
CH,
I
deshidrogenasa rnálica
I
1 , l4COOH
14i00~ PEP
CH
OAA
(0-carboxilo)
malato
Figura 7-16. Reacci6n de pcarlaoxilación y reducci6n que conduce a malato marcado en el C-4 o p-carboxilo. La deshidrogenasa rnilica puede estar ligada al NADH o al NADHP.
p-carboxilo (C-4) lo que sugiere que la fosforilacibn del fosfoenol piruvato (PEP) para formar ácido oxálico (OAA) puede ligarse con una reducción dependiente de la luz. Un ejemplo de este tipo de pcarboxilación se muestra en la Figura 7-16. A mediados de la década del sesenta, los fisiólogos H.P. Kortschack y C.E. Hartt, trabajando en Hawai, advirtieron que en ciertas plantas el producto inicial más abundante de la fijación de l4 COZ no era PGA, sino ácidos C4 dicarboxílicos, los cuales se marcaban inicialmente en el p-carboxilo. Como resultado de una amplia experimentación de los fisiólogos australianos M.D. Hatch, C.R. Slack y otros, se propuso una vía cíclica de carboxilación basada en la reacción de p-carboxilación. Un esquema de esta vía se muestra en la Figura 7-17. Las reacciones básicas de la fotosíntesis C4 son las siguientes. Primero, hay una p-carboxilación en un lugar de la hoja, las células del mesófilo. Los ácidos C3 formados por la p-carboxilación del PEP son transferidos a las célulasque envuelven a los hacesvascularesdelas hojas llamadascélulasdelavainadelhaz. . Ahí es descarboxilado y el COZ formado se fija por el ciclo de Calvin (fotosíntesis C3).El ácido C3 que se forma por la descarboxilación vuelve a las células del mesófilo y se reconvierte en PEP. La característica especial de este ciclo fotosintdtico, es la separación de dos carboxilaciones. La mayoría de las plantas que tienen fotosíntesis C4 tienen una anatomía especial de la hoja llamada tipo Kranz, mostrada en la Figura 7-18. En en dos tejidos distintos, las plantas C3 las célulasdelparénquimaseorganizan la capa empalizada y el parénquima esponjoso, y hay espacios aéreos conspicuos. En las hojas C4 lasvenas están más juntas y cada una se rodea deunacapade célulasdela vaina del haz, que contienen gran número de cloroplastos. Éstas están rodeadas por las células del mesófilo que llenan los espacios aéreos casi por Figura 7-17. Esquema del ciclo de Hatch y Slack en la carboxilaci6n de la fotosíntesis C4.
coz-
* ÁCIDO c
7
4
PEP
c4
ciclo
~
)
r-
C02-
c3R"<
-
Ciclo c3
1 0-carboxilación en las células rnesófilo de c6lulas
Transferencia del carbono a las de la vaina del haz
Descarboxilacion
Fotosíntesis C3 en las células de la vaina del haz
j
I
p
190
METABOLISMO VEGETAL
completo haciéndolos mucho más reducidos, así que la distancia necesaria para que el C 0 2 se difunda a los sitios de carboxilación es corta. Además, las células de mesófilo rara vez están a una distancia mayor de dos o tres células de las de la vaina del haz, así que la transferencia de los ácidos de uno a otro lugar no necesita atravesar gran distancia. El relato completo de la fotosíntesis C,, que se muestra en la Figura 7-19, es bastante complicado porque se han encontrado diferentes variaciones en diversas plantas. El primer ácido estable que se forma es quizá el malato (el ácido oxalo acético +AAes inestable y se rompe al aislarlo, así que rara vez puede identificarse, a menos que se tomen precauciones especiales para protegerlo de la degradación). El malato requiere para formarseunareducciónutilizando NADPH generado en la fotosíntesis, o aspartato que requiere transaminación (reacción e). El malato o el aspartato pueden ser transferidos a las células de la vaina del haz.
FOTOS~NTESIS
191
Figura 7-18. Micrografías al microscopio electrónico de barrido del tejido fotosintbtico de (A) una hoja C3 (frijol, Phaseolusvulgaris x 420) y (B) una hoja C4 (coquillos, Cyperus rotundus x 600). Nótense las conspicuas cblulas de la vaina del haz, los pequeños espacios abreos y la organización generalque caracteriza a la anatomía de Kranz en la hoja C4 (Fuentes: A, de J.A. Troughton y L A . Donaldson: Probing Plant Structure. McGraw-HillBook Co. Nueva York. 1972, usada con permiso. B , fotografía cedida gentilmente por el Prof. C.C. Black, Universidad de Georgia.)
192
METABOLISMO VEGETAL
Luego el malato es descarboxilado por la enzima málica, regenerando el NADPH requerido para su síntesis. El piruvato que queda después de la carboxilación es devuelto a las células de la vaina del haz. Si el ácido C, es el aspartato, es reconvertido a OAA en las células de la vaina del haz. En algunas plantas es descarboxilado luego para formar PEP, el que es convertido en piruvato, una serie de reacciones que incluye la hidrólisis y síntesis, en secuencia, de ATP. En otras plantas el OAA es reducido a malato en las mitocondrias de las células de la vaina del haz utilizando NADH. El malato es descarboxiladopor la enzima málica en las mitocondrias, regenerando NADH. Cuando el ácido C, móvil es el aspartato y la alanina es el ácido C3 que retorna en lugar de piruvato. Esto impide que se concentre NH3 en las células de la vaina del haz. Las plantas C4 son clasificadas con frecuencia de acuerdo a la enzima que descarboxila el ácido C, como se ve en la Figura 7-19. La regeneración del PEP es una reacción curiosa e interesante. La enzima piruvato-fosfato-dikinasarequiere ATP y Pi produciendo PEP, .AMP y pirofosfato (PPi). El PPi se hidroliza dando 2 Pi por cada pirofosfato y el AMP reacciona con otra molécula de ATP para formar dos moléculas de ADP. En suma, dosmoleculas de ATP pasan a ADP por cada molécula de PEP sintetizada. Esta reacción unitaria es fuertemente exotérmica y tiende a desplazarse con energía en dirección de la síntesis de PEP (ver también el Capítulo 6 , página 133). Por este examen y por la observación de la Figura 7-19 se advertirá que la fotosíntesis C4 puede involucrar enzimas citoplásmicas (notablemente las propias enzimas de la carboxilación) así como enzimas de la mitocondria y del cloroplasto. En este sentido se parece a la vía del glicolato. Así es que la antigua idea de que la fotosíntesis se llevaba a cabo exclusivamente en los cloroplastos no puede seguir considerándose una verdad estricta. En esta vía, como en la del glicolato, las secuencias metabólicas exigen la colaboracióndetodas las partes de varias células localizadas en diversos lugares de la planta. La identificación de las distintas actividades enzimáticas en los organelos de las células de la vaina del haz o del mesófilo ha sido posible por el aislamiento selectivo de los tejidos, por la separación de los cloroplastos (los cloroplastos de lavaina del haz hacen almidón en tanto que los cloroplatos del mesófilo no lo hacen; por tanto los primeros son más densos y pueden separarse por centrifugación diferencial) y por el aislamiento de los organelos de células de diferentes tejidos que han sido separadas cuidadosamente por medios mecánicos. P.W. Hattersley desarrolló en Australia una técnica interesante para demostrar la distribución de la RuBPcasa. Primeramente aisló RuBPcasa delcloroplasto, luego la inyectó a conejospara hacer suero anti RuBPcasa. El antisuero del conejo se aplicó a cortes de hoja y luego se adicionó un antisuero de oveja (contra el suero de conejo) con un marcador fluorescente que marcó in situ a laRuBPcasa. En la Figura 7-20 se pude ver que en una hoja C3 la RuBPcasa está distribuida en todas las células fotosintéticas, pero en una hoja C, está presente en las células de la vaina del haz casi exclusivamente. Al parecer, los cloroplastos de las células de la vaina del haz en las plantas C, , particularmente en las que el ácido C, transferido es malato, carecen de grana los grana muy sencilla como se ve en la organizados o tienen una estructura en Figura 7-21, Esto puede relacionarse con el hecho de que las plantas en las que se transfiere malato tienen un requerimiento de síntesis de NADPH más bajo en los cloroplastosde lavaina del haz,porque la descarbovilación del malato genera
FOTOSfNTESIS
193 Células d e mesófilo
Células de l a vaina del haz
Figura 7-19. El ciclo Hatch y Slack y vías de fotosintesis C i propuestas. Reacción
sitio
(a) PEP carboxilasa
citoplasma (probablemente)
(b) malato deshidrogenasa (c) transaminasa (d) enzima málica
(e) transaminasa (f) deshidrogenasa málica
cloroplastos citoplasma (i) cloroplastos (ii)mitocondrias mitocondria o citoplasma mitocondria
(g) PEP carboxikinasa (h) kinasa pirúvica (i)piruvato fosfato dikinasa (k) pirofosfatasa (1) adenilato kinasa
mitocondria (probablemente) citoplasma cloroplastos cloroplastos cloroplastos
Notas el substrato es bicarbonato NADPH + NADP NADP + NADPH NAD + NADH NADH + NAD +. NAD NADH En plantas quetienen reacción (did ATP +ADP ADP +ATP 2ATP
+
2ADP
Luz activada
+ ++
+
Nota: L a s plantas C4 a menudo se identifican en los tipos enzima NADP-málica, enzima NAD-málica o PEP carboxikinasa (PCK) dependiendo de su mecanismo de descarboxilación de los ácidos C4.
NADPH. Así, una porción considerable de los requerimientos de NADPH, por el ciclode Calvin, puede cubrirse con estafuente. Se recordaráquelaoperación de todo el sistema de electrones en la fotosíntesis, que es necesario para generar NADPH, parece requerir la aposición de dos o más tilacoides, es decir, la formación de grana. Por otra parte, la síntesis de ATP asociada al fotosistema I procede perfectamente bien en las membranas intergranales. Sin embargo, esta diferenciación entre los tipos de cloroplastos, no es enteramente clara. Es probable que las células de la vaina del haz de la mayoría de las plantas C, de hecho sean capaces de completar fotosíntesis del tipo C3.El ciclo C4 es en principio un artificio para aumentar la tasa de fotosíntesis.
c,:
RESUMEN DE LA FOTOSfNTESIS SIGNIFICACIdN PARA LAS PLANTAS QUELA POSEEN. El conocimiento de la fotosíntesis C4 estd lejos de ser completo. Queda
muchoporclarificarsobre plantas. La taxonomía de
la evolución del proceso y su significación para las la fotosíntesis C, es interesante: las plantas C4 se en-
194
METABOLISMO VEGETAL A
B
Figura 7-20. Tinción con colorante fluorescente para localizar la RuBPcasa en el tejido totosint6tico. A. Un pasto C 4 , Digitaria Brown;;, en el que solamente las c6lulas de la vaina del haz son fluorescentes, x 380. B. Un pasto C 3 , Danthonia bipartita, en el cual fluorescen todas las c6lulas fotosint6ticas x 240 (dase P.W. Hattersley, L. Watson y C.B. Osmond, Aust. J. Plant Physiol. 4:523-539 (1977) para los detalles de la t6cnica. Fotografías cedidas gentilmente por el Dr. Hattersley.)
FOTOSfNTESIS
195
cuentran en varios grupos de pastos y ciperáceas tropicales, y en varias familias de dicotiledóneas también se encuentran representantes. Un hecho curioso es que varias familias (y aun ciertos géneros) contienen individuos de tipo C3 y C, . La inferencia es que la fotosíntesis C, ha surgido de manera independiente en varios grupos diferentes de plantas superiores,así que es un desarrollo evolutivo reciente.
METABOLISMO VEGETAL
196
Su significación tiene varios aspectos. Las plantas que poseen fotosíntesis C4 son capaces de alcanzar tasas fotosintéticas muy altasy, a causa de la alta afinidad de la PEP carboxilasa por el COZ y de las reacciones en extremo exotérmicas de síntesis de PEP, son mucho más capaces que las plantas C3 de absorber COZ a partir de concentraciones bajas. Esto quiere decir que pueden mantener altas tasas fotosintéticas cuando sus estomas se encuentran casi cerrados, lo que es una ventaja para las plantas que viven en climas secos y calientes. Las plantas C, no pierden COZ porfotorrespiración, o bien carecen del metabolismo fotorrespiratorio o bien el COZ producido así (en las células de la vaina de los haces que es el sitio primario de la RuBPcasa) es fijado de nuevo por las células del mesófilo, así que no puedeescapar. La mayoría de las malezas agresivas y algunos de los cultivos más productivos son plantas C4. Se pueden encontrar varias listas de plantas C4 en: R.H. Burris y C.C. Black (ed.), COZ Metabolism and Plant Productivity, citado al fin de este capítulo (pigina 205). No obstante, algunas plantas C3 igualan a las C4 en productividad y muchas plantas C, no son competitivas en todas las situaciones. Así C4 no confiere ventajas especiales automáticamente,ni es es queelsíndrome tampoco siempre “más eficiente” o “mejor” que la fotosíntesis C3, como se dice a menudo. De hecho, el punto quizás más importante de la fotosíntesis C4 es que fijar COZ que la es menos eficiente; es decir, usa más energíalumínicapara fotosíntesis C3 Esto quiere decir que las plantas C 4 , la mayoría tropicales o de origen tropical, usan algo del exceso de luz que reciben paraoperarel ciclo C, concentrando COZ en las células de la vaina del haz, donde puede ser fijado por el ciclo C, más rápidamente. En cierto sentido el ciclo C4 es una bomba de presión de COZ. Quema mucho Combustible (la energíautilizada para generar ATP para que actGe la piruvato fosfato dikinasa), pero si hay combustible disponible y es gratuito (luz),su uso dará una ventaja definitiva. La fotosíntesis C4 no es necesariamente una reacción secuencia1 absoluta o invariable. Las plantas se han caracterizado como “formadoras de aspartato” o “formadoras de malato” de acuerdo a su ácido C4, pero algunas de ellas pueden producir cualquiera o ambos de ellos en diferentes grados. Tampoco es preciso que el ciclo C, opere siempre ni es necesario que sea el Único proceso primario de carboxilación; el ciclo C 3 puede seguir fijando COZ e incluso ser el principal sistema de carboxilación bajo las condiciones necesarias (alto COZ, baja iluminación, agua abundante). Las reacciones C, pueden utilizarse bajo ciertascondiciones para almacenar grandes cantidades de ácidos C, , que podrían usarse como fuentes de COZ para la fotosíntesis cuando, debido talvez al cierre de los estomas por deficiencia severa de agua, el COZ de la atmósfera no es utilizable. Se acostumbraba considerar a la fotosíntesis como un mecanismo absoluto, invariable; ahora está claro que no es así. La fotosíntesis C, es simplemente otro ejemplo de la gran variabilidad y adaptabilidad de las plantas a su ambiente. La mayoría de las plantas son capaces de efectuar cierta 0-carboxilación. Las plantas C4 han incrementado este proceso y lo han acoplado con una estructura anatómica que le confiere ventajas definitivas (aunque tal cosa no es invariable) para lograr una utilización de la energía lumínica más eficiente en la concentración de COZ en el lugar donde se necesita: el sitio de reducción del COZ.
.
METABOLISMOACIDO DE LAS CRASULACEAS. Los primeros fisiológos notaron que en ciertas suculentas dela familia Crassulaceae aumentaba marcadamente el conte-
FOTOSfNTESIS
197
nido ácido durante la noche, decreciendo durante el día, Más tarde se encontró que estas plantas absorben C 0 2 en la oscuridad, plero frecuentemente no a la luz. Este esquema general demetabolismo fotosintético se llama metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM); involucra la síntesis de ácido málico por carboxilación durante la noche y el rompimiento de dicho ácido durante el día con liberación de COZparala fotosíntesis. Las plantas CAM songeneralmente suculentas, poseen características xeromórficas (hojas reducidas, cutícula gruesa, estomas hundidos, etc.) y viven en climas áridos. Este tipo de metabolismo les permite efectuar fotosíntesis aun cuando sus estomas están firmemente cerrados durante el día por el calor y la sequedad, usando C 0 2 que absorbieron durante la noche, más fresca y húmeda. Las transformaciones metabólicas del CAM se esquematizanenlaFigura 7-22. Una lista de plantas CAM se encuentra en R.H. Burris y C.C. Black (ed.), COZ Metabolism andPlantProductivity que se cita al final de este capítulo. En la oscuridad, los carbohidratos almacenados se convierten enPEPporla glicólisis, que se carboxila (PEP carboxilasa) dando ácido málico que se almacena en la vacuola. A la luz, el malato se descarboxila (por lo general por la enzima midica, enalgunas plantasporla PEP carboxikinasa) paradar ácido pirúvico y COZ. El COZ se utiliza para la fotosíntesis C3 normal. El ácido pirúvico se puede oxidar hastaCOZaumentandolaprovisiónpara la fotosíntesis, puedeser reconvertido a PEP o PGA y usarse para síntesis de azúcar o se puede reintroducir al ciclo fotosintético. El destino del ácido pirúvico no se conoce con certeza y probablemente sufre todas las reacciones posiblesquesufre este metabolito central. El CAM no es una vía obligatoria. Si los estomas se abren en el día, puede absorberse COZ y fijarse del modo usual. Por otra parte parece que el CAM está firmemente regulado por ritmos diurnos o por autocontrol alostérico de la PEP carboxilasa por el malato, se almacena en la vacuola, no ocurrirá una regulación sinohastaquela concentración del malato se torne tan alta que no pueda entrar más. El CAM essimilar a la fotosíntesis C4 en muchos aspectos, excepto porque la p-carboxilación y la fotosíntesis C3 están separadas en el tiempo, enlugar de estarlo en el espacio. A diferencia de la fotosíntesis C4,el CAM no les confiere altas tasas fotosintéticas a las plantas que lo poseen. De hecho, el CAM esmuy
LUZ
Almid6n
Ácido
I I
4 Ácido pirúvico
.?E?""
málico
Figura 7-22. Esquema CAM. La reacción de carboxilación enla oscuridad es catalizada por la PEP carboxilasa. El malato es descarboxiladopor la enzima mhlica o PEP carboxikinasa. Las vías no comprobadas se muestran con líneas punteadas.
METABOLISMO VEGETAL
198
ineficiente, peropermitequecontinúelafotosíntesisbajocondicionesxéricas extremas. FOTOS~NTESIS DE OTROS COMPUESTOS. En elfuncionamiento de losprocesos metabólicos celulares (tales como el ciclo de Krebs o la glicólisis) se producen muchos compuestos al utilizar como substratos los productos de la fotosíntesis que salen del cloroplasto al estar a la luz. Una proporción considerable de la síntesis proteica, queocurreen las hojas, se efectúa en elcloroplasto y muchos de los aminoácidos que constituyen las proteínas de aquéllas se sintetizan más o menos directamente a partir de carbono recién fijado por la fotosíntesis. Al parecer estos aminoácidos se hacen tanto enelcloroplasto como enelcitoplasmaapartir de carbono que sale del cloroplasto. Parece probable que la mayor proporción de los lípidos de la hoja se forman a partir de glicerol y acetil-COA, derivados más o menos directamente de la fotosíntesis. El glicerol viene probablemente de la reduccióndegliceraldehído fosfato, perolafuente de acetil-COA no se conoce. o por glicólisis Puede venir directamenteporreduccióndelTPP-gliceraldehído del PGA que ha salido del cloroplasto. F O R M A C DE I~N SACAROSA Y ALMIDóN. No todos los productos de la fotosíntesis son utilizables de inmediato por las células. Una buena parte se almacena como almidón en los cloroplastos o en los amiloplastos y por mucho tiempo se reconoció que la formación de almidón era el punto final de la fotosíntesis. Otraalternativade muchas plantas(principalmentemonocotiledóneas) es almacenar los carbohidratos como sacarosa., ya sea en las células fotosinterizadoras o , como en la cañadeazúcar, en las vacuolas de células especiales dealmacenaje del tallo. Al principio se creía que tanto lasacarosa como el almidón se sintetizaban por reacción teniendo a la G-1-P como substrato deuna fosforilasa. G-1-P
G-1-P
+
+
F
GF
fructosa
sacarosa
-G-G-G
+
Pi
+ -G-G-G-G
+
Pi
almidón
Lasíntesisde almidónporestareacciónrequierelaexistencia de una o bien un polímero de la moléculaprecursora o “iniciadora”queseríamaltosa glucosa. En realidad es una reacción de alargamiento de la molécula. En las plantas superiores no se encuentra la sacarosa fosforilasa y el equilibrio de estas reacciones con fosforilasas es tal que se espera que la reacción vaya en dirección de su síntesis. El descubrimientodel sistema de transferenciauridíndifosfatoglucosa (UDPG) de los bioquímicos argentinos L . F . Leloir y C.E. Cardini señaló el camino para llegar a entender la síntesis de los oligosacáridos y polisacáridos por reaccione de transferencia de glucosa. Hay dos vías probables para la síntesis de sacarosa UDPG
+
F
-+
GF
sacarosa
+
UDP uridín difosfato
(1)
199
FOTOSfNTESIS
UDPG
+
F-6-P
+
GF-6-P
-+
UDP
(2)
sacarosa fosfato
GF-6-P
-+
GF
+
Pi
La segunda reacción forma sacarosa fosfato que por hidrólisis da sacarosa. Esta hidrólisis es en extremo exotérmica y por tanto esencialmente irreversible, probablemente es el recurso que permite la acumulación degrandescantidades de sacarosa en ciertas hojas (por ejemplo, remolacha y muchas monocotiledóneas que no hacen almidón normalmente). La UDPG se hace así
UDP
+
ATP
+
UTP
-+
ADP
uridín trifosfato
UTP
+
GIP
--f
UDPG
+
PPI pirofosfato
La hidrólisis del PPi rinde 8 kcal/mol, así que puede acoplarse para hacer que la reacción se dirija con mayor energía haciala síntesis de sacarosa. La síntesis de almidón se lleva a cabo esencialmente por la misma secuencia dereacciones
-G-G-G
+
UDPG
-+
-G-G-G-G
+
UDP
almidón
o por una similar en la que el agente que transfiere al glucosil es la adenosín difosfato de glucosa (ADPG) en lugar de UDPG. Nuevamente, como para la fosforilasa, se requiereunamoléculaprecursora o “iniciadora”. Probablemente elATP requerido para sintetizar UDPG o ADPG se deriva de la fosforilación cíclica de la fotosíntesis. La fácil interconversión de F-6-P G-6-P + G-1-P permite la rápida síntesis de sacarosa y almidón sin que aparezcan hexosas libres. Esto explica el descubrimiento inicial, de que suministrando glucosa 14C a las hojas se obtiene rápidamente hexosas, perola obtención almidón y sacarosamarcadosigualmenteenambas de fructosa marcadalibrees lenta. Igualmente, esto soluciona el problemaque encararon los fisiólogosqueiniciaron estos estudiosal tratar de contestar la pregunta ‘‘¿qué azúcar (o almidón) es el primer producto de la fotosíntesis?”. Ahora lo más probable parece ser que las hexosas libres encontradas en pequeña cantidad en la mayoría de los tejidos fotosintéticos provengan de la hidrólisis del almidón o de la sacarosay no sean sus precursores. Una reflexión interesante sobre las dificultades de la bioquímica vegetal es que aunque se sabe bien que el cloroplasto es el sitio donde se forma el almidón, el sitio donde se sintetiza la sacarosa no se conoce con certeza. Esto es particularmentesorprendenteporquelasacarosa esun producto bioquímico (caña de azúcar, remolacha) de máxima importancia y eslaformaenque el carbono se transporta en las plantas. Aunque loscloroplastos de las plantas superiores pueden fotosintetizar aislados, con tanta efectividad como enlas hojas, si sepreparan cuidadosamente, parece que son incapaces de hacer sacarosa. Los experimentos, en los que se les suministra l 4 COZ a las hojas y los cloroplastos se aislan en sol-
200
METABOLISMO VEGETAL
ventes no acuosos (paraimpedirquesalga la sacarosaquees muy soluble en agua), sugieren que la sacarosa se elabora en la membrana del cloroplasto o en su exterior. Las hexosas y la sacarosa parecen no ser capaces de pasar la membrana del cloroplasto con facilidad, perolas triosas y otros compuestosde bajo peso molecular penetran sindificultad. Existen dosposibilidadesprincipales: o bienlasacarosa o sacarosafosfato se elabora en los cloroplastos y se exporta rápidamentepor un mecanismode transporte activo (que podría desfosforilar a la sacarosa fosfato en la membrana del cloroplasto), o bien se elabora en el citoplasma adyacente a los cloroplastos a partir de triosafosfatos, para quienes la membrana del cloroplasto esmuy permeable. Las triosafosfatos puedenreconvertirse fácilmente porglicólisisinversa a las hexosafosfatos, precursores en la síntesis de la sacarosa. La respuesta a este problema tan interesante e importante tendrá queaguardar a que se descubran mejores técnicas biológicas o bioquímicas.
FACTORES QUE AFECTAN LA FOTOSÍNTESIS
La fotosíntesis no requiere tener riguroso control interno de la tasa de las reacciones, como sucede con la respiración. De hecho, es una ventaja obvia para la planta que la fotosíntesis sea intensa cuando las condiciones son las correctas. Evidentemente las plantas deben ajustar su eficiencia integral a la máxima intensidad lumínica con que generalmentecuentan. Las plantas queviven a la sombra necesitan un sistema colector de luz de alta eficiencia porque deben desarrollar tasas defijación de COZ máximas con bajasintensidades lumínicas. Las hojas situadasenlugares descubiertos requieren “trampas” de luz mucho menos eficientes, de otro modo absorberían excesiva energía lumínica y , consecuentemente, se calentarían mucho. Este control no está dado por ajustes bioquímicos sino por el esquema integral de desarrollo de la planta. La tasa de fotosíntesis también se relaciona con su condición fisológica, la situación bajo la cual creció, su estatus nutricional, factores genéticos, el estado de sus estomas, etcétera. Finalmente, diversosprocesossecundarios -la carboxilación, el ciclo Cq, el C A M , la vía glicolítica, así como la respiración en la oscuridad- inciden en el proceso fotosintético.La fotosíntesis neta o asimilación neta del COZ esuna resultante de la tasa de fijación fotosintética de C02 integral o total y la pérdida de COZ por fotorrespiración y otras vías respiratorias. Cada uno de estos sistemas metabólicos puede reaccionar con todos los otros factores internos o externos de diferentes maneras. Por esta razón en el Capítulo 15 se considerará la fotosíntesis en el contexto del metabolismo nutricional de la planta como un todo, y en sus relaciones con otras transformaciones metabólicas del carbono. Ciertos factores específicos que afectan al proceso fotosintético se mencionarán aquí brevemente. TEMPERATURA.Se mencionaron anteriormente lasobservaciones de Blackman sobre las interrelaciones de la intensidad lumínica y la temperatura. Este encontró queaunquela absorción y la reacción lumínica no se afectan demasiado,las reacciones enzimáticas u oscuras dependen estrechamente de la temperatura. En
FOTOSfNTESIS
201
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Inhibición reversible
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Figura 7-23. Efectos inhibitorios del oxígeno sobre la fotosíntesis (Datos de W.B. Bidwell.)
Levin y R.G.S.
el ramo fisiológico entre 5 y 25-30°C la fotosíntesis tiene generalmente un Qlo aproximado de 2,como sería de esperarse. Ciertos organismospueden continuar fijando COZentemperaturasmuy extremas: algunas coníferas a -2OOC y lasalgas que vivenen manantiales calientes a más de 5OOC; pero en la mayoría de las plantas la fotosíntesis cesa o declina rápidamente más allá de los límites fisiológicos mencionados anteriormente. Muchos de los primeros experimentos sobre fotosíntesis se dirigieron a determinar las condiciones óptimas para tener tasas máximas, pero los resultados obtenidos eran conflictivos y difíciles de evaluar. Ello se debe a que, como se estudió, la fotosíntesis esun proceso en extremo complejo y elóptimo paraun factor cualquiera es muy afectado por los nivelesdelos otros factores. Así, los efectos de la concentración de COZ, temperatura y luz sobre la fotosíntesis se relacionan todos entre sí y a suvez todos ellos dependenen mayor o menor grado de diversas características fisiológicas y anatómicas de la planta. De hecho, bajo condiciones de campo la temperatura no influye mucho en la tasa fotosintética, enun rango de 16 a 29'C a menos que la intensidad lumínica sea suficientemente alta como para que las reacciones oscuras sean limitantes. OX~GENO. El oxígeno influye mucho en la fotosíntesis de diversos modos. Algunos transportadores de electrones de la fotosíntesis pueden transferir electrones al oxígeno, en particular la ferredoxina parece ser sensitiva al Oz .Con luz brillante, mucho oxígeno causaundañoirreversible al sistema fotosintético probablemente por oxidación de los pigmentos. Los carotenos en los cloroplastos protegen a las clorofilas del daño por solarización, como se denomina. La reacción de la RuBPcasa (oxigenasa) provee el sitio más importante para el efecto del O2 sobre la fotosíntesis. Todas las concentraciones de oxígeno in-
202
METABOLISMO VEGETAL
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CO, puntos de compensación
Maíz,200 f t - c
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Concentracion. ppm
Figura 7-24. Efecto de la concentraci6n de COZ enla fotosíntesisde una hoja C3 (frijol, Phaseolus vulgaris) y de unahoja C4 (maíz, Zea mays). (Datos de R.G.S. Bidwell.)
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2000
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Punto compensación de Intensidad luminica, ft-c de la luz
Figura 7-25. Efecto de la intensidad lumínica enla fotosintesisde una hoja C3 (frijol, Phaseoh vulgaris) y de una hoja C4 (malz, Zea mays). (Datos de R.G.S. Bidwell.)
FOTOSfNTESIS
203
hiben la fotosíntesis delas plantas C3 demanera competitiva y reversible; con alto O2 (80%o más) ocurre también una inhibición irreversible. Las plantas C4 no liberanCOZen la fotorrespiración (ya sea porque no fotorrespiran o porque el COZ fotorrespirado es reabsorbido por el ciclo C 4 ) y su fotosíntesis no se afecta por el O2 sino hasta alcanzar concentraciones muy altas que causan daño irreversible al sistema fotosintético. Una comparación entre los efectos del oxígeno en plantas C3 y C4 se muestra en la Figura 7-23. DIdxIDo DE CARBONO. Bajo condiciones de campo, la Concentración del dióxido de carbono es con frecuencia el factor limitante de la fotosíntesis. La concentración de 0.033% (330ppm) en la atmósfera está muy por debajo de la saturación con COZ para la mayoría delas plantas; algunas recién se saturan cuando alcanzan concentraciones de 10 a 100 veces mayores. Las curvas características de saturación con dióxido de carbono se ven en la Figura 7-24. Evidentemente la fotosíntesis es muy afectada por las bajas concentraciones de dióxido de carbono pero se relaciona más estrechamente con la intensidad lumínica en altas concentraciones. En concentraciones reducidas de dióxido de carbono las transformaciones del carbono pueden cambiar notablemente: seha notado una producción de glicolato mucho más alta en bajas concentraciones de dióxido de carbono debido al aumento relativo del nivel de 02. Conforme se reduce la concentración de COZ desciende la tasa fotosintética hasta que iguala exactamente a la tasa de fotorrespiración, En las plantas C, esto ocurre enuna concentración deCOZde 50 ppm. La concentración deCOZ a la que se iguala la absorción y liberación de dicho compuesto se denomina el punto de compensación de C02 (abreviado r). El punto de compensación de C 0 2 en las plantas C4 que no liberan COZ en la fotorrespiración es generalmente muy bajo, de 2 a 5 ppm de COZ. Las curvas características de COZ para las plantas C, y C4 se muestran en la Figura 7-24.
Luz. Como se podría esperar de un proceso que depende de la luz, la intensidad de ella afecta directamente la tasa de la fotosíntesis. Las gráficas de la Figura 7-25 muestran las curvas lumínicas características para hojas C3 y C4. En ellas se ve que la fotosíntesis se satura bruscamente a la intensidad en la que las reacciones oscuras se tornan limitantes, como se advierte por el hecho de que una concentración alta de COZ permite un nivel de saturación lumínica superior al que se tiene con poco COZ. El punto, en el otro extremo en la gráfica, donde se igualan fotosíntesis y respiración y ya no hay intercambio neto de gases, se llamael punto de compensación lumínico. En general este punto es mucho más bajo en las plantas de sombra que en las de sol; por lo general cae en el rango de 20-100 bujías-pie. La calidad de la luz también afecta a la fotosíntesis. Hemos dicho que la luz rojo lejano es ineficiente por sí mismaenla fotosíntesis y requiere luz adicional de longitud de onda más corta para utilizarse con eficiencia. También se dijo que si la luz roja se suplementa con una fuente relativamente débil de luz azul, la tasa fotosintética puede aumentarse notablemente y los productos de fotosíntesis pueden ser afectados. El fisiólogo ruso A. Nichiporovitch observó que la producción de proteína se estimula con la luz azul y la de carbohidrato con la roja. Se ha sugerido que las enzimas ligadas a la flavina pueden activarse con la absorción de luzazul por medio de sus cofactores flavínicos de color amarillo, activándose entonces la síntesis de ciertos aminoácidos.
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METABOLISMO VEGETAL
LA E V O L U C I ~ NDE LA FOTOSÍNTESIS No sepuede decir con certeza cómo evolucionó la fotosíntesis, peroes posible deducirlo siguiendo las ideas expuestas por Oparin y por Haldane. El resultado de tal especulación es útil porque sitúa los procesos básicos de la fotosíntesis en una nueva perspectiva. Se puedeimaginar a losprimerosorganismos, viviendoen una “sopa química” orgánica, constituida por compuestos formados anteriormente como resultado dela irradiación con luz ultravioleta y descargas eléctricas sobre una atmósfera rica en carbono y nitrógeno, ambos en estado de reducción. Estos organismos primitivos vivían en un medio acuoso con una atmósfera en estado de intensa reducción, rodeados por todas las sustancias necesarias para su desarrollo. Las reacciones sintéticas requerirían tan sólo la absorción de los substratos necesarios, y la energía para la síntesis podría derivarse del rompimiento de compuestos muy reducidos en reacciones acopladas. Sin embargo, la provisión de los intermediariosrequeridospudollegar a agotarseal poco tiempo, formándose entonces sistemas enzimáticos que utilizaban una parte de la energía presente en substratos no requeridos para la síntesis de intermediarios necesarios. En el proceso habría evolucionado un mecanismo de transporte de electrones para extraer la energía de los substratos y sintetizar los intermediarios de alta energía. Eventualmente laprovisiónde electrones de alta energía se tomaría muy electrones de baja energía; en baja y se haría necesaria algunamaneradeusar otras palabras, de adicionar ésta alsistema.Lasenzimas del transporte de electrones, por su propia naturaleza, deben absorber luz y es de suponerse que el paso siguiente fuese el desarrollo de una de ellas capaz no solamente de transferir electrones, sino de utilizar la luz para promoverlosa un nivel energético superior. Esto daría como resultado un sistema fotosintético similar al dealgunas bacterias fotosintéticas que utilizan electrones de donadores de energía intermediaelevándolos a un alto nivel energético porla absorción de la luz, paralas reacciones de síntesis. La evolución desde la fotosíntesis bacteriana hasta la fotosíntesis de las plantas superiores requirió solamente un paso más: la cooperación de dos reacciones de absorción de luz, acopladas por medio de la cadena de transporte de electrones de modo que los electrones de un donador universal, el agua, pudieran ser utilizados. En esta forma el sistema fotosintético queda liberado de cualquier necesidad de electrones reducidos del medio externo. Por lo tanto, es probable que las reacciones de carboxílación y la síntesis de productos orgánicos a partir del dióxido de carbono hayan aparecido muyal principio de la evolución de los organismos, y la utilización de la energía lumínica paraalgunamanerade síntesis primitiva puede muy bien ser un desarrollo muy antiguo. Sin embargo, es probable que laevolución de la fotosíntesis tal como ocurre enlas plantas superiores sea comparativamente reciente, por lo que es probable que la adición de oxígeno a la atmósfera también lo sea. Se hasugeridoquedurante el carbonífero, cuandoel desarrollo de las plantas excedió aldecualquier otraépoca, la atmósfera terrestre contenía 5% de dióxido de carbono y solamente 5% de oxígeno. Esto, junto con el calor y la alta humedadprevalecientes enese periodo, representanlas condiciones ideales para el desarrollo vegetal. Las plantas de esa época nos proveen de carbón, de piedra y petróleo: Pero quizás nos dan también una lección: utilizaron sus recursos naturales (COZ) parauna proliferación y desarrollo desalvajeextravagancia y
FOTOSfNTESIS
205
contaminaron el ambiente con los desechos de su metabolismo (O, ). ¡Ni la ecología ambiental de la Tierra niel Reino Vegetal llegaron jamás a recobrarse de ello!
LECTURAS ADICIONALES Artfculos sobre fotosintesis, fotorrespiración y estructura y función del cloroplasto en Annual Reviews of Plant Physiology y Annual Review of Biochemistry. Bassham, J.A.y M. Calvin: The Path of Carbon in Photosynthesis. Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, N.J. 1957. Burris, R.H. y C.C. Black (ed.): COZ Metabolism and Plant Productivity. University Park Press, Baltimore, Md. 1976. Calvin, M. y J.A. Bassham: The Photosynthesis of Carbon Compounds. W.A. Benjamin, Inc. Nueva York. 1962. Energy Conversion by the Photosynthetic Apparatus. Brookhaven Symposia in Biology, No. 19, 1967. Gibbs, M. (ed.): Structura and Function of Chloroplasts. Springer-Verlag, Nueva York. 1971. Govindjee (ed.): Bioenergetics of Photosynthesis. Academic Press, Nueva York. 1975. Gregory, R.R.P.F.: Biochemistry of Photosynthesis. John Wiley & Sons Ltd. Londres, 1971. Hatch, M.D., C.B. Osmond y R.O. Slatyer (ed.): Photosynthesis and Photorespiration. John Wdey & Sons Ltd. Londres. 1971.
Capítulo 8
METABOLISMO DEL NITRóGENO
FIJACIdN DEL NITRdGENO !Aunque la atmósfera de la tierra tiene un 80% de nitrógeno, este elemento se encuentra a menudoencantidadesreducidasenlosorganismos, particularmente enlas plantas, porque sólo ciertos microorganismossoncapacesdeasimilarel nitrógeno molecular convirtiéndolo en formas utilizables por ellas: fie estos microorganismos hay cuatro tipos principales: microorganismos simbióticos, que viven enlas raíces de ciertas plantas; ciertas' bacterias delsuelode vida libre heterofotosintéticas verde-azul,f'La trófica; bacterias fotosintéticas, y algunasalgas importancia de lafijación de nitrógeno no puedeser sobrestimada: lamayor parte del nitrógeno orgánico que hay sobre la tierra proviene de este proceso. Se hasugeridouna cifra de 100,000,000 de toneladas por año. En Norteambrica el nitrógeno fijado probablemente excede por un factor de 3 6 4 a la cantidad aplicada como fertilizante. Además de que el valor en el mercado del nitrógeno fijado (como leguminosa) es de 3 mil millones de dólares poraño, en Estados Unidos este proceso (a diferencia de la fabricación comercial de fertilizante) no es contaminante. Es tan importante la fijación del nitrógeno que en la actualidad se dedica mucho esfuerzo eninvestigar cómo aumentar la eficiencia y las tasas de dicho proceso en cultivosque tienen esa capacidad, como lasleguminosas.Además, algunos científicos están experimentando para producir, por selección y modificación genética, nuevas asociaciones simbióticas para que los cultivos importantes como cereales, que ahora no fijan nitrógeno, sean capaces de hacerlo. Si se tuviera maíz o trigo fijador de nitrógeno, el ahorro que se tendría en costo y esfuerzo al no fertilizar con el elemento sería inestimable. La primera indicación de que las plantas pueden fijar el nitrógeno del aire se obtuvo en 1833 por Boussingault, quien demostró que' las leguminosas pueden aumentar el contenido de nitrógeno del suelo En 1886 los fisiólogos alemanes H.Hellriegel y H.Wilfarth demostraron quglas bactepas que viven en los nódulos de las leguminosas eranlas responsables del proceso: fas plantas sin nódulos o que crecían en suelo esterilizado eran incapaces de fijar nitrógeno y no podían desarrollarse en un suelo deficiente de este elemento: %as leguminosas son el grupo principal de plantas que fijan nitrógeno simbióticaplantas mente siendo el simbionte una bacteria del género Rhizobiourn":iertas FIJACIdN SIMBIdTrCA DEL NITR6GENO.
\ I
208
METABOLISMO VEGETAL
no leguminosas tambiéntienen nódulos con microorganismos que pueden fijar nitrógeno. Por ejemplo: el aliso (Alnus spp.), el mirto de pantano (Myrica gale) y el Hippophae rhamnoides. Los simbiontesque se encuentran en 10s nódulos de estas plantas probablemente no son bacterias sino Actinomycetes. Algunas algas verde-azul que fijan nitrógeno se asocian simbióticamente con las plantas superiores incluyendo al helecho acuático Azolla, algunas herbáceas tropicales y algunas especies de cicadáceas (una conífera primitiva). En esta última, una especie de Anabaena invadelas raíces de la planta que entonces invierte su polaridad geotrópica y crece para arriba,hacia la superficiedel suelo dondeelsimbiontefijadordenitrógeno puede llevar a cabo su fotosíntesis (ver también el Capítulo 27, página 683). El proceso de nodulación es muy interesante y se ha estudiado mucho. Al parecer, el primer paso es la producción por la raíz de una sustancia que parece contenerhormonasinduciendoa los pelos radicales a encorvarse tomando una forma retorcida. Es muy posible que en la invaginación y destrucción parcial de la pared celular del pelo radical tomen parte enzimas extracelulares producidas por la bacteria. Ésta invade al pelo radical y se mueve en el interior de la corteza formando una estructurafilamentosaconsistenteen un material mucilaginoso del que va embebidalabacteria. Las células corticales sedividen estimuladas por el filamento infeccioso y de estas divisiones se forman células poliploides. Por lo general hay también algunas células tetraploides en lacorteza de cualquierraíz diploide normal. La estructura del nódulo se forma por divisiones repetidas de las células poliploides. Las bacterias que infectan a las células del nódulo aumentan mucho en tamaño y en diversidad de forma y cesan de dividirse. Los bacteroides, comoahora se denominan, casi llegan a llenar las células infectadas.El nhdulo crece por división de las células hospederas y llega a estar bien provisto de tejido vascular. En la Figura 8-1 se muestran diagramas que ilustran el proceso de infección; laapariencia típica de una leguminosa bien nodulada se presenta en la Figura 8-2. El Rhizobium es específico, al menos, para el género de la leguminosa (se reconocen seis grupos diferentes). Para que la nodulación tenga éxito se necesita una fuerteinoculación de la bacteria. Los granjeros que practican la rotación de cultivos generalmente incluyen una leguminosa para mantener la fertilidad del suelo,y es prácticacomúninocularala semilla o alsuelo, al sembrar o poco después, con un cultivo del Rhizobium apropiado para asegurar el máximo beneficio de un cultivo fijador de nitrógeno. La nodulación y la fijación del nitrógeno son afectadas por el estatus de la planta respecto al elemento: es necesario que haya un nivel mínimo de nitrógeno en el suelo en lagerminación para asegurar que las plantas sean vigorosas; de ahí en adelante la cantidad de nitrógeno fijado es inversamente proporcional a la cantidad de nitrógeno fijado utilizable. Un nivel apropiado de nutricibn de carbohidratos, y por lo tanto de fotosíntesis, se necesita también para una fijación efectiva de nitrógeno ya que la energía para hacerlo se deriva de la respiración de los carbohidratos. El nitrógeno fijado en los nódulos se convierteenaminoácidorápidamente,proceso que requiereesqueletos de carbono que vienen de la actividad respiratoria. El nitrógeno orgánico se transfiere a la planta hospedera por el xilema, en principio en forma de asparagina en las leguminosas o de citrulina en el aliso. Desde hace mucho tiempo se encontró que los nódulos efectivos contenían un pigmento rojizo llamado leghemoglobina, que es similar a la hemoglobina de los mamíferos. Este pigmento parece funcionar como un transportador de oxíge-
209
..-.-. ..
E
Figura 8-1. Iniciaci6n y estructura de los n6dulos en el chícharo. A. Aglomeraci6n de Rhizobia alrededor del pelo radical. B. El pelo radical se encorva. C. Rhizobia infecta al pelo radical y semueve a travdsde 61 y de la corteza interna hasta que penetra en una dlula tetraploide. Esto estimula la actividad meristemltica. D. Se distingue una regi6n central infectaday un meristem0 apical. E. Corte longitudinal a traves del m6dulo mostrando la regi6n central infectada, el meristemo apical y la endodermis del nódulo. Clave: m a . , meristemoapical; c., corteza; ep.epidermis; r.i., regióninfectada; f.¡., filamento de infección; e.n., endodermis del nóduio; r.p., raíz primaria; p.r., pelo radical; t., célula tetraploide; xi., xilema. (De W.D.P. Stewart: Nitrogen Fixation in Plants. Atholone Press. Londres, 1966. Con permiso.)
B
Figura 8-2. Apariencia típica de raíces noduladas de ( A )soja y (B) trebol. (De W.D.P. Stewart: Nitrogen Fixation in Plants. Athlone Press, Londres. 1966. Usado con permiso.)
ITROGEN0METABOLISMO DEL
211
no en el proceso de fijación del nitrógeno en los nódulos. Probablemente es importante en el metabolismo oxidativo queproveela energía necesariaparala fijación del nitrógeno, pero también podría funcionar protegiendo de los efectos del oxígeno atmosférico a la enzima fijadora de nitrógeno que es sensible al oxígeno. Nose encuentra en los fijadores de nitrógeno libres y parece ser un factor ventajoso más que esencial para la actividad de los nódulos. FIJACIdN NO SIMBIdTICA DELNITRóGENO. El nitrógeno se fija en los microoranismos de vida libre de dos manerasimportantes: como una reducción fotosintética del nitrógeno porlas bacterias fotosintéticas o lasalgasverde-azul, y como un proceso no fotosintético que ocurre en ciertos microorganismos del suelo. Las algas fotosintéticas Anabaena y Nostoc pueden fijar el nitrógeno por una reacción esencialmente similar a la utilizada para fijar el dióxido de carbono.? 'rDiversas bacterias sulfurosas verde o púrpura, así como bacterias fotósintéticas no sulfurosas (por ejemploRhodospirilZum,Rhodopseudomonas,Chlorobium, Chromatiurn), también pueden fijar nitrógeno usando energía lumínica. Estos organismos no derivan electrones del agua como lasalgas verde-azul, sino de un donador de electrones reducido como los sulfitos, los sulfuros, el hidrógeno o compuestos orgánicos (ver Capítulo 7 , página 203). Muchos de estos organismos parecen ser además capaces de fijar nitrógeno en la oscuridadcuando se les provee de donadores de electrones apropiados en estado de reducción, de modo semejante a la fijación del nitrógeno pur bacterias no fotosintéticas como Azotobacter o Clostridium pasteuriunum. La fijación de nitrógeno enlasformas fotosintéticas responde a la luz, mientras que en las no fotosintéticas se necesita un suministro de carbohidratos u otros compuestos orgánicos que provean el poder reductor para generar el ATP requerido'w La fijación del nitrógeno se inhibe por el oxígeno, el hidrógeno y ciertos intoxicantes como el CO. En general la presencia de compuestos orgánicos nitrogenados o de NH3 reduce fuertemente la fijación de nitrógeno molecular. 6
MECANISMODE LAFIJACIdN NITROGENADA. Durantemucho tiempo nohubo progreso en el conocimiento del mecanismo de la fijación del nitrógeno o de los intermediarios del proceso, porque resultó muy difícil obtener extractos libres de células que fijaran nitrógeno. Entre las décadas de 1950 a 1960,J.E. Carnahan y su grupo, en los laboratorios de la Du Pont, aislaron los dos sistemas enzimáticos de C. pasteuriunum y recién entonces se llegó a entender con claridad el proceso. Ha sido difícil encontrar los intermediarios nitrogenados porque están totalmente adheridos a las enzimas sin que se encuentren libres enlascélulas y porque no existe un isótopo radioactivo satisfactorio del nitrógeno. El isótopo estable 15N ha dado cierta información valiosa pero las técnicas de ensayo son complejas y menos sensitivas que las de otros isótopos radioactivos. Las transformaciones y mecanismosdela fijación del nitrógeno ún no están totalmente entendidas. El amoníaco parece ser el producto final. Puede verseen la Figura 8-3 qu2 los cultivos de Azotobacter utilizan el NH3 de inmediato cuando se les suministra, pero tardan bastante tiempo en utilizar el nitrato (NO3-). %to sugiere que el NH3 es un compuesto nitrogenado que ocurre naturalmente, en tanto que el organismo tiene que adaptarse para poder utilizar nitratos. Cuando se suministra "Nz, el 15NH3 tiene el contenido más alto del isótopo, mayor que en la glutamina, la asparagina o los aminoácidos.+'
9
212
METABOLISMO VEGETAL
Nitrógeno amónico
06-
20 min
40
Figura 8-3. Absorci6n de nitr6geno marcado l 5 N, am6nico o nítrico por Azotobacter vinelandii. (DeW.D.P. / A "Stewart: Nitrogen Fixation in Plants. 60 80 100 120 Athlone Press. Londres. 1966. Con Tiempo, permiso.)
La conversión de Nz a NH3 requiere la adición de seis electrones y seis iones hidrógeno por molécula de Nz reducido. Esto se lleva a cabo por la transferencia del poder de reducción en la enzima nitrogenasa que cataliza la reacción. La fueno la fotosíntesis te de electrones puede ser la transferencia respiratoria de éstos en los fijadoresdenitrógeno autótrofos o elfraccionamientofosforoclástico (inserción de una molécula de fosfato) del piruvato.
piruvato
+
Pi
+
Acetil-P
+
COZ
+
2H'
+
2e-
La transferencia de electrones a la nitrogenasa en las plantas superiores no se entiende claramente, pero se piensa que es por medio del NADH y la ferrodoxina, una enzima con hierro no-heme que también funciona en el transporte de electrones de la fotosíntesis'(ver Capítulo 7). En varios microorganismos se conocen otros donadores de electrones, y se puede hacer funcionar a las preparaciones de enzimas aisladas con varios sistemas artificiales de donadores. El NADPH podría estar involucrado en la fijación fotosintética del nitrógeno. La conversión,propiamentedicha, del N, al NH3 tiene lugar en la superficie de la nitrogenasa, un complejo enzimático que parece contener molibdeno y hierro en su sitioactivo.Pareceque el N, se liga aambosmetales en el sitio activo y luego se reduce a NH3 según la secuencia.
hidrazina diimida
METABOLISMO
NITROGEN0
213
H+
\
N-
1
N
/
H+
I
vFe
" M 0
Figura 8-4. Sitio hipot6tico de reacción de la nitrogenasa. El sitio activo estáen unahendidura delasuperficiedela enzima, así quesolamente pequeñas mol6culas pueden tener acceso a 61. El espacio entre los átomos longitud cambiante entre de Mo y Fe es variable y acomoda alenlacede los dos átomos de nitrógeno cuando se reducen. Los electrones pueden adicionarsesimples o enpares. (Adaptado de R.C. Burns y R.W.F. Hardy: Nitrogen Fixation in Bacteria and Higher Plants. Springer-Verlag,Nueva York, 1975.)
Figura 8-5. Esquema del metabolismo asociado con ción del nitrbgeno. Fotoslntesis
la fija-
~Carbohidratos
/
Glic6lisis
Aminoácidos
214
METABOLISMO VEGETAL Fotoslntesis
Carbohidratos
Respiraci6n
I
t
J
NADH or NADPH
NO~--"-NO~-NH~Nitrato reductasa
Siroheme de> a ferredoxiiia
Nitrito reductasa
f
,Aminoácidos
Figura 8-6. Un esquema general del metabolismo asociado con la reduccibn del nitrógeno.
Estos intermediarios no se encuentran libres, pues son lábiles y extremadamente tóxicos, sino adheridos al complejo enzimático. Por razones que no están claras, la reacción de reducción requiere la hidrólisis del ATP; el ATP requerido es generado por el metabolismo oxidativo (por ejemplo, por oxidación del piruvato en el ciclo de Krebs). Esto ocurre en los tejidos de los nódulos. La transferencia de O2 puede ser facilitada por la leghemoglobina. Un modelo hipotético del sitio activo se presenta en la Figura 8-4 y un esquema generalizado de las reacciones de fijación del nitrógeno se da en la Figura 8-5. La nitrogenasa es capaz de utilizar otros substratos que contengan enlaces N 2 0 , nitrilostales como HC=N o trip S además del N2 (N-N),incluyendoal C 3-C-N, y alkinos como acetileno(CH-CH) que se reduce a etileno (CH2 =CH2 ). Esta última reacción provee de una magnífica prueba de campo y laboratorio de la reducción del N2 . La medición directa de la reducción del N2 es imposible. La utilización de "N (que es la prueba final de que el N2 se ha reducido) es una técnica cara y dificultosa que requiere el uso de un espectrómetro de masa y no se adaptaconfacilidad para usarse en elcampo.Perolareducción del acetileno se mide fácilmente y con gran sensibilidad porque el etileno puede detectarse por bioensayos (Capítulo 23) o por la cromatografía de gases. Esto permite un rápido análisis tanto en el campo como en el laboratorio lo que es un desarrollo importante en la inacabable búsqueda de sistemas de cultivo más productivos. Un punto importante que se pone de manifiesto en la Figura 8-6 es la relación entre la demanda de fotosintetizado y la fijación del nitrógeno. Si la planta fija mucho nitrógenolefaltarácarbohidrato para su crecimiento y el resultado será igual que si le faltase nitrógeno: quedará desmedrada. Esto enfatiza la importancia de un balancebien regulado entre fotosíntesis, crecimiento y fijación de nitrógeno.
8
REDUCCIóN DEL NITRATO MECANISMODE REDUCCIdN DEL NITRATO. El NH3 producido por la fijación nitrógeno o por la fertilización se convierte rápidamente en nitrato por la acción
del
METABOLISMO DEL NITROGEN0
215
de las bacterias del suelo, a s í que la mayor parte del nitrógeno útil para la planta está en forma muy oxidada de ion nitrato (NO,-). Dado que casi todos los compuestos orgánicos nitrogenados contienen o se constituyen por nitrógeno completamente reducido (NH,), la planta debe reducir los nitratos para poderlos utilizar enlas síntesis orgánicas. Como sucede en la fijacion del nitrógeno, el estudio de los intermediarios de la reducción del mismo ha sido difícil por la dificultad en aislar las enzimas de las hojas y por la naturalezatóxica de los estadosintermedios. Para convertir NO3- a NH3- se deben adicionar ocho electrones por molécula. Se sugirieron muchos compuestos intermediarios posibles y la serie más probable es la siguiente
NO,nitrato
+
NO2nitrito
-f
N 2 0 z* hiponitrito
+
NH20H hidroxilamina
+
NH, amoníaco
en la que cada paso se lleva a cabo transfiriéndose dos electrones. No obstante, solamente se requieren dos enzimas para efectuar esta reducción. La primera es la nitrato reductasa, que cataliza la conversión de nitrato a nitrito (NO,-). Luego el nitrito se reduce hasta dar amoníaco por la nitrito reductasa sin que aparezca (o se libere) ningún intermediario identificable. Sobre la nitrato reductasa se tienen muchos datos. La reducción de nitrato se efectfia a expensas de la oxidación del NADH y del NADPH,acoplados a la reductasa por el FAD, una enzima con molibdeno.
Sobre la nitrito reductasa se conoce menos. La enzima parece ligarse con la ferredoxina en ciertos tejidos pero en las raíces algo de la reducción se produce a expensas del FMN. El metal funcional es probablemente hierro. Recientemente se aisló a partir deplantas y de bacterias una porfirina con hierro denominada siroheme. Este agente transportador de electrones es capaz de mediar toda la reacción de la nitrito reductasa desde NO2- hasta NH, . Ademásdela nitrito reductasa que convierte al NO2- hasta NH3 , sehan descrito en algunas plantas reductasas que reducen el óxido nítrico (NO) o a la hidroxilamina (NH20H). Pero la asociación de estas enzimascon las transformaciones normales de la reducción de los nitratos no ha sido demostrada. Estos intermediarios son tan tóxicos que no es probable que se encuentren libres en la célula como componentes de una vía metabólica importante. LAREDUCCrdN DEL NITRATO Y EL METABOLISMO. (Ver Figura 8-6). La energía y el poder reductor para la reducción de los nitratos debe derivarse del metabolismo fotosintético o del oxidativo, frecuentemente por respiración de los carbohidratos. Además,cuando se reducengrandescantidadesde nitratos el amoníaco resultante debe combinarse rápidamente con esqueletos de carbono para formar compuestos orgánicos nitrogenados, de otro modo se acumularían cantidades tóxicas de amoníaco. Así, la acumulación masivade nitrato puedesobrecargar
216
METABOLISMO VEGETAL
demasiado la capacidad fotosintética y las reservas de carbohidratos de la planta, dando como resultado un crecimientovegetativo excesivo o desmedrado. La reducción del nitrato es fuertemente estimulada por la luz. Las enzimas reductoras a menudo se han encontrado ligadas al NADPH. Pero, aunque se cree que la nitrito reductasa se localiza en los cloroplastos, se sabe que la nitrato reductasa está presente en el citoplasma. En muchas plantas el COZ y el nitrato compiten por el poder reductor, particularmente a intensidades lumínicas limitantes. En altas intensidades lumínicas es muy probable que la adición de nitrato a una célula u hoja en fotosíntesis aumente la evolución de oxígeno. Todas estas evidencias indican que la energía de reducción generada en la fotosíntesis se utiliza directamente para reducir los nitratos y nitritos. Esto no siempre es preciso pues muchas plantas reducen nitratos en la raíz y muchos organismos no fotosintéticospueden reducir nitratosynitritos. Además, esas reducciones pueden ocurrir en la oscuridad en los organismos fotosintéticos. En algunos organismos se encontró que la reducción fotosintética del nitrato no selleva acabo en ausencia de COZ. Esto sugiere la necesidad de un metabolismode los carbohidratosconcomitante,auncuando todo o parte del poder reductor se derive directamente del NADPH o de la ferredoxina reducidos en la fotosíntesis. Es posible que la reducción de los nitratos y nitritos requiera ATP, que podría derivarse de la respiración, además de requerir nucleótidos de piridina reducidos. Hay evidencias que indican que la reducción de los nitratos puede ser muy estimuladapor la luz azul. Los pigmentos de flavina absorben luz azul y es posible que las flavinas se reduzcan fotoquímicamente, o que las enzimas flavoproteínas necesiten activarse por la luz para su máxima eficiencia operativa. La nitrato reductasa es fuertemente inducida por la luz, por la presencia de nitrato y, en algunas plantas, por ciertas hormonas como el ácido giberélico y las citocininas. A diferencia de muchas enzimas, las que median la reducción de nitratos y nitritos no parecen inhibirse por su producto final, el NH3 . Por otra parte el aumento de NH3 en las células reduce la actividad de la nitrato reductasa porque inhibe la producción de NADPH o NADH. Un esquema que resume el proceso de reducción del nitrato se presenta en la Figura 8-6, remarcando las posibles relaciones entre la fotosíntesis, la respiración y la reducción del nitrato.
ABSORCIdN DE NITRdGENO POR LA PLANTA
Las plantas absorben nitrógeno en cuatro formas importantes: como nitrato, en formaamónica,comocompuesto orgánico (por ejemplo,aminoácido)ycomo urea. El nitrato es la forma más abundante de nitrógeno utilizable y la fuente más importante para ellas. El amoníaco es a veces relativamente abundante, por ejemplo, donde está ocurriendo fijación de nitrógeno o en suelos húmedos anaerobios. Sin embargo, el amoníacoes tóxico, y su absorción en grandes cantidades puede imponer un esfuerzo severo al metabolismo de los carbohidratos que proveen los esqueletos de carbono para desintoxicarse. El nitrógeno orgánico, generalmente en la forma de aminoácidos, puede tornarse útil para las plantas debido a la muerte y putrefacción de la materia vegetal o animal. Bajo estas circunstancias las plantas compiten con las bacterias por el nitrógeno, que normalmente es convertido por éstas en nitrógeno molecular (N2) o en nitrato en el curso de su
METABOLISMO DEL NITROGEN0
217
metabolismo. Normalmenteel nitrógeno orgánicono constituye una fuente importante del elemento para las plantas. Igualmente, por lo general la urea no es importante, pero se ha encontrado que es un efectivo fertilizante que puede aplicarse en aspersión foliar. La urea se absorbe por las hojas y así puede aplicarse a bajo costo a los cultivos junto con losplaguicidas. En esta forma el desperdicio de fertilizante absorbido por malezas o que se lavaen el suelo, problema importante hoy día en la fertilización nitrogenada (ver Capítulo 30), se reduce mucho.
NITR~GENO INORGANICO. Las raíces absorben los nitratos y ahí son reducidos, o bien son llevados a reducirse en las hojas. Muchas plantas, como el tomatero, normalmentereducenlos nitratos en la raíz, a menosque el suelo esté muy frío, entonces los transportan a la parte aérea de la planta. En otras plantas, como en los pastos, normalmente el nitrato es llevado a las hojas donde puede acumularse en grandes cantidades, y se reduce conforme se necesita. La reducción de los nitratos generalmente es más rápida durante el día que de noche a causa de la disponibilidad de substrato con carbono y del poder reductor de la fotosíntesis. El amoníaco es usado por muchas plantas y en forma preferente por unas pocas. Las que son capaces de absorberlo en grandes cantidades incluyen muchas de suelos ácidos como Rumex, que pueden desintoxicarse del amoníaco formando salesamoniacalesde ácidos orgánicos. Algunas otras, conocidas como plantas m i d a (remolachas, espinacas y calabacitas) son capaces de formar cantidades grandes de las amidas glutamina o asparagina. Estos compuestos se forman a partir de los aminoácidos dicarboxílicos correspondientes como se muestra a continuación. COOH
COOH
I CH, I
COOH
I I CH, I
ATP
HCNH, HCNH,
asparagma sintetasa
+ NH,
+ H,O
C==O
I
NH, ácido aspártico
asparagina
COOH
COOH
I
ATP
HCNH,
glutamina sintetasa
C" 2 I CH,
I
COOH
+ NH,
I
HCNlH,
1
+ H,O
CH,
I I c=o I
NH, ácido ghtámico
glutamina
Los detalles de estas reacciones se describirán más adelante (página 227). La escarola o la remolacha, por ejemplo, pueden soportar concentraciones bastante altas de sales de amonio desintoxicándose del amoníaco por la elaboración de grandes cantidades de glutamina. Bajo circunstancias similares las hojas de trigo
METABOLISMO VEGETAL
21 8
usan el carbono de los azúcares disponibles para elaborar asparagina. Las plantas que no acumulan glutamina pueden, no obstante, utilizar esta reacción para acumular nitrógeno orgánico transfiriendo directamente el nitrógeno de la amida al ácidocetoglutárico para hacerácidoglutámico.Estareacción se describe en la página 220). Cuando se suministran iones amonio (NH,’) y nitrato (NO3-) en solución nutritiva, algunas plantas toman el anión o el catión dependiendo del pH. Si la solución nutritiva es básica tomarán NH4+ eliminando H+ al intercambiarlo, por lo que bajará el pH al formarse ácido nítrico (HN03) con el nitrato restante. lnversamente, si el pH es ácido, absorberán NO,- eliminando OH -al intercambiarlo, por lo que subirá el pH al formarse hidróxido de amonio (NH40H). Las plántulas y plantas muy jóvenes tienden a absorber NH4+ en forma diferente, en tanto que las maduras absorben NO,-. Esto puede estar relacionado con la mayor abundancia de carbohidratos y poder reductor en la planta madura con activa fotosíntesis. Ciertas plantas como el arroz, que viven en suelos pantanosos anaerobios, requieren NH3 o fertilizantes con nitrógeno orgánico reducido y no pueden vivir solamente con nitratos. NITRdGENo ORGANICO. En la década de 1940 se descubrió que la urea podía ser absorbida por las plantas directamente por la hoja tanto como por la raíz. Parece probable que la urea se hidrolice directamente hasta NH3 y COZ por la reacción medida por la ureasa.
oI1
“C-HN,
ureasa
+ H,O
urea
2 NH,
+ CO,
amoníaco
Las plantas a que se aplicó urea marcada con C o CO, mostraron la misma distribución al incorporar el carbono. La urea puede incorporarse directamente (por ejemplo condensándose con la ornitina para formar arginina). También se ha sugerido que la urea puede convertirse directamente en carbamil fosfato, un precursor de las pirimidinas y del aminoácido citrulina. O
II
NH,-C-NH, urea
+ Pi
-
O
II
NH,-C-O-P
+ NH,
carbamil fosfato
El nitrógeno orgánico en la forma de aminas o aminoácidos puede ser absorbido y utilizado y muchas plantas se benefician con su aplicación. Sin embargo, ciertosaminoácidos pueden ser tóxicos en cantidades grandes. Los cultivos de células o de embriones vegetales a menudo requieren fuentes de nitrógeno específicas, tales como asparagina, glutamina, glicina u otros aminoácidos. Las plantas carnívoras como la pingiiícola, la atrapamoscas o las jarritas indudablemente utilizan los productos de degradación de las proteínas de los insectosque atrapan. En 1829 se advirtió quenutriendo diariamente a una planta atrapamoscas con tirillas de carne de res,se desarrollaba mucho mejor.
METABOLISMO
AMINOACIDOS Los aminoácidos sonlosladrillos con que se construyen las proteínas, y enlas plantas tienen diversas funciones adicionales en la regulación del metabolismo y el transporte y almacenaje de nitrógeno (ver Capítulo 2 , páginas 34-38 y Figura 2-7). Los aminoácidos pueden formarse: 1 ) directamente de amonio y los esqueletos de carbono apropiados; 2) por transaminación a partir de aminoácidos ya existentes, o 3) por modificaciones o cambios en el esqueleto de carbono de aminoácidos ya formados. Algunos aminoácidos comunes se forman por más de un camino y muchas de estas transformaciones aún no se conocen. Parece probable que seasocianvías metabólicas específicas con actividades o condiciones fisiológicas particulares dela planta, como elestado nutricional, el crecimiento o el desarrollo. Este punto se explicará más adelante en este capítulo (página 229). Se requierenmuchas reacciones bioquímicas complejas parala biosíntesis y el metabolismo de los aminoácidos; consideramos aquí los principales. FORMACI~N DE NITROGEN0 ORGANICO. Hay dos vías principales de entrada del NH3 a las uniones orgánicas. La primera es la vía de aminación reductiva; la segunda, la de la desaminación oxidativa. En esta vía la reacción importante es la formación de ácido glutámico a partir del cetoácido correspondiente, el a-cetoglutárico.* La reacción está catalizada por la deshidrogenasa del ácido glutámico El primer paso es la aparente reacción espontánea del ceto ácido con el NH3 para formar ácido a-iminoglutárico queluegoesreducidoal ácido a-amino bajo la influencia de la enzima.
COOH
I c=o I CH, I CH, I
COOH
+ NH,
"+
I I CH, I CH, I
HZ0
/
del deshidrogenasa glutámico ácido
COOH
COOH
ácido wetoglutárico
&ido cY"iminog1utárico
COOH
I
I I
CH, COOH ácido glutámico
Esta es la única reacción de esta claseque hasidobien comprobada. Se hansugerido reacciones paralelas que llevarían a la formación de alanina a partir de piruvato y de aspartato a partir del oxaloacetato. El fisiólogo ruso V.L. Kretovitch ha encontrado que ciertos tejidosy homogenadosvegetales responden enérgicamente a la adición de piruvato y NH3 sintetizando alanina, pero no puede desecharse la posibilidad de la aminación del a-cetoglutárico y su transaminación con piruvato. La vía de síntesis delgrupo amino por ladeshidrogenasaglutámicanoes muy satisfactoria porque tiene una afinidad por el NH3más bien baja, y su tasa de reacción es lenta para un paso metabólico tan importante. Una enzimades*También llamado ácido 2-oxoglutárico.
METABOLISMO VEGETAL
220
cubiertarecientemente,lasintetasadelácidoglutámico, resuelve estosproblemas ya que tiene una alta afinidad por el NH3 y reacciona con la velocidad requerida. Se acopla con la glutamina sintetasa para hacerácidoglutámicoporlareacción siguiente:
y
ADP
NH,
+ Pi
glutamina
NADH:
a-cetoglutámico ácido
ácido glutámico glutámico ácido
ATP
NADf
glutamina sintetasa
sintetasa del ácido glutámico
La fuente del poder reductor para la sintetasa del ácido glutámico puede ser el NADH como se ve, o ferredoxina en tejidosfotosintéticos.Lareacción neta es la conversión de ácido a-cetoglutárico y NH3 en ácido glutámico; se necesitan solamente pequeñas cantidades de glutamina. NH,
+
ácid0a-cetoglutárico
+
ATP
+
glutamina
NADH2+
ácidoglutámico
+
ADP
+
+
Pi
+
NAD'
Esta secuencia se asocia con la fijación del nitrógeno y estas enzimas, más que laglutamato deshidrogenasa, se encuentrancomúnmente en los organismos fijadores de nitrógeno. El ácido aspártico puede sintetizarse por reacción de la aspartasa que adiciona NH3 a la doble ligadura del ácido fumárico de manera análoga a la síntesis de malato por adición de agua a la doble ligadura del ácido fumárico. COOH
COOH
I
CH
/I
CH
I
COOH
aspartasa
+NH,-
HC-N Hz
1
CH, COOH
aspártico ácido fumárico ácido
La reacción fue descubierta en las bacterias; se ha encontrado en las plántulas y hojas de las plantas verdes pero no parece probable que sea una vía importante de entrada del NH, en unión orgánica. TRANSAMINACI6N. En esta importante reacción,el grupo amino de un aminoácido es transferido a un cetoácido para formar un nuevo aminoácido. Las enzimas que catalizanestareacción se llaman transaminasas o aminotransferasas. Lacoenzima de esta reacción es el piridoxal fosfato que participa en la reacción del modo siguiente:
221
METABOLISMO DEL NITROGEN0
aminoácido 2
aminoácido 1
yI b
piridoxal (=O) fosfato
R,-C-COOH H
R,-C-COOH
I
8
II R,"C"COOH
A
J \
cwetoácido 1
I
enzima (transaminasa)
I
piridoxamina (-NH,)' fosfato
AB \
R,-C-COOH a-cetoácido 2
Como ejemplo específico COOH
COOH
Hh-NH,
I
CH, CH,
-
+
-
CooH alanina c=o 1 aminotransferasa I C=O CH,
I
CH, COOH glutámico ácido
CH2
ácido pirúvico
+
COOH I HC-NH,
I
CH,
COOH a-cetoglutárico ácido alanina
El resultado final es la transferencia del grupo amino del aminoácido 1 al cetoácido 2 con la formación de aminoácido 2. El donador del amino más generalizado es el ácido glutámico. Las transaminasas más activas de las plantas son las ácidoglutámico-ácido acético (aspárticosintetasa) y laácidoglutámico-piruvato (alaninasintetasa,reciénilustrada). Algunas transaminasas soncompletamente específicas respecto al donador o aceptor de nitrógeno. Dado que muchas de las enzimas no se han aislado en forma pura, no está claro cuál es exactamente su especificidad o si las enzimas no específicas de hecho son mezclas de enzimas. Se sabequehay actividad de la transaminasa entre el ácidoglutámico y al menos 17 ó 18 a-cetoácidos y se sospecha de varios otros incluyendo a-, p- y y-cetoácidos. Por tanto es posible que todo un rango de aminoácidos pueda elaborarse portransaminación del ácidoglutámico. El ácido aspárticoylaalaninatambién son efectivosaminodonadoresy es probable que otros participen en menor grado. Se ha encontrado que el aminoácido no-proteico 7-aminobutirato es un activo donador en la transaminación.
TRANSFORMACIONES DEL CARBONO. Muchos aminoácidos se forman de los aminoácidos preexistentes por modificación de su esqueleto de carbono básico o por la sustitución de varios grupos en su cadena de carbonos. La formación de ciertos aminoácidosrequierelasíntesis de losa-cetoácidos apropiados,a menudo por reacciones similares o paralelas, antes que de la sintesis de aminoácidos por transaminación. Los tipos característicos de las reacciones se enumeran a continuación.
METABOLISMO VEGETAL
222
l. Descarboxilación: ejemplo COOH I HCNH,
H,CNH,
I
( p ,
COOH
+ co,
I
”-3
(
p
2
COOH ácido glutámico ácido
y-aminobutírico
2. Reducción : ejemplo COOH
I HCNH, I CH,
I
O ’
I
HCNH,
”--+
?Hz
c
COOH
COOH
‘OH
I
”-+
CH, I
COOH ”-+
c
O ’
p-aspartil fosfato
,CH, OH
‘H
semialdehído homoserina aspártico
3. Oxidación: ejemplo OH
I
CH,-CH,
I
C\H2 ,CH,“COOH N H hidroxiprolina
CH-CH,
+ I
I
C\H2 ,CH-COOH >N’ H
prolina
4. Sustitución: ejemplo COOH
I HCNH, I
COOH
4
I I CH, I
HCNH,
CH, OH
SH
serina
cisteína
5. Transferencia interna de grupo:ejemplo COOH HCNH, CH,
I
I I
HCNH,
?HZ
c o” ‘OP
aspártico ácido
I HCNH, I
-
COOH HCNH, HCOH
H,COH
CH,
homoserina
treonina
CH,-CH,
223
METABOLISMO DEL NITROGEN0
6. Condensación: ejemplo COOH H,CNH, glicina
+
COOH
H -C=O
4
I
HCNH, I H,COH
derivado formaldehído
serina
Lascondensacionesqueinvolucrandonadores tales como la acetil-COA son importantes en la síntesis de varios aminoácidos de cadena larga o de cadena ramificada. 7. Formación de anillo: ejemplo CH,-CH,
I
HOOC
I
H/C-COOH
H,N
“-+
I
O=CH HC-COOH
CH,---CH,
*
H,N’ H
ácido glutámico
semialdehído glutámico
prolina
Estas son reacciones generalizadas y se conocen muchas secuencias paralelas que llevan a otros aminoácidos a sus precursores a-ceto. La extensa investigaciónquesehizoyahace tiempo en Eschericha coli por el bacteriólogo americano P.H.Abelson y sus colaboradores, mostró que en ese organismo hay grupos o “familias” de aminoácidos derivados de un precursor o “jefe de familia”; por diversas reacciones en ese organismo y subsecuentes experimentos mostraronquesucede lo mismoenlasplantassuperiores. Los experimentos típicos se han efectuado suministrando un aminoácido marcado con 14C y determinandoloscompuestosqueresultanmarcados.Todosdebenhaber derivado delprecursorsuministrado. Los compuestosconactividades específicas superioressederivanmás directamente queloscompuestos con actividades específicas inferiores. Los puntos de ramificación enlascadenassepueden detectar por experimentos de competencia interna. En esta técnica sesuministraun precursor marcado en experimentos paralelos, sea solo o junto con el compuesto no marcado que se sospecha que está en el punto de ramificación o justamente antes. Todos los compuestos derivados de la ramificación que incluye el que se suministró sin marcartendrán sus actividades específicas reducidas (es decir, estarándiluidos) en l a s muestrasque recibieron del competidor noradioactivo. Esta técnica se ilustra en la Figura 8-7. Las víasde síntesis de muchosgruposdeaminoácidosse trabajaron en detalle y se conocen las reacciones con precisión. Otras se conocen sólo parcialmente o bien se conocen las transformaciones del carbono sin que se hayan estudiado in vitro las reacciones específicas. Ya que sepueden hacer los mismos aminoácidos por más de una vía por medio de diferentes intermediarios,la “rela-
METABOLISMO VEGETAL
224
ción familiar” a veces es ligeramente confusa. Las principales relaciones se presentan en la Figura 8-8. Debe reconocerse que bajo ciertas circunstancias y en ciertos organismos pueden tenerse esquemas algo diferentes. Sin embargo, los que aquí se muestran pueden considerarse generales. La importancia del concepto de “familia” es porque deben existir mecanismos bioquímicos de regulación que controlen el flujo del carbono hacia cada una de las diversas vías. La pérdida de balance de este sistema de regulación bioquímica trae consigo serios problemas en el metabolismo. Las posibles secuencias de reacciones con los compuestos A , B y C son:
o bien ( 1 )
I
o bien (2)
A+
B
+
C
B
A
ir
Y C Pregunta: ¿Cuál es la vía operativa? Solución: Suministrar A radioactivo,con o sin suministro adicional de B no marcado.
Si ( 1 ) es cierto: la adición de B no marcado va a diluir la marcación que entra a C. y C tendrá una actividad específica más baja cuando se adiciona B no marcado.
Si (2) es cierto: la adición de B no marcado no afectará la radioactividad de C .
~i~~~~ 8-7. Experimento de competen-
cia de idtopos paradeterminaruna vía metabblica.
ALGUNOSESQUEMAS METAB6LICOS. Por lo general los aminoácidos no toman parte en actividades metabólicas tan importantes como el ciclo de Krebs o la glicólisis, como es el caso de los ácidos orgánicos, porque la función especial de los aminoácidos en la célula es la transformación y metabolismo del nitrógeno, no de la energía. Sin embargo hay varias cadenas biosintéticas o metabólieas que incluyen compuestos nitrogenados, además de las vías de síntesis y degradasión de aminoácidos. Ya se mencionó la síntesis de azúcar por la vía del glicolato, donde toman parte glicina y serina (ver página 186 y Figura 7-15). Se ha sugerido también que tanto el aspartato como el malato o el oxaloacetato pueden actuar como en la vía fotosintéticadeHatch y los ácidos C, transportadoresdecarboxilo Slack (ver Figura 7-19). Otro sistema metabólico que incluye aminoácidos es el ciclo de la ornitina que fabrica urea en los animales (Figura 8-9). En las plantas también se conocen todas estas reacciones pero no está claro si en ellas funciona realmente el ciclo. La metionina tiene relación con las reacciones de transmetilación en la síntesis de compuestos metilados (por ejemplo timina, fenoles metilados, alcaloides, lignina, etc.). El triptófano es un precursor de la hormona del crecimiento, el ácido indolacético, por pérdida de su grupo amino por transaminación y descarboxilación de la cadena lateral que pasa de piruvato a acetato. La prolina y la hidroxiprolinatienenuna relación interesante. La hidroxiprolina no se forma en estado soluble en las plantas y es, de hecho, bastante tóxica. La prolina se incorpora primero en las proteínas y luego es convertida en hidroxiprolina tomando parte en las ligaduras internas por enlaces débiles que coadyuvan a establecer la estructura terciaria de las proteínas.
METABOLISMO DEL NITRdGENO
225
AMIDAS Las dos amidas, glutamina yasparagina, juegan un papel central en el metabolismo del nitrógeno de las plantas. Tanto los grupos amino como los amido de la glutamina y asparagina se involucran en muchas reacciones específicas y generales del nitrógeno.Las amidas son compuestosimportantes de almacenajeytransporte de nitrógeno pueden alcanzarconcentracionesextremadamentealtasbajocircunstancias apropiadas. La glutamina y la asparagina son homólogos que al parecer difieren solamente por un carbono en la cadena; sin embargo, no se comportan como tales. Se ha sugerido que laestructuraquímica de la asparagina no está representadacorrectamenteporlafórmulaestructural usada comúnmentepero no hay datos experimentales que fundamenten otras alternativas. Figura 8-8. Relaciones metabólicas de los aminoácidos. Las"familias" más importantes están encerradas por líneas punteadas y los compuestos principales dela familia estánennegritas. Los aminoácidos están en mayúsculas y los otros compuestos en tipo común.
r - --
"
/
" " " I "
METABOLISMO VEGETAL
226
Figura 8-9. Ciclo de la ornitina. COZ + NH, + A T P
COOH
I
i
Ácido glutámico
CH, YOOH
I
HzO,P-O-C-NH2
II
HCNH,
I
CHNH,
I I
O
CH,
Carbamil-fosfato
CH,
I
L
NH
*
I
c=o ADP
Ornitina
I
c=o
I NH2
I
Urea
COOH
I
COOH
I
I
HCNH,
H,NCH
I
HCNH,
I
I
COOH
CH,
Fumarato
Guanidina
C=NH
I
NH2 Arginina
CH2
I
Ácido aspártico
'OoH
t
NH CH, / H I C--N-CH 1I II NH COOH Argininosuccinato
Sin embargo, la glutamina y la asparagina difieren ampliamente bioquímica y fisiológicamente, sin que esté clara la razón para ello. La asparagina es más bien insoluble en agua; la glutamina es muy soluble. La asparagina es estable y requiere calentarse en soluciónmoderadamente ácida para hidrolizarse; la glutamina es muy inestable, se hidroliza lentamente a la temperatura del laboratorio y sufre total hidrólisis hasta ácido glutámico en agua hirviente o en soluciones ácidas diluidas. La relación de la ninhidrina, utilizada para visualizar los aminoácidos en los cromatogramas y en los análisis cuantitativos por colorimetría, es muy diferente entre la asparagina y la glutamina. La glutamina libera dióxido de carbono y da color púrpura como la mayoría de los aminoácidos, en tanto que la asparagina no libera dióxido de carbono de inmediato y da color café similar al de la prolina y otros aminoácidos cíclicos. No hay una explicación satisfactoria para estas diferencias químicasperopodríanestar relacionadas con las diferencias biológicas entre las dos amidas.
ITR6GENO METABOLISMO DEL
227
SINTESIS. La glutamina proviene del ácido glutámico ’con NH3 por la enzima glutamina sintetasa (como se colige del nombre, las sintetasas median las reacciones de síntesis). La energía para la síntesis se deriva de la hidrólisis del ATP y se requiere h4g2+,Coz+o Mn2+.La reacción puede representarse como sigue. COOH
COOH
I
I
HCNH,
I
CH,
I
glutámico
+ NH, + ATP .
HCNH,
I CH,
MgZ+
+ ADP + Pi
I
glutamina sintetasa
ácido
glutamha
No se conoce el mecanismo exacto de la reacción, se ha sugerido un derivado enzimaglutamil sintetizado a través de un intermediario enzima-fosfato, pero la única evidencia que hay es la de la participación en la reacción del glutamil fosfato. La conversión enzimática de glutamina a ácido glutámico requiere ADP y Pi al igual que la reacción de transferencia del glutamil que reemplaza al grupo amida en la glutamina. COOH
I I
HCNH, CH,
I
+ l5NH,
M%’+,ADP, Pi
.
CH, I
CH, I
c
OH ‘NH,
COOH
COOH
HCNH, CH,
I
y
2
c oH \NH,
HCNH,
+
NH,OH
hidroxilamina
ME”. ADP, Pi
.
.-
CH,
I
y
C
2
\ /
H
N\
‘O H
lo cual indica que la reacción ATP * ADP está fuertemente ligada a la síntesis del enlace amida. La enzima correspondiente que hace asparagina a partir del ácido aspártico ha sido difícil de encontrar e investigar. Los extractos libres de células, preparados a partir de plántulas de trébol o embriónde trigo catalizan la reacción,
METABOLISMO VEGETAL
228
COOH
COOH
I
HCNH,
(:HZ
+ NH, + xrP
I
Mg2+ asparagina sintetasa
HCNH,
C
+ ADP + Pi
CH,
A
~
C
o/
ON ‘OH ácido aspártico
‘NH,
asparagina
pero la actividad enzimática es mucho menor que para la glutamina sintetasa. Hay suficiente evidencia, tanto por experimentos con isótopos utilizando como substrat o aspartato marcado específicamente, como estudiando el balance entre lapérdida de ácido aspártico y la aparición concomitante de asparagina, de que mucha asparagina se forma por otras transformaciones. Ahora se han demostrado otras vías adicionales. Varias plantas, particularmente las que tienen un activo metabolismo de cianuro (CN) y alto contenido en cianoglicósidos, como ellino (Linurn usitutissimurn), sorgo (Sorghum uulgure), trébol (Trifolium rapens) y chícharo de olor (Luthyrus odoratus), son capaces de incorporar al HCN en la asparagina por la reacción
COOH
I
CH,
HqNH, I CH,
+ HCN
-
C‘OOH HCNH,
Sti
C‘GN
cisteína
p-cianoaianina
COOH iI
l20
>
HCNH,
oJ-” asparagina
Se ha sugerido (sin verificación experimental) que la formación de asparaC3 puede ser general. gina por condensación C ,
+
METABOLISMO. En ciertasplantas,porejemploen semillas de trébol lupino en germinación, la asparagina se deriva en grandes cantidades directamente de las proteínas y de laamidación del ácidoaspárticoque viene de la hidrólisis proteica. Algo de ella puede provenir del ácido aspártico recién sintetizado a partir de los ácidos del ciclo de Krebs. Hay evidencia de que en las raíces del chícharo la asparagina se puede sintetizar a partir de los ácidos de cuatro carbonos que vienen de la carboxilación del piruvato o fosfoenol piruvato y, raramente, en circunstancias especiales (por ejemplo en hojas de trigo faltas de nutrientes) se puede derivar en grandes cantidades a partir de los productos metabólicos de los azúcares endógenos. Pero la mayor parte que se encuentra en las plantas parece venir de los productos de desintegración de las proteínas.Normalmente no se metabolizacon rapidez; cuando se introduce a la planta o a las células asparagina 14C por lo gey neral se metaboliza lentamente en comparación con los azúcares, aminoácidos glutamina.
TROGEN0METABOLISMO DEL
229
Como la asparagina, la glutamina puede derivarse también del ácido glutámico liberado en la desintegración de la proteína pero, a diferencia de aquélla, ocurre frecuentemente una síntesis masiva de glutamina a partir del carbono derivado de los carbohidratos almacenados o directamentede la fotosíntesis. El estímulo más común para la síntesis de glutamina es el suministro de nitrógeno, como amoníaco o co.mo nitrato. Kretovitch ha demostrado que la respuesta al suministro de NH3 en casi todas las plantas estudiadas, es la formación de glutamina aun en plantas ácidas como Sedum y en las que normalmente contienen asparagina. En contraste con la asparagina, cuando se suministra glutamina, ésta entra rápidamente al metabolismo celular presumiblemente vía ácido glutámico yácidoa-cetoglutárico. La glutamina es undonadordenitrógenoespecífico para diversas síntesis importantes. Es la fuente de átomos de nitrógeno para las posiciones 3 y 9 del anillo de la purina (ver página 238) y del nitrógeno dela amida del NAD y NADP.El nitrógeno de la amida también se usa para la síntesis de glucosamina y sus derivados, los monómeros de la quitina que son componentes de la pared celular de los insectos, muchos hongos y unas cuantas plantas superiores. El nitrógenocíclico de los aminoácidos histidina y triptófano también se provee por la glutamina. Quizás la reacción más importante de la glutamina es su participación en la conversión de NH3 y a-cetoglutaratoenácido glutámico por las sintetasasde la glutamina y del ácido glutámico (página 220). En esta reacción la alta energía del nitrógeno de la amida se utiliza para ayudar a la conversión y transferencia del nitrógeno amídico (de la glutamina) en nitrógeno amínico (del ácido glutámico). No se ha encontrado una reacción análoga con respecto al nitrógeno amídico de la asparagina. En las plantas se encuentran diversos compuestos relacionados con la glutamina. Derivados de la glutamina con grupos metil, metileno o hidroxi sustituidos en la posición gamma se encuentran comúnmente en las plantas y en ocasiones constituyenunaproporción grande del nitrógenosoluble.Como la glutamina, estos compuestos parecen actuar como almacén de nitrógeno. No obstante, los experimentos han demostrado que por lo general no se metabolizan con rapidez. Nose conocen derivados similares de la asparagina aunque se hanencontrado ciertos derivados con el nitrógeno de la amida sustituido. La significación metabólica no se conoce aún. DESTINO DE LA GLUTAMINA Y LA ASPARAGINA. Se pensaba antes que 10s papeles de estas dos amidas eranintercambiables en las diferentes especies deplantas. Ahora es claro que cada una realiza funciones especiales, aunque pueden sobreponerse en diferentes especies de plantas y bajo diferentes condiciones. El resultado es que nuestra comprensión de su metabolismo y su papel está lejos de ser completo. Ambas amidas juegan un papel en el transporte del nitrógeno. Parece que la asparagina es el compuesto importante involucrado en la movilización del nitrógeno almacenado como proteína en las semillas de plantas como el trébol lupino, pero en las plantas herbáceas y kboles en estado de crecimiento la glutamina es el compuesto de transporte de mayor importancia.Ambas amidas pueden acumularse como resultado de la presencia de exceso de nitrógeno, pero la acumulación de asparagina se asocia generalmente con la degradación de las proteínas en tanto que la glutamina es más probable que actúe en la movilización de nitrógeno para la síntesis proteica.
230
METABOLISMO VEGETAL __t_
-.
Nitrógeno de la asparagina Nitr6geno de la glutamina
Figura 8-10. Variación diurna en la composición del nitrbgeno soluble de lashojasde Mentha piperita L., desarrollada en días cortos. (DeF.C. Stewart (ed.): Plant Physiology: A Treatise, Vol. IVA, Academic Press, Nueva York. 1965. Con permiso.)
O
(amarillo) (café) (verde)
2
4
Días sin alimento
6
Figura 8-11. Cambios en la glutarnina, asparagina y NH3 enhojasdecebada durante la falta de alimento. (Redibujadodedatos de E.W. Yemm: Proc. Roy. Soc. Londres. B123:243, 1937.)
METABOLISMO
NITROGEN0
231
Esta situación ha llevado al fisiólogo ruso D.N. Przhanishnikov, a la generalizacióndequelapresencia deasparagina caracteriza a unaplanta enferma, en tanto que la de glutamina indica una planta saludable. Esta generalización toma asidero porque la asparagina se acumula en trigo infectado con soja o chahuistle y en otras plantasenfermas.Demodosimilar, F.C. StewarddelaUniversidad de Comell, ha demostrado que si se afecta o inhibe el crecimiento pordiversas razones en plantas intactas o en cultivos de tejidos (por ejemplo colocando a las plantas fuera de su fotoperiodo o suprimiéndoles un nutriente o un factor del crecimiento necesario) predomina la asparagina. Cuando se deja desarrollar normalmente la glutamina se torna la amida dominante. En el metabolismo de las hojas de menta la glutamina se asocia con la luz del día en tanto que la asparagina predomina en la oscuridad (Figura 8-10). En otro trabajo, Stewardhademostradoquelaglutaminapredominaen las papas crecidas o desarrolladas en ambiente seco con calor ligero y días largos, en tanto que la asparaginaesdominanteenpapasdesarrolladasencondiciones climáticas más pobres. Una comparación de cultivares de papas inglesas, americanas, híbridas y desarrolladas en invernadero se muestra en la Tabla 8-1. Puedeverse que la proporción glutamina/asparagina es alta en las variedades americanas, condicionadaspor el buen tiempo y excelentes condiciones de desarrollo, en tanto que esa proporción es mucho más baja en las variedades inbajo condiciones climáticas glesas y enlavariedaddesarrolladaeninvernadero Tabla 8-1. Diferencias en la composición del nitrógeno soluble en de papas. ~~
varias cepas de tubérculos
~~
Aminoácido Cultivar Cultivar desarrollado ingles 919 padres americano americano ingleses (Sebago) peso fresco
Híbrido
Cultivar Cultivar (Katahdin) invernadero: en
ycortos americanos días
y
frescos Ácido asp6rtico Ácido glutámico Serina Glicina Asparagina Treonina Alanina Glutamina Lisina Arginina Metionina Prolina Valina Leucinas Fenilalanina Tirosina Ácido aminobutírico
107 178 66 28 138 1O0 131 3.02 1 63 356 83
78 1 34 67 -
244 93 138 128
1,661 54 55 1,142 42 159 66 25 197 167 203 179
300
244
-
205 190 53
246 276 42
168 43 1 29 48 1,083 81 24 91 72 81
-
-
2,200 43 68 858 30 55
2,672 76 72 754 66 110
225 68 25
-
-
141 24
254 196
Trazas
Trazas
Trazas
225
86
240
-
-
-
23 2
METABOLISMO VEGETAL
muchomenos favorables. El fisiólogo británico E.W. Yemm, observó queconforme se van degradando las proteínas en hojas de cebada sin nutrientes, la glutamina se acumula rápidamente. Conforme avanza la inanición y las hojas empiezan a amarillear comienza la acumulación de asparagina y excede a la glutamina. Con la disrupción metabólica y la eventual muerte de las hojas por inanición, se rompe primero la glutamina y luego la asparagina liberando NH3 libre (Figura 8-11).Sin embargo, se ha demostrado que en algunas plantas como en las leguminosas, la asparagina puede cumplir por completo el papel de la glutamina estando asociada con la transferencia de nitrógeno en reacciones anabólicas tales como la formación de proteínas desemillas. Hay muchas observaciones similares que indican que los papeles principales de la asparagina y glutamina en las plantas son el transporte de nitrógeno, desintoxicación del amoníacoy almacenaje del nitrógenoy movilización para las síntesis. La asparagina parece asociarse con mayor frecuencia con la desintegración de las proteínas o las reacciones catabólicas, en tanto que la glutamina se asocia con las reacciones anabólicas y el crecimiento. El ácido glutámico y la glutamina también pueden relacionarse con la transferencia de nitrógeno que ocurre durante la degradación y resíntesis proteica, ya sea en la producción de proteínas o enla reconstrucción del complemento celular deproteínasestructurales y enzimáticas durante el desarrollo.
PROTEfNAS Las proteínas son la base de la vida, pues todas las reacciones de los sistemas vivientes están catalizadas porproteínas enzimáticas. Su síntesis y estructura se describen en el Capítulo 2, páginas 34-38. Están hechas de secuencias de aminoácidos ligados entre s í por enlaces peptídicos (estructura primaria). El polipéptido se enrosca frecuentemente formando una a-hélice estabilizada por enlaces de hidrógeno (estructura secundaria), la que a su vez puede estar muy doblada y retorcida en una estructura terciaria tridimensional estabilizada por una variedad de fuerzas o enlaces débiles o fuertes. La pérdida de la estructura terciaria o desnaturalización ocurre cuando los solventes, el pH, el calor u otros factores rompen el sistema de enlaces y la proteína puede coagularse o precipitarse, proceso que a menudo es irreversible. La pérdida de las propiedades enzimáticas acompaña casi siempre la desnaturalización, implicando queel sitio activo de las enzimas requiere los repliegues terciarios de la estructura primaria y secundaria. TIPOS DE PROTEfNAS. La clasificación de las proteínas usada comúnmente se basa más en su solubilidad que en su estructura química, pues aún no se conocen lo suficiente para plantear una clasificación basada en su estructura, por lo que el actual sistema es de uso universal.
A. Proteínas simples. Consisten solamente en aminoácidos. Albzirninas. Solubles en agua y soluciones acuosas de sales diluidas. Una clase importante de proteínas, muchas de las cuales tienen propiedades enzimáticas. Globulinas. Insolubles o ligeramente solubles en agua y solubles en SOlUCiOnes acuosas de sales diluidas. Las globulinas pueden salinizarse en las Soluciones
NITROGEN0 METABOLISMO DEL
233
acuosas por adición de sulfato de amonio y a un medio de la concentración de saturación. Son proteínas importantes como reserva y como enzimas. Prolaminas. Insolubles en agua, solublesenetanol 50 a 90% en agua. Son proteínas altas en prolina que a menudo se encuentran como reserva en las semillas, como la zeína (maíz), gliadina (trigo) y hordeína (cebada). Algunas enzimas (como papaína) son prolaminas. Glutelinas. Insolubles en solventes neutros pero solubles en ácidos o bases. La reserva proteica más importante en las plantas. Protaminas. Proteínas de bajo peso molecularextremadamentericas en arginina. Las protaminas se asocian con las proteínas nucleares, pero son muy comunes en las plantas. Histonas. Como las protaminas,secaracterizanpor su altocontenidode aminoácidos básicos. Son solubles en agua. Las histonas se encuentran por lo general en el núcleo de la célula y se asocian de algún modo con las nucleoproteínas. Pueden tener un papel específico como inhibidores o reguladores de genes. B. Proteínas conjugadas. Estos productos contienen, además de su cadena polipeptídica, una sustancia diferente (llamada grupo prostético) que se adhiere a la cadena por medio de sales o enlaces covalentes. Se agrupan según su núcleo prostético.
Mucoproteinas. Combinaciones de proteína y carbohidrato, a menudo un polisacárido de hexosa o de pentosa. Las mucoproteínas animales contienen hexosamina, pero las de las plantas, no. Pueden ser componentes de las membranas. Lipoproteínas. Complejos de proteína y una variedad de lipoides. Son las proteínas estructurales más importantes de las membranas. Nucleoproteínas. Proteínas, a menudo protaminas o histonas, combinadas por medio de sales con los ácidos nucleicos. Existen ciertas dudas sobre la naturaleza de la asociación, la cual podríaser un artefacto de técnica de extracción. Crornoproteinas. Un grupo importante y diversificado de proteínas que tienen varios pigmentos como grupo prostético. Casi todas son enzimas importantes. Son ejemplos la hemoglobina,loscomplejosclorofila-proteína, las proteínas carotenoides y las flavoproteínas. Metuloproteínas. Muchas enzimas comunestienen un metalenel grupo El moprostético asociado más o menos estrechamente con la porción proteica. libdeno de la nitrato reductasa es un buen ejemplo. FoRMACIdN Y DESINTEGRACIdN DE LAS PROTEINAS. La fuente de los aminoácidos para la síntesis proteica varía de un tejido a otro de acuerdo a la situación fisiológica del tejido en el que tiene lugar dicha síntesis. En las plántulas en desarrollo algunos aminoácidossontransportados de lostejidos de almacenaje en el endosperm0 o los cotiledones a los ápices en crecimiento. En este caso sederivan de la desintegración de las proteínas o del nitrógeno y el carbono de los carbohidratos almacenados. Otros aminoácidos se forman en las hojas o en el sitio de la síntesis proteica, derivándose el carbono sobre todo de productos de la fotosíntesis. Los ápices en crecimiento sintetizan algunos de sus aminoácidos partiendo del y pueden ser incapaces de usar azúcar transportado de otras partes de la planta dichosaminoácidos suministrados de modoexógeno.Otrosaminoácidos se forman exclusivamente en las hojas o en las raíces y son transportados a los ápices del tallo o de la raíz en crecimiento. Las hojas parecen ser capaces de sintetizar lamayorparte de sus aminoácidos; sin embargo, algunos pueden hacerse enla
234
METABOLISMO VEGETAL
raíz partiendo del carbono exportado por las hojas como azúcar. Esto puede deberse a que el nitrógeno absorbido, unavez que se reduce a NH, , se convierte rápidamente en aminoácido y ésta es la forma en que se transporta de regreso a las hojas. Dentro de las células de la hoja algunos aminoácidos se forman directamente a partir de productos de la fotosíntesis, probablemente en los cloroplastos. Otros pueden formarse en el citoplasma del carbono derivado de productos de la fotosíntesis que salieron del cloroplasto. Los aminoácidos resultantes son entonces devueltos al cloroplasto donde se produce casi toda la síntesis proteica en la hoja. Gran parte de la síntesis proteica tiene lugar en los tejidos meristemáticos o en desarrollo. Los tejidos maduros pueden tener cierta producción de proteína, perolavelocidadde su síntesis declina notablemente durante la maduración. Aparentemente las hojas continúan sintetizando proteína, aunque con tasa reducida, hasta que llegan a la senescencia. En general las hojas desprendidas no muestran aumento en su contenido proteico; sin embargo, continúan mostrando producción de proteínas. Esto sugiere que de las raíces se deriva algún factor esencial para el incremento de aquéllas pero no para su síntesis; no se conoce la naturaleza de este factor o estímulo pero podría ser una citocinina o una sustancia relacionada. La aplicación de cinetina a las hojas desprendidas causa una movilización de los aminoácidos solubles, retarda la desintegraciónde lasproteínas e induce ciertas síntesis. La desintegración de las proteínas en las plantas está catalizada por enzimas proteolíticas de varias clases y no se conserva el enlace peptídico (o sea, no se hace ATP ni ningún otro compuesto con alta energía). Hay ciertos indicios de que los lisosomas, cuerpecillos que contienen enzimas proteolíticas y otras degradativas enlascélulasanimales también pueden estar presentes en losvegetales. En muchas células la vacuola principal tiene esta función. La degradación de las proteínas que ocurre durante su producción, tal vez no involucra los mismos procesos que la proteólisis casi general que ocurre en la senescencia o en la germinación de lassemillas. Parece más probable que exista un mecanismodedesintegración más selectivo, quizá parcial. PRODUCCIdN CfCLICA DE PROTEfNAS. La idea de unaproducción cíclica de las proteínas probablemente se originó por I.P. Borodin en 1878, quiensugirióquelas actividades protoplásmicas, como la respiración, requieren una continua desintesostener gración y regeneraciónde proteína. Los primerosanálisisnopudieron ni refutar esta ideaaunque fue tomada en consideración por muchos botánicos durantelos 50 añossiguientes. Los fisiólogos británicos F.G. Gregory y P.K. Sen, después de largos análisis de las interrelaciones de la respiración con el contenido de azúcar y con el metabolismo proteico en hojas de cebada, propusieron un modelo según el cual una buena parte de la respiración celular se sostiene por los aminoácidos derivados del ciclo de las proteínas como se presenta en la Figura 8-12.Este modelo se propuso antes de que se conociera que la respiración involucra un ciclo metabólico de ácidos orgánicos o que los esqueletos de carbono de los aminoácidos pueden derivarse de esta fuente, pero es claro que anticipó estas ideas. Que la producción cíclica de proteínas pueda ocurrir de hecho, fue demostrado por H.B. Vickery y sus colaboradores en la Estación de Experimentación Agrícola de Connecticut, quienes encontraron que las hojas desprendidas pueden incorporar "NH3 a las proteínas en ausencia de síntesis neta de ellas. F.C. Steward y colegas, usando substratos marcados con 14C mostraron quela producción cíclica de proteinas ocurre en cultivos de tejido de zanahoria y que su velocidad es
METABOLISMO DEL NITR6GENO Figura 8-12. Metabolismo ciclico de las proteinas, propuesto por F.G. Gregory yenP.K. Sen 1937.
Amino-
236
Amino-
+
COZ
Acidor-
orgbnlcos dcidosbcidos
/
/'
/
Ácidos orgbnlcos
-
/
/
Azúcar-
COZ
proporcional a la tasa de crecimiento y respiración. Más aún, fue posible, como lo preveía el modelo de Gregory y Sen, demostrar que los aminoácidos derivados de la desintegración de proteínas son oxidados hasta dióxido de carbono en su mayor parte, mientras que simultáneamente hay síntesis proteica a partir de aminoácidos recién formados con carbono del azúcar. La producción cíclica de proteínas también ocurre en las hojas, en estos órganos parece ser más bien un efecto directo dela diferenciación bioquímica durante el desarrollo. La producción cíclica es rápida en las hojas en desarrollo o en los cotiledones que pasan a órganos fotosintéticos pero decrece bastante en la madurez y cesa en la senectud. La relación con la respiración parece quese conecta más probablemente con el requerimiento de ATP para la síntesis de los enlaces perptítidos y esqueletos de carbono para la formación de aminoácidos.
PBPTIDOS Los péptidos pueden formarse como resultado de la síntesis parcial (o sea defectuosa) de las proteínas o por su degradación parcial. Unos pocos tejidos contienen cantidades altas de péptidos, pero no parecen tener una significación fisiológica importante. Sin embargo ciertos péptidos tienen un papel fisiológico importante como cofactores en las reacciones enzimáticas. Tienen por lo general sus propias vías de biosíntesis sin relación con el sistema ribosómico de síntesis proteica. El tripéptido glutatión, y-glutamilcisteinilglicina,es un importante agente en la transferencia dehidrógenoasociado con variasenzimas redox. El glutatión se forma por la condensacióndelglutamato y la cisteína paraformar y-glutamilcisteína; el ATP se hidroliza a ADP y Pi en el proceso. Entonces se adiciona la glicina utilizándose una segunda molbcula de ATP. Probablemente los aminoácidos se fosforilan antes de la formación de enlaces peptídicos. Otros compuestos importantes que contienen enlaces peptídicos son el ácido tetrahidrofólico (que tiene parte en las reacciones de transferencia de formil y metil) y el ácid0 pantoténico (una partede la moléculade COA). La auxina, ácido indolacético, puedeinactivarse cuando se le da a la planta en exceso por conjugación con el &ido aspártico formando ácido indolacetilaspártico, un derivado peptídico inactivo. PURINAS Y PIRIMIDINAS Las bases púricas y pirimídicas, componentes importantes de los ácidos nucleicos (Capítulo 2 , páginas 40-44) se sintetizan a partir de componentes celulares simples, por complejas secuencias de reacciones. Las purinas y pirimidinas libres no
METABOLISMO VEGETAL
236
se Sintetizan en esa forma. Las purinas se construyen sobre una molécula de ribosa-5-fosfato (R-5-P), formándose directamente nucleótidos de pwina. La estructura pirimídica básica, el ácido orótico, se sintetiza directamente, luego se liga a la R-5-P y los otros nucleótidos pirimídicos se forman a partir de este ribósido. La síntesis de desoxirribósidos se lleva a cabo por la reducción del ribósido correspondiente. La R-5-P, los aminoácidos glutamina, glicinay aspártico, el carbamilfosfato, tetrahidrofólico (THFA)son, todos el ATP, elCOZ y losderivadosdelácido ellos, donadores de carbono, nitrógeno y fósforo en síntesis químicas de gran elegancia y economía. Las reacciones que llevan a las purinas se esquematizan en la Figura 8-13y las que conducen a las pirimidinas enla Figura 8-14. La R-5-P requerida se deriva probablemente del metabolismo de la vía accesoria de las pentosas o posiblemente de los intermediarios del ciclo de Calvin formados durante la fotosíntesis. Los aminoácidos vienen del conjunto de moléculas
Figura 8-13. Síntesisde las purinas,empezandopor la laribosa-5-fosfato (R-5-P). Los productosfinalesde slntesis estan escritos en mayúsculas. Los nuevos iltomos adicionados por cada reacci6n estan encerrados conlínea punteada.
o-P
I
OHOH
+ Pi
Glutamina Giutamato
OP
ATP
yADP
+ Pi
Giicina
""--
'
" .
Ribotido de glicinamida
" "1 P-R-NH
Continúa
231
METABOLISMO DEL NITRdGENO Figura 8-13. (continuación)
Forrnii-THFA
+THFA
O
II
PR-NH-C-CH,- NH
L,
Rib6tido de formilglicinamida
(CHO) - 4 Glutamina
giutamato
ATP
ADP
+z
+ Pi
Rib6tido de formiiglicinarnidina
C P-R-NH
I
CHO
t+ ADP
ATP
11 \H H,N-C \ / P- R- N
Rib6tido de aminoimidazol
!!
Rib6tido aminoimidazol del Bcido
\H HZN-C / P-R~N Aspartato
pi
carboxllico
Fumarato
ATP
ADP
H,N-C
P-
+ Pi
\H \
R-N
Rib6tido aminoimidazol carboxamida
/
-f
Formil-THFA
THFA
Continúa
METABOLISMO VEGETAL
238 Figura 8-13. (continuación)
O H,N-C.
//
-
\
,”-,,,c11,, \, C ” N
H\
H.?
1
N
Rib6tido formamidoimidazol carboxamida
N
HN
Ácido inoslnico
I
/“H
HC \N/‘\N
(Ribbtido de hipoxantina)
I P- R
Aspartato Fumarato
NADk H+ NADH
+
O
/I
+ H,O HN
C /c\N ,
11 C‘ H O HN ‘I / I
c
C
’
P-- R
Ácido xantflico
\N/
ADENiLlCO
ti
Glutamina
ATP
P-R
i Glutarnato
-
AMP
Glutamina HIPOXANTINA (ver Bcido inosínico) mostrando la derivación de cada grupo
P-R
+ PPI
METABOLISMO
239
Figura 8-14. Sintesis de la pirimidina. Los productos finales de esta slntesis estan escritos en mayúsculas. COO H
I
Carbamil fosfato
O=C
Ácido aspartic0
CHz
NHZ
I
I
H, N-CH
I
I
P
COO H
H,N
c)=c
COOH
I 1
Ácido carbamilasp6rtico
CHz
I 1
HN-CH
I
COOH
OH
I
&\
yHZ
N
I
+
COOH
HO
NADH
NAD'
OH
+ H+
t
OH
6-fosforibasil pirofosfato
OH
1
N
I
II
w\ o=c
P-O-CH,
Ácido dihidroorbtico
\N/C-cooH Orotidina-6-fosfato
OH
OH
Continúa
240
METABOLISMO VEGETAL
Figura 8-14. (continuacidn)
OH L
o
,
I CH
I
o”
C
I/
\N/
P-
Metilina -THFA
ÁCIDO U R I D ~ L I C O
CH
I
R
2 -A \TP ;“
ADP
OH
OH
I
N
C--CH,
I o=c
I/
ÁCIDO T I M I D I L I C ~ N
o”c
CH \N’ P-
I
I //c\ CH
I
II
\
N ,-, CH
I
P-P-P-R
R
URlDlNA TRIFOSFATO
~~
Glutamato
Glutamina
Formato NH3
NHZ
I
N
H C\
I
o/
‘
Aspartato
C
CH
11
\
P-P-P-
N
/
C l T l D l NTAR I F O S F A T O
CH
I
R
T I M I N A , mostrando la derivación de cada 6tomo
derivadasdelmetabolismorespiratorio. mente en la reacción
El carbamilfosfato se sintetizaprobableO
COZ
+ NH:, + ATP
II
NH, “ C - O - P
+ ADP
241
METABOLISMO DEL NITR6GENO
Figura 8-15. Degradaci6n de la purina. Adenina Guanina
Xantina
Alantolna
Ácido úrico
Ácido alantoico NH2
NH2
I
O=
I
COOH
+
I
+NH,/=O
CHO
'NH2
Figura 8-15. Degradaci6n de la purina. 2 urea
+
Bcido glioXllico
aunque podría derivase de la desintegración dela citrulina citrulina carbamato + ATP
"* "*
ornitina + carbamato carbamilfosfato + ADP
Los derivados metileno y formil del THFA se forman en las reacciones del THFA con un donador de hidroximetil idóneo como la serina.
serina
+
THFA
+
NADP
-+
metileno THFA
+
glicina
+
H20
L.formil THFA
Un donador de metil idóneo puede formar metil THFA que puede ser oxidado a metilén THFA y el ácido fórmico también puede convertirse directamente en formil THFA. Figura 8-16. Degradaci6n de la pirimidina. U
- I;<):-
Citosina
1 NH3
+ uracilo-H
COOH \
CH2
NH2
p-ureidopropionato
k3icH3 --
O
p-alanina
COOH \
NH,
+coz +
H
Timina
'CH2
+coz +
H
Dihidrouracilo
I
NH3
CH-CH,
I
/CH2 NH2
Ácido 0-aminoisobutlrico
242
METABOLISMO VEGETAL
La desintegración de las purinas produce la formación de alantoína y ácido alantoico que finalmente son convertidos en urea y ácido glioxílico (Figura 8-15). Las pirimidinas se descomponen abriéndose el anillo para dar un P-ureido que se descompone probablemente en NH, y COZ,pero no se ha investigado el mecanismo de la relación en las plantas (Figura 8-16). Los ribósidos y particularmente los desoxirribósidos, que provienen del catabolismo del RNA y DNA son metabolizados rápidamente; si no fuese así su presencia en las células podría ser perjudicial para el metabolismo normal.
ALCALOIDES
Los alcaloides representan un grupo extremadamente heterogéneo de compuestos con uno o más átomos de nitrógeno generalmente en un anillo heterocíclico. Por su complejidad van desde simples aminas como la ricinina (Figura 8-17) hasta glicósidos esteroidales complejos como la solanina (mostrada también en la Figura 8-17). Se conocen más de 1,000 alcaloides en 1,200 especiesvegetales.Probablemente la mayoría de las plantas contienen pequeñas cantidades dealgún producto alcaloideo. Lasque sesabeque contienen grandes o aunimpresionantes cantidades de uno o más alcaloides, se encuentran distribuidas de modoerrático en casi todos los grupos, excepto en las algas. Algunos alcaloides son generalizados en tanto que otros se conocen solamente enun género o enuna especie.Unos pocos de los mejor conocidos, junto con las plantas de las que se derivan con mayor frecuencia se presentan en la Figura 8-18. Los alcaloides son ampliamente conocidos por sus serios efectos en los animales; se conocen los efectos de la mayoría de los que se presentan en la Figura 8-10. Sin embargo hasta ahora no hay una visión general de su función en las plantas. Se hasugeridoquesirven como un mecanismode protección, pero ciertas plantas alcaloideas, como el tabaco, son por lo menos tan susceptibles -y posiblemente aún más- a las plagas que muchas no-alcaloideas. Las plantas saprófitas y parásitas al parecer se desarrollan bien en las plantas alcaloideas. No es probable que los alcaloides formen compuestos nitrogenados de almacenaje efectivos, dado su contenido de nitrógeno, generalmente bajo, y lapequeñacantidadquese almacena.Normalmente las plantas alcaloideas son capaces de formarasparagina, glutamina o arginina, que son muy eficientes como desintoxicantes del amoníaco Figura 8-17. Estructura de dos alcaloides.
N
Galactosa
I
CH3
/ /
Glucosa
Aamnosa Ricinina
Solanina
METABOLISMO
243
o compuestosde almacenaje. Los alcaloides se encuentran frecuentemente en las partes jóvenes en activo crecimiento pero pueden localizarse en otros tejidos como enla corteza, en la raíz o en la hoja. Parecequeamenudosesintetizan enla raíz y se transportana otra partedelaplanta. En algunasplantas se ha encontrado que ocurre un activo metabolismo de los alcaloides. Tal vezpuedan o en el control del desarrollo, perono se jugaralgúnpapelenelmetabolismo encontró una relación obvia, y su papel en la biología de la planta no se conoce en el presente. Figura 8-18. Plantas alcaloideas. (De P.R. Ehrlich y P.H. Raven: Mariposas yplantas. &i. Am. 216(6):106.1967. Usado con permiso.)
Cafe
Cafeína
I
H
H-C-H
I
H
’ H
H
I
1
H 4 - HH - C - H
I
Strychnos Estricnina
Magnolia Magnolina
Cocaha Coca
I
1
H -H C - - - lHF A ( - f H
L n
H O
I
1: 1
N-C-H
H-C-
C
I
H
1
H
H
1
1
H-C--O-C--030=C--C=C=C
--
C -H
I
H
/ ‘H
O/
/
I i
H
H
%amo (marihuana) nabidiol Peyote
‘I I I I I I
H H-C--C-C-H
I l l
H
H
H
H
H
H
H
Amapola de opio Morfina
Mescali na
”\
/H
244
METABOLISMO VEGETAL LECTURAS ADICIONALES
Artlculos en el Annual Review of Plant Physiology bajo el encabezado “Nitrogen Metabolism”. Bidwell, R.G.S. y D.J. Dunan: Some recent aspectsof nitrogen metabolism. En P.J. Davis (ed.) Historial and Current Aspects of Plant Physiology. pp. 152-225.Cornel1 University Press. Ithaca, N.Y. 1975. Boulter, D., R.J. Ellis y A. Harwood: Biochemistry of protein synthesis in plants. Biol. Rev. 47: 113-175. (1972). Burns, R.C. y R.W.F. Hardy: Nitrogen Fixation in Bacteria and Higher Plants. Springer-Verlag. Nueva York. 1975. Chibnall, A.C.: Protein Metabolism in the Plant. Yale University Press. New Haven, Conn. 1939 (reimpreso 1964). Hewitt, E.J. y C.V. Cutting (eds.): Recent Aspects of Nitrogen Metabolism in Plant. Academic Press, Nueva York. 1968. McKee, H.S.: Nitrogen Metabolism in Plants. Claredon Press, Oxford. 1962. Nutman, P.S. (ed.): Symbiotic Nitrogen Fixation in Plants. Cambridge University Press, Londres, 1976. Steward, F.C. y D.J. Durzan.: Metabolism of Nitrogenous compounds. En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology; a Treatise. Vol. IV-A.Academic Press, Nueva York. 1966. Stewart, W.P.D.: Nitrogen Fixation in Plants. The Athlone Press, Londres. 1966. Webster, G.C.: Nitrogen Metabolism in Plants. Row, Peterson, Co. White Plains, N.Y. 1959.
Capítulo 9
POLÍMEROS Y GRANDES MOLÉCULAS
En este capítulo se tratará brevemente el metabolismo y la formación de algunos de los polímeros más importantes de las plantas y de algunas sustancias complejas importantes que no se han mencionado previamente. En los textos de bioquímica puede encontrarse más información sobre la síntesis de otros compuestos orgánicos no analizados aquí. Aunque muchos de estos compuestos se encuentran en las plantas, su metabolismo se conoce solamente por estudios en bacterias o en sistemas animales y se presentaráesquemáticamente. El propósitoprimariode este capítulo es presentar en forma breve algunas de las transformaciones más importantes como referencia. POLISACARIDOS A L M I D ~ N .Generalmente el almidón es degradado por la amilasa o por la fosforilasa (Capítulo 6 ) pero su síntesis se lleva a cabo por la transglicosilasa del uridíndifosfato de glucosa (UDPG) o el adeníndifosfato de glucosa(ADPG).Esta reacción
UDPG O
+
glucosa,
transglicosilasa
ADPG
UDP + o ADP
+
glucosa,,
descubiertapor el grupode Leloir en Argentina,hace sólo enlaces a-(1 :4). El ADPG parece ser uno de los donadores más efectivos de la mayor parte del material investigado. Esta reacción es estimulada alostéricamente por el producto primario de la fotosíntesis, el ácid0 fosfoglicérico (PGA), dando un efectivo control por retroacción que asegura la rápida formación de almidón a la luz. La síntesis de UDPG o ADPG se efectúa por la reacción
UTP o ATP
+
G-1-P
fosforilasa
UDE’G o ADE’G
+
PPI
METABOLISMO VEGETAL
246
La G-1-P puede derivarse de la F-6-P producida en la fotosíntesis o de la sacarosa, el medio másusualde transporte del carbohidrato. Tambiénlasacarosapuede transferir residuos glicosil al almidón más directamente, por medio de la sacarosa sintetasa (Capítulo 7) en la forma siguiente
sacarosa
+
pfructosa U D P L U D P G -almidón sacarosa sintetasa
amilo sintetasa
Unrasgo importante 4de esta enzima sintetizadora de almidón (a veces llamada amilosintetasa) esquerequiere un aceptor primariodepor lo menosdos glucosas (residuales), es decir, maltosa o un oligosacárido de maltosa. Lo mismo se cree que pasa con la fosforilasa, aunque se sabe de síntesis de amilosa de novo sin aceptor primarioporla fosforilasa delmúsculo. Esto sugierequela fosforilasa podría participar enla iniciación de la síntesis dealmidón.Otraenzima que transfiere gruposeslaenzima-Ddelapapa,quepuede transferir grupos de dos o másunidades de glucosa de una cadena con ligaduras a-(1:4) a otra. Esta enzimapuede efectuar la síntesis decadenaslargassi los residuosquequedan despuésde la transferencia son removidos. Todas estas enzimas añaden residuos de glucosa. nuevos alextremo no reductor de la molécula aceptora. Las ligaduras a-(1:6) que forman las ramificaciones en la amilopectina son sintetizadas por la enzima Q o “factor de ramificación” descubierta por C. Cori. Esta enzima puede transferir grupos de residuos de glucosa con enlaces (Y-(1:4) a la posición 6 de un residuodeglucosaen otra cadenasimilar,formandouna ramificación por el enlace a-(1:6) recién formado. La longitud de la rama inicial es de cuatro unidadesdeglucosa,por lo menos.Lamolécularamificadaresultante puede continuar creciendo por ambos extremos no reductores gracias a la actividad dela fosforilasa o la amilosintetasa. El mecanismode la síntesis delalmidón in vivo no se conoce todavía. Las mezclas de enzima Q y fosforilasa no producen una mezcla natural de amilosa y amilopectina sino tan sólo amilopectina, cuyo gradode ramificación es proporcional a la cantidad de enzima Q presente. La relación entre enzima Q y transglucosilasa UDPGo ADPG no está clara. INULINA. La síntesis de esta polifructosana p-(2:1) y la similar levana con enlace p-(2:6) no se conoce bien. Aparentemente las unidades de fructosa se transfieren a la posición 1 o a la 6 en la sacarosa que está siempre presente como terminal no redudora. Recientemente se aisló UDP-fructosa de los tubérculos de Dahlia, la que puedeserun intermediario. La inulinaesunaformade almacenaje importante en las raíces y tallos de plantastales como Dahlia y Helianthus tuberosum. Es interesante que estas plantas tiendan a dar almidón, no inulina, en sus hojas. Diversas plantas, especialmente monocotiledóneas, forman fructosanas en su tallo y hojas, por lo general de tipo levana. Sin embargo, en las espigasde los cereales se encuentran frudosanas del tipo de la inulina. CELULOSA. La reciente investigación de W. Hassid,en California, demuestra que
la celulosa se fabrica de modo análogo al almidón, pero el donador de unidades de glucosa es la guanosindifosfato de glucosa (GDPG) que forma enlaces 8-(1:4). Las
POLfMEROS Y GRANDES MOLfiCULAS
247
preparaciones de Lupinus albus (trébol blanco) libres de células hacen celulosa a partir del UDPH-GDPG.
OTROSPOLISACARIDOS. Otrospolisacáridos,la
mayoría estructurales (es decir, componentes de la pared celular) se forman por la enzima transglicosila partir del derivado UDP o ADP apropiado. kstos incluyen pectinas, ácido péctico, hemicelulosa y una variedad de xilenos, arabanos y diversos polisacáridos. Las sustancias pécticas incluyen ácido péctico, un ácido a-(1 :4) poli-D-galacturónicoque forma la lamela media de la pared celular, y pectinas que son similares esencialmente pero tienen los grupos carboxilo enmascarados por la formación de ésteres metílicos. CH3
CH3 I O
I
9
I
I
c=o
c=o
H
OH
H
OH
pectina
COOH
COOH
-
oH ;OH H I
OH H "
c
cH -OH H F
OH H
ácido péctico
Frecuentemente pueden incluirse otros azúcares en la estructura de las sustancias pécticas. Lashemicelulosasrepresentan un grupodepolisacáridosmal definidos, generalmente compuestos por varios azúcares diferentes y ácidos urónicos. Los detalles desu síntesis nose conocen. l?robablemente se hacen por reacciones transglicosil, como las sustancias pécticas y los polisacáridos de las algas relacionados (Capítulo 2). LfPIDOS Los lípidos de las plantas se dividen en tres grupos principales: las grasas y aceites presentes ensu mayoría como reserva alimenticia;;los fosfolípidos y glicolípidos, y lasceras principalmente como componentes estructuralesdelasmembranas, queformanlacapa exterior protectora o cutícula dela mayoría delasplantas. La síntesis de los ácidosgrasoses un proceso bastante complejo queprimeroseinvestigóensistemasanimales y microbianos.Dadoquela mayoría de los ácidos grasos naturales consisten de números pares de átomos de carbono y su @-oxidación da por resultado la producción de acetil-COA, se pensó primero que se formaban a la inversa del proceso de oxidación de acetil-COA (ver página 132),
248
METABOLISMO VEGETAL
Figura 6-9); luegose descubrió queelCO,esno sólo un estimulante dela síntesis de ácidos grasos sino también un reactante necesario aunque no se convierta é1 mismo en grasa. Este hecho se explica por el descubrimiento de que la malonilCOA, y no la acetil-COA, es la principal donadora de carbono para la síntesis de áciclograso. La malonil-COAsehace a partir de la acetil-COA y COZ por medio de la carboxilasa.
O II
+
CH3-C-CoA
ATP
+
COZ
biotina, M g 2
O +
+
COOH-CH2-C
carboxilasa
acetil-COA
I1
-COA
+
ADP
malonil-COA
Esta reacción se inhibe con ácido palmítico, un ácido graso común, lo que provee un efectivo mecanismode control por retroacción. Laacetil-COA requerida probablemente se deriva de la oxidación del piruvato. Pero esto ocurre en la mitocondria y la acetil-COA nopasa la membrana mitrocondrial. Es probable que la fracción acetato sea transferida a través de algún transportador a la COA citoplásmica como ocurre en la mitocondria animal. De otro modo, la acetil-COA podría sintetizarse a partir del citrato, quepuededifundir fuera de la mitocondria, por un mecanismo similar a la reacción animal. citrato
+
ATP
+
COA + acetil-COA
+
oxaloacetato
+
ADP
+
Pi
La malonil-COAdona un grupo acetil enuna reacción de reducción liberando COZ y COA reducida; el aceptor es la acetil-COA, o la COA derivada o un ácido graso de carbonos pares en la forma siguiente O
II
CH,-C"CoA
O
/I + COOH"CH,"C"COA + 2 NADPH
e
O
I/
CH,-CH,-CH,"C"COA
+ COASH + 2 NADP + CO, + HZ0
La CoASH se reduce a COA. De hecho la reacción no es tan sencilla como aquí se presenta. La COA derivada de los ácidos grasos que toma parte es transferida primero a una proteína especial denominada el transportador acil-proteína (ACP). Después de la condensación se forma de nuevo una COAderivada del ácido de larga cadena resultante. La síntesis de ácido palmítico, un ácido graso saturado (sin dobles ligaduras), podría sumarizarse así acetilCoA + 7 malonil-CoA+ 14 NADPH CH3-(CH,),,-COOH + 7 CO, " +
+ 8 COA + 14 NADP + 6 HZ0
El intermediario en la síntesis de grasa subsecuente es probablemente la acil-COA-grasa y no el ácido graso libre. La síntesis de ácidos grasos insaturados se lleva a cabo por reacciones de reducción quizás tomando parte la ferredoxina y el NADPH. Este proceso puede ocurrir en el cloroplasto y se activa con la luz.
POLfMEROS Y GRANDES MOLGCULAS
El esqueleto de glicerol de los triglicéridos (Capítulo 2, página 24) probablemente se deriva del intermediario glicolítico dihidroxiacetona fosfato (DHAP) por reducción. CH,OH
I C=O I
OP
fosfatídico ácido
249
CH,QH
I + NADH F= HOCH
+ NAD
I
CH,OP
glicerofosfato
DHAP
De otro modo, el glicerol puede formarse a partir de un intermediario no fosforilado y fosforilarse por la glicerokinasa siendo' el ATP el donador. El paso final en la síntesis de grasa es la combinación de tres ácidos grasos por enlaces estéricos con el glicerol fosfato en las reacciones siguientes:
O
O
I
II
I I
+
HOCH
'
CH20P
II
~"H,-O"C"R,
O
II
R,-C-COA O
R,-C-O-~"H
II
R,-C-COA
i T CH,OP
+ 2 COA
graso glicerofosfato acfl-CoA
O
II
O O
II
R,-C-O-CH
I1
CH,-O-C-R,
I I
~CH,-O"C"Rl
O
II + R,-C-COA
CH,OP
-I
R
CH-O-C-R,
+ COA + Pi
O
II
CH,-O-C-R, fosfatídico ácido
ad-COA triglicérido graso
Los ácidos fosfatídicos intermediarios seusanen la formación degrasas sustituidas. Éstas incluyen a las lecitinas, cefalinas y derivadosfosfatidil del glicerol e inositol, cuyas estructuras se muestran en la Figura 9-1. El primer paso en la síntesis delas grasas sustituidas es la fosforilación dela colina (paralas lecitinas) o la etanolamina (para la cefalina). La colina o la etanolamina son luego transferidas al trifosfato de citidina formando un derivado de éste que transfiere la colina y etanolaminaalácido fosfatídico liberando monofosfato decitidina. Luego el nucleótido es refosforilado a expensas del.ATP. Otras grasas sustituidasincluyen a los glicolípidos y sulfolípidos(ver Figura 9-1). Estos compuestos se encuentran en los cloroplastos y en diversas regiones de la célula metabólicamente activas y pueden ser cofactores importantes en algunas reacciones metabólicas o de síntesis. Las cerasvegetalessoncompuestosconlargascadenasde carbono, a menudo sólo hidrocarbonos, a vecescongrupos alcohol, aldehído o tetona. Gran parte de estas ceras se depositan en la superficie externa de la parte aérea de las plantas, protegiéndolas de la pérdida de agua, de la infección y de daños mecánicos a las células de la epidermis. La mayoría de las ceras vegetales que no tienen
METABOLISMO VEGETAL
260 Figura 9-1. Algunos I ípidos sustituidos. O
O
II
H2C-O-C"R,
H, C-O-C-
I;; I YH
II
I;; I YH
HC-O-C-R,
R
,
HC-O-C-R, CH,
I+ I
H2C-O-P-O-CH,-CH,-NH, H,C-O-P-O-CH,-CH2-N-CH3
II
O
I1
O
CH3 Una lecitina
Una cefalina
O
O
I1
H,C"O"C"R,
H,C-O-C-R,
I ;
HC"O HC-O-C-R, "C"R,
II
OH
I
II;
CH,OH
o=s=o
I
O H -!Q , oH
Hz~-o"-,&"
OH
H
Un galactolipido
OH
H
Un sulfolfpido
oxígeno o que lo tienen en el grupo alcohol o cetona adherido a la cadena enalgún sitio, poseen un número impar de átomos de carbono. Las que llevan un grupo activo con oxígeno (por ejemplo alcohol o ácido carboxílico) al final de la cadena poseen un número par de carbonos.
CLOROFFLA Ya se vio (Figura 7-4,página 165) la estructura dela clorofila. Las transformaciones en s u biosíntesis fueron estudiadas en animales y bacterias y se presentan enla Figura 9-2. Los materiales iniciales son el ácido succínico, como succinilCOA, y laglicina. Éstos se combinan para formar ácidod-amino-levulínico;dos moléculas de esta sustancia se condensan y forman porfobilinógeno, que contiene ya un anillo pirrol. Cuatro moléculas de porfobilinógeno se condensan luego para formar el porfirinógeno que tiene la estructura tetrapirrólica básica del núcleo porfirínico.El porfirinógeno sufre modificaciones paradar protoporfirina IX, que posee esencialmente la estructura de la clorofila pero le falta el átomo de Mg. Se introduce el Mg, se forma el anillo V de ciclopentanona y resulta la protoclorofilidaque se conjuga con una proteína especialen el plasto, y se reducepor acción de la luz que absorbe dando clorofilida a.* Luego el grupo fitil se esterifica sobre el ácido propiónico en el anillo IV, dando clorofila a. Al parecer la clorofila *EI ttlrmino c ~ o r o ~ l i dgeneralmente a se aplica a una clorofila, a la que le falta el grupo fitil. Cuando le falta el átomo de Mg a veces se llama una clorofilina.
251
POLfMEROS Y GRANDES MOLfiCULAS
b se forma a partir de la
clorofila a por oxidación del grupo metil en el anillo I1 formando aldehído. Recientemente se propusoqueelácido S -aminolevulínicoseelaboraen las hojas de maíz y otras por una reacción mucho más simple que involucra la reducción de a-cetoglutarato y la transaminación del producto. COOH
COOH
I CH, I CH, I c=o I
COOH
I
CHZ AH,
NAD NADH
+=
I I CH, I c=o I
piruvato almina
‘2
I c=o I
COOH
HC=O
ácido acetoglutárico
H,C=NH,
dioxivalérico 6-aminolevulínico ácido ácido
Esta síntesis se demostróen Chlorelh y enuna bacteria fotosintética, así como en maíz, frijol, cebada y pepino.Probablementeseproduceentodaslas plantas y puede tener una importancia mayor a la vía mencionada anteriormente. El hierro es esencial para la síntesis del ácido S -amino levulínico;la carencia del hierro determina una clorosis característica en los tejidos verdes. La síntesis de la clorofilaa partir de protoclorofilao protoclorofilida requiere deluz en la mayoría de las especies. Las longitudes de onda más efectiva para esta transformación son 450 y 650 nm, que corresponden a la máxima absorción de la protoclorofila. Todos los pasos de la síntesis de la clorofila, a partir del ácido S -aminolevulínico ocurren en el cloroplasto, ellugar de la síntesis de este ácido no se conoce. i
2 euccinil-COA I
J
+
2 glicina
Figura 9-2. Síntesis de
la clorofila.
2c0,
COOH
I CH,
COOH
CH,
CH,
I
I c=o
I ””””””
I
_”””
CH, \NH2”--
I I
CH,
Ácido 2 6-smlnolevullnico
c=o ‘CH,“NHI,
COOH
I
u:H coon
CH,
I
I
CH,
Porfobilln6geno
%H,
H
Continúa
METABOLISMO VEGETAL
262
Figura 92. (continuacidn)
(4 moléculas)
I
4NH3
CH,
Porfirinógeno
/
I
HOOC-CH,-C'H,
CHz"CHz-COOH
1 1
L a c o z
Coproporfirin6geno
8H
Protoporfirina
+ 4c0, IX
I
Mg-protaporfirina "CH3 de S-adenorilmetionina
CH,
II
Protoclorofila
CH,
HC----C=O
CH,
C-O"CH3
COOH
o
I
I
I
1I Continúa
POLfMEROS Y GRANDES MOLECULAS
Luz
253 Figura 92. (continuaci6n)
+ “1
Clorofila
Fitol
H
3
C
p
c
q
C
H
2
\ H3Cb
>
I
CH, H3,-C2,-O-C=0
I
-
C
H
3
Clorofila a
d
CH,
-
C
H
3
I
+ Clorofila O r l l + bz H
HC-C=O
I II
C-O-CH,
0
ISOPRENOIDES Este grupo tan diverso de compuestos de las plantas se constituye esencialmente por polímeros del compuesto isopreno. YH3
-CH=C-CH=CLos isoprenoides comprenden a los esteroi’des,los pigmentosde caroteno y la vitamina A, el hule, los terpenos, los aceites esenciales, la cadena de fitol de la clorofila, y algunas hormonas vegetales importantes: giberelinas y ácido abscísico. Hay cientos y quizá miles de compuestos en este grupo, y todas l a s plantas tienen la habilidad de sintetizar algunos de ellos. Ciertas plantas son ricas en isoprenoides como el hule. Este importante polímero es producido por varios grupos de plantas, notablemente hs Euforbiáceas a cuyo grupo pertenece el &bol del hule comercial Heuea braziliensis. El isopreno no ocurre como tal naturalmente. El “ladrillo de construcción” básico de los isoprenoides es el isopentenil pirofosfato que se forma por tres moléculas de acetil-COA como se ve en la Figura 9-3. Estos compuestos pueden condensarse con una moléculadedimetilalil pirofosfato, posteriormente sepuede añadir un isómeroderivadode sí mismo, para formar monoterpenos, y grupos adicionales de isopentenol pirofosfato. Las relaciones estructurales de los isoprenoides comunes de presentanen la Figura 9-4. Algunosmiembrosde este gruposonde gran importancia fisiológica. Las giberelinas, potentes fitohormonas, sederivandelosditerpenosqueforman estructuras intercíclicas. El ácido abscisic0 que induce letargo en las plantas también se deriva de los intermediarios isoprenoides probablemente a través de una vía ~metabólicasimilar. Se sugirió que parte del mecanismo del control de creci-
METABOLISMO VEGETAL
264 Figura 9-3. Síntesisde los precursores terphicos isopentenil pirofosfato y dirnetílalil pirofosfato.
O
O
1I
+
CH,-C-COA
II
CH,-C-COA
It O
COA
O
II
11
CH,-C-CH,-C-COA Acetil-CoA7J OH
I I
1
Acetoacetil-COA
LCoA
O
I1
CH,-C-CH,-C-C~A
0-hidroxi0-metil glutaril-COA
CH,-COOH
2 NADPH;
Acetil-COA
+c:::Dp+ OH
I I
CH,-C-CH,-CH,OH
Acido meval6nico
CH2-COOH
2 ATP
ft-
2 ADP
OH
I I
CH3-C-CH,-CH,-O-P“P Ácido
mevalónico pirofosfato
CH,-COOH ATP +, :+ := A
CH3, /C-CH,-CH,-O-P-O-P
Pi
lsopentenil pirofosfato
CH,
CH,-C=CH-CH2-O-P-O-P
I
Dimetilalil piroforfato
CH3
miento y del letargo se lleva a cabo por un “intercambiador” metabólico entre la síntesis de ácido giberélico y de ácido abscísico (ver Capítulos 22 y 23). De los sesquiterpenos (unidades de tres isoprenos) derivan diversas hormonas animales, incluyendo la hormona juvenil de los insectos y de atracción sexual para el macho. Dado que los insectos parecen ser incapaces de elaborar sesquiterpenos probablemente obtienen los esqueletos de carbono para estos compuestos al alimentarse de las plantas. Similarmente, lavitamina A quemuchosanimales son incapaces de sintetizar se deriva del caroteno sintetizado por las plantas. Los esteroides, que a menudo tienen una seria influencia fisiológica sobre los animales, también derivan de los sesquiterpenos. Muchos de los compuestos que dan el
POLfMEROS Y GRANDES MOLGCULAS
255
aroma y sabor característico de las plantas son aceites esenciales (esencia en sentido de perfume). El hule y las gomas se cuentan entre los productos comerciales más valiosos de las plantas.El chicle es una interesante mezcla de isoprenoides formada poruna variedad de isómeros del hule y triterpenoles, generalmente saborizados con monoterpenoles como el aceite esencial de menta. Figura 9-4. Relacionesde los compuestosisoprenoides.(Lasunidadesisopreno.est8n encerradas en un circulo; nx = nljmero de unidades (le isopreno.) Trementina
t
Monoterpenor
Carotenoides Aceites esenciales
-lsoprenol (del isopentenil pirofosfato)
Diterpenos (4x1 (fit011
Acido giberdiico ( 4 x )
Mentol; aceites esenciales (2x1
Sesquiterpenes (3x1
_C
Escualen0 (6x1
.-. Aceites esenciales
Farnesoi (3x1
COMPUESTOS FENÓLICOS Y
AROMATICOS
Todaslasplantas contienen un númerodecompuestosdecomplejidadvariable cuya unidad es el anillo bencénico. El anillo, o anil:los, puede estar más o menos reducido y conmuchosgruposde sustitución posibles.Muchashormonas naturales y sinteticas son fenoles sustituidos o sus derivados. Ciertos aminoácidos, el grupo prostktico de ciertas enzimas y la sustancia estructural lignina son compuestos fenólicos. La mayoría de los compuestos fenólicos se deriva de los intermediarios del metabolismo respiratorio a traves del ácido shikímico, que se describe a continuación. AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS;ACIDO INDOLACETICO.La fenilalanina, la tirosina y el triptófano se forman por transformaciones del áclido shikímico ilustradas en la
2 56
VEGETAL
METABOLISMO
Figura 9-5. Los compuestos de que se parte son el fosfoenol piruvato, derivado de metabolismo fotosinla glicólisis, y la eritrosa-4-fosfato quepuedederivarsedel tético o también de la vía accesoria de las pentosas en la respiración. El primer intermediario estable de importancia que tiene un anillo bencénico es el ácido shikímico que da su nombre a esta vía de transformaciones. Una molécula adicioCJ para formar ácido corísmico. La cadena nalde ácido pirúvicoseadhiereal lateral piruvilse transfiere por un cambio interno al C-1 formando ácido prefénico. Este es un importante punto de ramificación que a través del ácido p-hidroxifenilpirúvico lleva a la tirosina. El ácido corísmico provee el punto de ramificación para la síntesis del indol, que llevaal triptófano y al núcleo indol para el ácido indolacético, importante sustancia en el crecimiento vegetal (ver Figura 9-5). La cadena lateral se desprende y se adiciona nitrógeno parahacer ácido antranílico. Se forma un derivado fosforibosil pirofosfato (PRPP) (ver la síntesis de purina, página 236)que se convierte en el derivado glicerilfosfato del indol, el cual pasa a triptófano por reacción con la serina. El triptófano puede convertirse en ácido indolacético por dos caminos como seveen la Figura 9-6. Una interesante salida lateral lleva a la serotonina, un factor importante en la transmisión de los impulsos nerviososen el animal.
FENOLES SIMPLES Y LIGNINA. De los intermediarios enlas transformaciones que llevan el ácido shikímico, de la fenilalanina o tirosina, se derivan diversos fenoles simples. Se incluyenlos ácidos cinámico, cumárico, cafeico, ferúlico, protocartecoico, clorogénico y quínico, como seveen la Figura 9-7. Están ampliamente distribuidos enlas plantaspero sus funciones nosonbien conocidas. Algunos tienen propiedades antibacterianas o antifúngicas y podrían tener un papelen la resistencia a las enfermedades en ciertas plantas.Además, enlas plantas se encuentran muchos productos relacionados con ellos, llamados cumarinas, que llevanen su estructura un doble anillo (Figura 9-7). Estos compuestos o sus derivados a menudoson extremadamente tóxicosa los animales,por ejemplo el dicumarol originado de la cumarina en el trébol durante el almacenaje. Las cumarinaspuedenformarseenlasplantasenrespuesta a lainvasióndeparásitoshaciéndolas resistentes a la invasión. Unaenzima interesante en el metabolismo de los compuestos fenólicos es la fenilalanina amonidiasa (PAL)que cataliza la desaminación de la fenilalanina para dar ácido cinámico (Figura 9-7), un importante precursor de los compuestos flavonoides (mostrados en laFigura 9-10). Esta importante enzima cataliza la reacción de ramificación de la molécula, enlavía quelleva al ácido shikímico (Figura 9-5), abriéndola a un amplio rango de productos secundarios como ligninas, fenoles y cumarinas, así como flavonas y antocianinas. El interés radica en que la actividad de esta enzima es afectada por una gran variedad de factores externos e internos. Varía según el estado de desarrollo de la planta. Es estimulada por las lesiones, la infección y porel compuesto fitorregulador etileno (verpágina 425). Estos factores están probablemente correlacionados: laslesiones y la infección a menudoestimulan la formación de etileno enlos tejidos. Los compuestos fenólicos que se forman como resultado de la estimulación dePAL incluyen compuestos bactericidas potentes y los precursores de la lignina necesarios para reparar las heridas. Ciertas hormonas (notablemente el IAA) inhiben a PAL y su actividad se incrementa con alto contenido de carbono. La faceta más estudiada del PAL es la activación por la luz, como se veen
POLfMEROS MOLECULAS Y GRANDES
257
Figura 9-5. Biosíntesis de los aminoilcidos aromilticos. Los productos finales de las transformaciones sintcIticas estiln con mayúsculas.
-
Fosfoenolpiruvato (PEP)
+ Eritrosa-4-fosfato
Ácid0 :3-desoxiarabinoheptulosónlco-7-fosfato
COOH
H Ácido shikímico Ácido
OH
5-deshidroquínico
COOH
I
I
0
0 -2p0 I
COOH
COOH CHZ CH,-C-COOH
O-C-COOH
O H
+
-
\
OH
Ácid0 prefhico
Ácido corismico Glutamina
c=o
O
Ácido g l u t h i c o
1
NAD*
\\co,
Ácido fenilpirÚViC0
O
I
CH,"E"COOH
+
Transaminasa
8 o a:H ' 1L
Piruvato
I
NH,
I
CH,-CH-COOH
OH
Ácido hidroxifenilpirúvico Transaminasa I NI.í,
Ácido antranflico
1\-
Fosforibosil pirofosfato
+
L C 0 2
Q~K""'-CH,-O-P
H Indol-3-glicerol fosfato
0
FENILALANINA
CH,-!-I-COOH
TIROSINA
Serina
+-
3-fosfogliceraldehldo
O 7 C H 2 - f - C O NH, O H
"
TRIPTOFANO
METABOLISMO VEGETAL
258
Figura 9-6. Transformaciones del indol. Lastransformacionesde la triptamina y del indol piruvato ocurren en muchas plantas. La transformaci6n del indolacetonitrilose restringe a las Brassicaceae y grupos emparentados. (Ilustraciones, cortesia del Dr. F. Wightman. Universidad Carleton, Ottawa, CanadB.)
/'-y "\ -
-
,-
1/
'I
Triptofano
/
Ácido indolpirúvico
Triptamina .- --+Serotonina
\
\
\
co,
lndolacetonitrilo
\
Indolacetaldeh(do
Acido indolacetico
CH,--COQH
lndolaldehfdo
I
H
la Figura 9-8. Varios tratamientos de luz, además de la azul que se presenta en la Figura 9-8, activan a la enzima enun amplio rango de tejidos. La fase de retardo en la respuesta no se pudo explicar hasta ahora, pero puede relacionarse con una respuestadel fitocromo, un pigmentoinvolucrado en la fotomorfogénesis (ver Capítulo 20). Tanto los datos como los puntos de vista sobre la naturaleza de la estimulación son conflictivos. Los inhibidores de la síntesis proteica impidenel Figura 9-7. Fenoles simples y derivados. FENOLES S I M P L E S
CH
CH
CH
CH
CH
CH
COOH
COOH
I
COOH
Ácido cafeico
Ácido ferúlico
Ácido p-cum8rico
/I I
I/
I1 I
Continúa
POLfMEROS MOLECULAS Y GRANDES
259
Figura 9-7. (continuación)
OH CH
I1
CH
I
c=o I COOH
CH
I1
CH
Ácido protocatacuico
I
HO
COOH COO H
Ácido transcinhmico
Ácido cloroghico
ClJMARlNAS
c H 3 - 0 9 &
ErcoDoletina
Cumarina
M O N ~ M E R O : ;DE LIGNINA
CH
CH
CH
CH
CH
CH,OH
CH,OH
CH
I1 I
Alcohol coniferil Alcohol
II
1
sinapil
It I
CH,OH D-cumaril Alcohol
METABOLISMO VEGETAL
260
-
e
Irradiado Testigo (oscuridad)
O O
I
I
I
1
6
12
18
24
Horas iluminaci6n de
Figura 9-8. Efecto de la luz azul en la fenilalanina-amonia-liasa (PAL) en el hipoc6tilo de pepinillo. (De datos H. Smith:Thebiochemistry of photomorpho genesis. En D.H. Northcote (ed.): Plant Biochemistry. Butterworths, Londres, 1976.)
incremento de PAL, lo que sugiere que la luz estimula su síntesis. Sin embargo, la enzima parece estar en un estado de continua síntesis y degradación (producción cíclica, ver página 234) y el efecto de la luz puede ser lainhibiciónde su desintegración, más quelaestimulaciónde su síntesis. Los experimentos en los que el tejido se incubó con agua pesada (DZO), durante la activación no mostraron mayor incorporación de D en la enzima en el tejido iluminado, que en el testigo en el oscuridad. Por lo tanto, la estimulación lumínica parece ser la activación de una enzima existente o la prevención de su destrucción. Otro fundamento para esta explicación es la rápida pérdida de actividad después de un tiempo aunque se continúe el tratamiento con luz, como se ve en la Figura 9-8. Los inhibidores de la síntesis proteica, aplicados cuando la estimulación está al máximo, previenen la pérdida subsecuente, lo que sugiere que el metabolismo proteico está involucrado tanto en la pérdida como enelincrementode actividad. Por ejemplo, losinhibidoresde lasíntesisproteica pueden inhibir igualmente laproducción de activadores e inactivadores del PAL. Estas ideas se resumen en la Figura 9-9. Es obvio que este sistema no está aún totalmente entendido. Sin embargo, en un ejemplo interesante de una enzima reguladora que controla las actividades sus vías de transformación. relativas de los procesos metabólicos que intersectan Por esta razón y porque es fácil de experimentar ha llegado a ser una de las enzimas vegetales más estudiadas. Después de la celulosa, la lignina es la sustancia biológica más importante tanto en términos de su cantidad total en la Tierra como de su importancia estructural para el tejido leñoso o maderable. La lignina es extremadamente difícil de estudiar como compuesto químico porque no puede extraerse fácilmente sin que sufra una fuerte degradación. Sin embargo, los monómeros de la lignina pueden ser aislados y se ha encontrado que son principalmente alcoholes derivados de sustancias fenólicassimples, como porejemploalcoholesconiferil, sinapil y p-cumaril, mostrados en la Figura 9-7. Los monómeros de la lignina se arreglan al azar,aparentemente,por medio de un complejosistema de enlacesmutuos. La
POLfMEROS Y GRANDES MOLGCULAS
26 1
LUZ
it-
Slntesis del activador
P A L inactivo
lnhibidores de la slntesis proteica
P A L activo
=d
,Luz
-7,
lnhibidores de la slntesis proteica
Síntesis del inactivador
Figura 9-9. Posiblemecanismo de activacibn de la fenilalanina monia-liasa (PAL).
naturaleza de algunosde ellos es conocida pero m0 lo es el arreglointegralde la lignina natural característica. El hecho importante es que una cantidad masiva de carbono metabolizado es convertido en lignina por la vía del ácido shikímico. Esta vía tiene pues una importancia básica en la s,íntesis de muchos metabolitos importantes que incluyen compuestos tan diversos como los aminoácidos de las proteínas, hormonas y materiales estructurales de las plantas. FLAVONAS Y ANTOCIANINAS. Estos compuestos se relacionan entre sí y son derivadosdeuna estructura con triple anillo que se muestra en laFigura 9-10. El ácido shikímico y el resto de la estructura parece anillo B se deriva de la vía del derivarse por una condensación de unidades de acetil-COA probablemente a continuación de su conversión en malonil-COA. Las flavonas y antocianinas son interesantes; porque tienen colores brillantes. Sin duda son un factor de atracción de los insectos hacia las flores, donde se entre las antocianinas de encuentran principalmente. A menudohaysimilitud la quimiotaxonomía grupos de plantas emparentados entre sí y sehanusadoen o dife(estudio de las relaciones entre los organismosbasadoenlassimilitudes rencias entre sus constituyentes o sus procesos químicos). El funcionamiento de las antocianinas se liga estrechamente con el desarrollo, y ciertas leucoantocianiMS (sin color) .actúan,)según se sospecha, 'como hormonas del crecimiento en las semillas endesarrollo.%os factores del medio, incluyendo bajo nitrógeno o fósforo, causan un incremento en la formación de antocianinas en los tallos y hojas. LLos característicos colores del follaje en otoño se deben a las antocianinas, y su producción se vemuy afectada por la temperatura. La formación de antocianina a menudose acelera en tejidos viejos.Generalmente su síntesis aumenta con la luz, siendo la luz azul la más efectiva,h
26 2
METABOLISMO VEGETAL
a l
Figura 9-10. Antocianidinas y antocianinas. Las antocianidinas se caracterizan por la sustitución en el anillo B.
7
6
A
2'
l o 4 H , A O 6'
04,
3' P
5'
OH
5'
4
O
Núcleo de la flavona
Antocianidina Pelargonidina Cianidina Delfinidina Peonidina Petunidina Malvidina
H
3'
4'
5'
-
OH OH OH OH OH OH
-
OH O HO H OCH3 OH OCH3 OCH OCH3
-
Núcleo de la antocianidina
Color
Rojo Rojo Azul Rojo Púrpura Malva
Las antocianinas son glicósidos derivados en los hidroxilos 3, 5 6 7 en el anillo A y el núcleo central.
3: Varios azúcares distintos, el mds común glucosa, a menudo di o trisadridos.
5: A veces glucosa, rara vez otros azúcares. 7 . Rara vez glicosilador y en todo cam solamenteporlaglucosa.
LECTURAS ADICIONALES Annual Review of Biochemistry y Annual Review of Plant Physiology. Bonner, J. y J.E. Varner (eds.): Plant Biochemistry. Academic Press, Nueva York. 1965. Cap. 13 y 21-28. Pridham, J.B., y T.S. Swain: Biosynthetic Pathwaysin Higher Plants. Academic Press, Nueva
York. 1965. Robinson, T.,The Organic Constituents of Higher Plants. Burgess Publishing Co. Minneapolis, Minn. 1967.
SECCIÓN 111
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICIóN DE LAS PLANTAS
Capítulo 10
EL SUELO Y LA NUTRWCI6N MINERAL
EL SUELO El suelo suministra soporte físico y anclaje para muchas plantas, así como nutrimentos dediversasclasesparala mayoría de ellas. Sin embargo, es mucho más queun soporte pasivo o un simple recipiente de agua ysales nutritivas; es un medio complejo que influye en la vida de la planta de muchas maneras, ya que las raíces no sólo viven en 41 sino que crecen a través suyo, y sus propiedades químicas y físicas pueden tener fuertes interacciones con las raíces vivas. El sistema suelo-raíz es un complejo viviente y dinámico cuyas interrelaciones se deben valorar antes de que pueda comprendersela vida de la planta que crece en él. TEXTURA Y ESTRUCTURA DELSUELO. La textura del Sue10se refiere al tamaño
de las partículas individuales. Existen suelos con ,variastexturas, desde las arcillas extremada y finamente divididas hasta la arena gruesa, junto con variadas cantidades de materia orgánica. Las partículas del suelo se clasifican de acuerdo a su tamaño en: arena (2-0.02 mm de diámetro), limo (0.02-0.002 mm de diámetro) y arcilla (menos de 0.002 mm de diámetro). Una mezcla aproximadamente igual de estas tres se llama marga. Las partículas de arena son fragmentos de roca pequeños, amenudo no intemperizados y no interactúan fuertemente con agua o minerales. Las partículas de arcilla son suficientemente pequeñas para ser coloidales y muestran las propiedades de los coloides (ver página 14). Las partículas de limo son intermedias; sus superficiespuedenserlisas o no intemperizadas, a menudoestán cubiertas con arcilla y así exhiben propiedadesintermedias entre las de arena y arcilla. El agua se percola rápidamente a través de suelos arenosos y se evapora de ellos con facilidad. Los suelos arcillosos retienen el agua fuertemente. La capacidad de retención de agua también está muy afectada por la cantidaddemateriaorgánicapresente. La relación entre la textura delsuelo y la cantidad de agua que retiene se muestra en la Tabla 10-1. La estructura del suelose refiere a la organización de laspartículas en terrones o agregados. En suelosarenosos los agregadossongeneralmentepequeños, deruptura fácil y consistenamenudo de granos sencillos. Sin embargc, los suelos arcillosos o arenosos, particularmentelosque contienen muchamateria orgánica, a menudo se organizan en grumos o migajones de 1 mm a varios de diámetro. Los buenos suelos tienen una estructura desmenuzable. Esto les confiere
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICI6N DEPLANTAS LAS
266
Tabla 10-1. Relación entre textura y capacidad de retenci6n
de agua de los suelos. Textura del suelo gruesa
Arena Marga Marga Marga Arcilla Suelos estercolados
Retenci6n de agua, g/1 ,000 cc 40- 1O0 100-175 150-200 175-225 175-250
turba y de
200-300
un área superficial grande y por ello buenas propiedades de retención deagua y buena aireación. La estructura del suelopuededañarse o cambiarse por medios mecánicos (por ejemplo, el trabajo en tierrasarcillosascuandoestándemasiado húmedasproduce terrones pesados y compactos). Lasarcillaspesadasson particularmenteinestables y tiendenaenfangarse, con lo cualpierden su estructura yse tornan unamasasólida. Tales suelosson de aireación y drenajepobresy generalmentenoson muy productivos.Parausos agrícolas la estructura de los suelos arcillosos pesados debe reacondicionarse mediante la ruptura de los terrones y la adición de materia orgánica, lo cual coadyuva a impedir el anegamiento. La materia orgánica (del 5 al 15%en la mayoría de los buenos suelosagrícolas) es importante para el mantenimiento de la estructura y capacidad retentiva de agua del suelo. Lo es también porque ayuda laa retención de nutrimentosque de otro modo podrían lavarse del suelo. Además, la materia orgánica ayuda a suministrar substratos para el metabolismo de los organismos del suelo que son increíblemente abundantes en la mayoría de los buenos suelos. El peso de la totalidad de organismos (bacterias, hongos, algas y animales invertebrados) en los primeros treinta centímetros de profundidad de los suelos es impresionantemente grande, y por lo general fluctúa entre 500-700 g/m2 (equivalente a 5-7 toneladas/hectá10 toneladasde tejido vivo por rea), peroenalgunospuedesersuperioralas hectárea. Estos organismos son muy importantes en la producción y el mantenimiento de una buena estructura del suelo; además, incrementan la fertilidad mediante la disolución o liberación de nutrimentos ligadosquede otro modo podrían no estar disponiblespara las plantas. También, sonde gran importancia en la fijación del nitrógeno y en otras relaciones simbióticas con las raíces de la plata (ver Capítulos 8 y 27). El suelo posee también una atmósfera limitada que puede contener de 10 a 20 veces más CO, que el aire, tal vez debido a las actividades metabólicas delosorganismosque contiene. Esto podría ser un factor importante en la conocida actividad p-carboxilante de las raíces. El complejo deeventosque conduce al desarrollo y formación de tipos específicos de suelos y la diversidad de sus composiciones están más allá del alcance de este libro. Sin embargo, es importante señalar que el origen, estructura y composición del suelo tienen una gran influencia en el grado de aireación y las relaciones de agua de los suelos, así como en el espectro, las cantidades y la disponibilidad de los minerales que contienen. Bstos, a su vez, son factores poderosos, determinantesdel tipo deplantasquepueden crecer en el suelo y de los problemas fisiológicosque éstas enfrentan en su crecimiento.
E L SUELO Y LA MINERAL NUTRICIdN
267
AGUA EDAFICA. El agua se presenta en el suelo de diversas formas y está sujeta a diversos tipos de stress. El agua es retenida en los suelos por fuerzas absorbentes o por presión hidrostática (es decir, por abajo de la tabla de agua). Tiende a dejar elsuelopor evaporación, gravedad o absorción haciael interior de las raíces. Puesto que el paso del agua a la raíz tiene lugar por ósmosis, debemos considerar el potencial osmótico del agua del suelo así como, las diversas fuerzas que la retienen en él. La forma más efectiva de examinar su movimiento en el suelo es considerar su potencial de agua, I) (ver Capítulo 3). El agua difunde en el suelo como lo hace entre las células de una región de alto potencial a otra de bajo potencial. Los componentes del potencial de agua de un suelo son los mismos que los de una célula: potencial de presión($+ ), el cual incluye la acción de fuerzas de gravedad,potencial osmótico (&) de la solución del suelo, y el potencial mátrico ($'M ), una expresión de las diversas atracciones químicas y físicas entre el agua y las partículas del suelo que se traduce en la retención de agua por los suelos. El potencial mátrico incluye la atracción capilar y las fuerzas intermoleculares que fijan agua de hidratación en los coloides del suelo. En suma, el potencial de agua se puede expresar en unidades de fuerza o presión como sigue:
El potencial mátrico y el osmótico interactúan fuertemente en los suelos debido a la absorción selectiva del agua o los solutos, por las partículas coloidales, así que su contribución exactaal potencial de agua del sueloes difícil de determinar. Los términos tensión de agua o potencial de agua se han usado en el pasado para describir la tendencia de un suelo a absorber agua. Estos términos son equivalentes en valor, pero designo opuesto a $, el cual describe apropiadamente el potencial de agua, más que una característica de la matriz. El potencial de agua ($') de los suelos varía considerablemente. El valor de $ enun suelo totalmente saturadode aguapura a presión atmosférica es cero. Sin embargo, el agua edáfica normalmente está presente como solución, y en este caso $' sería inferior a cero en un valor igual al potencial osrnótico de la solución. En el otro extremo de la escala, el potencial deagua de un coloide seco podría ser tan bajo como -3,000 bars (3,166 kg/cm2). Los valores más usuales fluctúan El potencial de aguapuedemealrededor de -1 ó -2 barsensuelosnormales. dirse colocando suelo enun recipiente que poseaunamembrana porosa sostenida en su fondo y determinar la presión aplicada (mediante aire o centrifugación) que se necesite para forzar el agua a salir. Cuando el suelo se ha humedecido por completo y se le permite drenar hasta que el movimiento capilar cese deltodo, se dice que está a su capacidad de campo. Los suelos arcillosos que poseen un área superficial muy grande y un bajo potencial mátrico pueden retener mucha más agua que los suelos arenosos. La relación entre el potencial de agua y la cantidad de agua presente en los suelos tipicos se muestra en la Figura 10-1. Se debe advertir que los suelos arcillosos retienen grandes cantidades deagua. Éstos se secan lentamente, peroel agua quepermanece es retenida con gran tenacidad (es decir, su potencial de agua es muy bajo) y necesitan mucha fuerza paraextraerla. Cuandoel potencial hídrico desciendedemasiado,lasplantas ya no son capaces de absorber el agua necesaria o de absorberla lo suficientemente rápido
268
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
I
"O
-0.25
1
-0.5
I
-0.75 -1 Potencial de agua del suelo, bars
I
.o
NUTRICIdN DE LAS PLANTAS
I
I
-1.25
Figura 10-1. Relaci6nentre contenido deagua y potencial deagua, o tensi6n de humedad del suelo, de los suelos. Las flechas indican la capacidad de campo de los suelos.
para reemplazar la que se pierde por transpiración. Es en este punto que las hojas empiezan a marchitarse. Si la pérdida de aguase detiene al colocar las hojas en una atmósfera saturada y ellas se recuperan, se dice que están en un estadode marchitez incipiente. Sin embargo, llega un momento en que el contenido de agua del suelo es tan bajo que las hojas no consiguen recuperarse de la marchitez aunque se coloquen en atmósfera saturada de agua. El contenido de agua del suelo en este punto se llama porcentaje de marchitez permanente. Se considera que es una constante del suelo, aunque varía ligeramente con la capacidad de la plantaprueba para absorber agua. Los valores promedio son alrededor del 1% para la arena, 3-6%para la marga y hasta 10% para la arcilla,loque representa un potencial de agua de alrededor de -15 bars. El agua que se conserva en el suelo al porcentaje de marchitez permanente no está disponible para las plantas, y las que mantienen por mucho tiempo ese porcentaje mueren. El aguapuede presentarse en el suelo de varias formas: como agua de hidratacióndecoloides,como agua libre (a menudo en los espacios capilares del suelo) y como vapor. Cuando las raíces remueven el agua delsuelo, másagua difunde hacia el sitio de absorción para su reemplazo. La resistencia al movimiento de agua es un fenómeno complejo pero, en general, es proporcional a la cantidad de agua presente en el suelo, al tamaño de los espacios o huecos entre las partículas del suelo y a la tenacidad con la que el agua se adsorbe sobre las partículas coloidales del suelo. Evidentementeel aguasemueve mucho más rápido en la arena que en la arcilla. Cuando el contenido de humedad del suelo desciende, y moverse a través de é1 como vapor. Por lo tanto, el elaguapuedeevaporarse potencial osmótico del agua edifica puede llegar a ser un factor importante en su movimiento porque el sistema agua-aire-agua constituye una barrera semipermeable que permite el paso del agua pero no de sólidos disueltos. En general, el mo-
MINERAL ELNUTRICI6N SUELO Y LA
269
vimiento de agua a través del suelo es muy lento y llega a ser casi imperceptible en condiciones de porcentaje de marchitez permanente. Las plantas absorben no sólo el agua que se mueve hacia ellas como consecuencia del reducido potencial hídrico alrededor de las raíces, sino también el agua del suelo, que las raíces encuentran conforme crecen a través de él. El enorme y permanente crecimiento de las raíces esnecesariopara satisfacer este requerimiento, aunquenaturalmente no pueden crecer hacia cada partícula del suelo llena o cubierta de agua, pues no habría suficiente agua para producirtal cantidad de raíces. NUTRNENTOS. Los nutrimentos y otros compuestossepresentan enun estado dinámico en el suelo. Se añaden o remueven de manera continua mediante diversas vías, y lafertilidadde un suelodepende de lastasasrelativasdeadición y remoción desustanciasnutricias.Además, los elementos puedenretenerse con más o menos firmeza en el suelo, por enlaces químicos y físicos. Así pues, la fertilidadpuede afectarse también por la facilidad o dificultad con que los nutrimentos se absorben por la raíz, así como por su tendencia a permanecer o ser lavados del suelo por la lluvia o el movimiento de agua subterránea. Los iones disueltos en la fase suelo-agua están libremente disponibles para las raíces; los que estánvinculados a partículas delsuelosóloestándisponibles conforme entran en solución; de manera que la fertilidad de un suelo depende de la concentración de nutrimentos en solución, no de los elementos nutritivos que contenga. Puesto que las partículas de suelo se intemperizan y rompen continuamente, su composición y tasa dedegradación afecta la fertilidaddelsuelo.Otros factores que afectan la cantidad y disponibilidad de nutrimentos sonpH, contenido de oxígeno y capacidad de intercambio iónico del suelo. Este último factor depende de la naturaleza del mineral y fragmentos de roca de los cuales está formado el suelo, y particularmente del tamaño de las partículas. Un fino suelo arcilloso contiene micelas coloidales con una enorme área superficial. Puesto que las superficies de los coloides generalmente están cargadas, pueden ser capacesde retener grandes cantidades de iones de modo más o menos firme. Además, el material orgánico presente en el suelo puede tener una gran capacidad de intercambio iónico. Ésta depende, naturalmente, de la disponibilidad y concentración de iones H o OH - ; asimismo, la tendencia de cualquier ion dadoa ser absorbido depende en gran medida de la concentración de otros iones presentes. La presencia de microorganismos en el suelo afecta fuertemente su fertilidad. Los microorganismos pueden ser nocivosal competir con las plantas por iones que se presentan en bajas concentraciones, porque muchos de estos iones llegan a estar disponibles en forma orgánica. Alternativamente, la actividad de losmicroorganismospuede afectar el intercambio iónico cambiandoel pH del suelo, de manera que algunos elernentos llegan a estar más disponibles para las plantas. Estos efectos puedensermuy notables. La infestación microbiana del suelo puede aumentar considerablemente el crecimiento de las plantas a1 incrementar la disponibilidad de hierro, boro o molibdeno, por ejemplo. Los iones pueden estar presentes disueltos enla solución del suelo, o vinculados por reacciones de intercambio iónico como nutrimentos intercambiables en el complejo de intercambio de aquél. A su vez,,puedenpresentarse en la estructura moleculardelas micelas, delascuales está compuesto el suelo O estar muy firmemente unidos a él, de manera que no sean intercambiables. Los nivelesdeionesenlasolucióndelsuelosemiden extrayendo muestras deagua y analizándolas.Ciertos iones, como sulfatos y cloruros, solamente +
SUELO, AGUA YNUTRICI6N AIRE: LA LAS DE
270
PLANTAS
poseen una débil energía de enlace y por ello usualmente se presentan en grandes cantidades en esas soluciones. Otros, como los de calcio y magnesia pueden estar en cantidades grandes o pequeñas según la naturaleza de las partículas del suelo, a las que están absorbidos muy fuertemente, Los niveles de nutrimentos intercambiables enel complejo de intercambio semiden mediante percolación delsuelo con acetato de amonio o ácido acético, los que desplazan los iones del complejo de intercambio. El ácido acético usualmente desplaza más micronutrimentos que el acetato de amonio, tal vez debido a su mayor solubilidad en soluciones ácidas. Las sustancias no intercambiables pueden medirse luego de una adecuada degradación química del suelo. Los aniones y cationes quedan retenidos en el complejo de intercambio, lo queindicaqueelsueloes anfótero (que poseecargasnegativas y positivas). La capacidad de intercambio catiónico es por lo regular mucho mayor y más importante queel intercambio aniónico. Lacapacidadde intercambio varía enormemente entre suelos, como se muestra en la Tabla 10-2, siendo más alta en los arcillosos y los de alto contenido orgánico. Las diferentes arcillas poseen diferentes estructuras cristalinas, las que afectan s u capacidad de absorción iónica, así como su comportamiento ante la hidratación. Las partículas de caolinita están formadas decapas alternantes de sílice y alúminaquesemantienen juntas rígidamente. Sólo las superficies exteriores de las partículas están disponibles parala absorción de agua o intercambio iónico, así que la capacidad de iritercambio y retención de agua de la caolinita es bastante baja y no se dilata mucho con la hidratación. Las partículas de montmorilonita, por otra parte, están compuestas de capas de alúmina intercaladas entre dos capas de d i c e . Cada uno de estos “sandwiches” está laxamente unido al siguiente y el agua o los iones pueden enlazarse sobre todas las superficies que quedanentre los sandwiches, dentro de las partículas. Por lo tanto, la montmorilonita posee una gran capacidad para retener agua y minerales y sufre considerable hinchamiento con la hidratación. La disponibilidad para la solución del suelo, y por lo tanto para las plantas, de elementos en el complejo de intercambio depende de su energía de ligamiento, una medida de la firmeza con la cual los iones están retenidos. El aluminio, el bario y el fósforo tienen alta energía de ligamientoy, en consecuencia, se presentan a bajas concentraciones en la solución del suelo. Los iones como el calcio, el potasio y el magnesio poseen energías de ligamiento intermedias, en tanto que el sodio y la mayoría de los aniones (cloruro, sulfato y otros) las tienen débiles y consecuentemente tienden a abundaren la solucióndelsuelo. El fosfato constituye una Tabla 10-2. Capacidad de intercambio suelos. suelo
Tipo de
Arc¡ Ilas Caolinita Montmorilonita Humus Porción arcillosade marga Porci6n orginica de marga Porción arenosa de marga
catiónico dealgunos
Capacidad, mEq/100 g
5-1 5 80-120 150-300 3-1 O 10-20 0-1
EL SUELO Y LA NUTRICION MINERAL
271
excepción por estar por lo común fuertemente ligado. Los iones con elevada energía deligamiento tienden a desplazar iones de baja energía. Asimismo,añadir una cantidad grande de un ion de enlace más débil aún, se traduce en el desplazamiento y liberación de una pequeña cantidad de iones de enlace más fuerte. Los iones hidrógeno e hidroxilo son de enlace muy fuerte, por lo que el pH es importante en la determinación de la disponibilidad de minerales presentes en los suelos. La Figura 10-2muestra el efecto de la acidez o alcalinidad del suelo sobre la disponibilidad de varios nutrimentos importantes. La cantidad de un ion presente en la soluci6n del suelo y el complejo de intercambio de éste es, por lo tanto, el resultado de varios factores: la cantidad total presente (que puede tener relación con la naturaleza mineral de las partículas del suelo), su capacidad deintercambio, su pH,así como la relativa abundancia de otros iones. La adición de un ion de enlace fuerte como el aluminio liberará más iones de enlace débil a la solución del suelo, incrementándose a s í su abundancia en la fase del suelo accesible a las raíces. El fósforo está a menudo en provisión limitadaporque está fuertemente enlazado; los iones hidroxilos queliberanlas Figura 10-2. El efectodel pH sobre la disponibilidad de nutrimentos para las plantas. La anchura de las bandas horizontalesrepresenta la solubilidad del nutrimento. La solubilidad este en relaci6n directa a la disponibilidad del nutrimento en una forma i6nica susceptible de absorberse por la planta. (De C.J. Pratt: Plant Agriculture. W.H. Freemanand Company. San Francisco, 1970. Utilizada con permiso.)
Fuertemente
I
I
1
4
4.5
5
5.5
lb
272
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICI6N DEPLANTAS LAS
raíces desplazan los iones fosfato del complejo de intercambio, lo cual aumenta ladisponibilidaddel fosfato. Similarmente, el calcio queseañadealasolución del suelo en forma natural o mediante fertilización (“abono de cal”) libera el magnesio y el potasio del complejo de intercambio por desplazamiento. La remoción deionesdelsueloporlas raíces determina la liberación de más iones del complejo de intercambio. Así se mantiene un equilibrio dinámico entre la plata, el agua del suelo y el complejo de intercambio, con el resultado de que más nutrimentos llegan a estar disponibles para la raíz conforme se remueven, o mientras másaguaseañadaalsuelo.Un cálculo de los fisiólogos austríacos M. Fried y H. Broeshart ilustra este punto. Un acre de maízqueproduce 100 busheles de grano transpira alrededor de 10 pulgadas-acre de agua durante la estación de crecimiento. El cultivo requiere 25-50 libras de fósforo, 50-100 libras de calcio y magnesio y 100-200 librasde potasio. Las soluciones delsuelopromedio contienen cerca de 20 ppm de fósforo, 40 ppm de calcio y magnesio, y 100 ppm depotasio.Siemprequeestas concentraciones semantenganen equilibrio con el complejo de intercambio del suelo, la cantidad de agua que atraviese la planta por transpiración contendrá lo suficiente de estos elementos para el crecimiento del cultivo. Un sumario de los nutrimentos importantes delsuelosepresentaenla Tabla 10-3, junto con algunas observaciones sobre su distribución y propiedades. NUTRICIdN MINERAL Además de los elementos mayores de su estructura orgánica, carbono, hidrógeno
y oxígeno, las plantas contienen una gran variedad de elementos en varias formas
químicas. Evidentemente no sepuedecategorizar los constituyentes minerales de las plantas según el estado en que están presentes. Una porción considerable de minerales,particularmente nitrógeno, azufre y calcio, está presente como parte de la estructura orgánica.Algunosde los metalesestánpresentes como componentes de enzimas y moldculas catalíticas. Otros minerales pueden estar presentes simplemente porqueson absorbidos en forma no selectiva junto con agua del suelo y tienden a acumularse como sustancias iónicas disueltas o almacenadas (selenio, estroncio, sodio y potasio cuando existen en exceso), o como precipitados en el tejido (aluminio, silicio y calcio). COMPOSICI6N QUfMICA DE LAS PLANTAS. La precisa composición mineral de las plantas es de gran interés cuando se las considera como fuente de alimento, pues la ausencia o sobreabundancia de ciertos elementos pueden afectar suvalor alimenticio. Sin embargo, con ciertas excepciones específicas, la composición de la planta refleja en gran medida la fertilidad del suelo sobre el cual se desarrolla, de manera que los análisis detallados de la composición de elementos de las plantas no son de gran valor, excepto para los científicos agrícolas. Además, esos datos son muy difíciles de obtener. La técnica usuales convertir la planta en cenizasaaltastemperaturas y luego analizarlas químicamente. La química es difícil, y muchos elementos, particularmente nitrógeno, azufre y cloro, formancompuestos volátiles, amenudo orgánicos y se pierden parcialmente. Un típico análisis de una planta de maíz se presenta en la Tabla 10-4.Puede verse que una gran proporción de la parte mine-
273
EL SUELO Y LA MINERAL NUTRICIdN
Tabla 10-3. lones nutrientes del suelo.
vaciones ppm ordinarios, Niveles Ion
Caz+
Mg2+
Complejo de intercambio
1,000 50-
500-2,000
1-100 1-50
K+ Na+
Solucibn del suelo
1
Ftz Fe(OHI2+
10-500
20150 10-50 3-50
Usualmenteabundanteensueloscalizos,pero puedeserdeficienteensuelosgraníticos o arenosos. El encaladoconCaO o Caco3 corrige esta condicion,adembsde la elevacibndel pH desuelosbcidos,incrementándosepor tanto los suministrosde K + yotros cationes porintercambio. El exceso de encalado podrFa dafiar los suelos al reducir la disponibilidad de Fe, Mn, Zn, Cu y B. Alto en suelos calizos; bajo en los granlticos. Tiende a fij,arseensuelosarcillososmediante absorcibnen la tramacristalinaperopermanece en equilibrio con K+ soluble. Ocasionalmente muyalto en suelos salinos.
0.1-25
1-500
Tiende a entrar en complejo con materiales orgbnicos. Mbs disponible en suelos bcidos.
FeOH2+ Mn2+
0.2-2
14,000
cu2+
o. 1
Mbs disponibleensuelosbcidos.Los6xidos se precipitan convirtihdose en disponibles por accibn bacteriarra. Muy firmemente enlazado en el complejo de intercambio. Más disponibleencondicionesalcalinas.Puede estar firmemente enlazado en el complejo de intercambio. Tanto el Cu como el Zn forman fosfatos insolubles.
10-1,000 3-20
10-1,000
so4 -
CIH2B03-
H6032-
MOO&3-
3-5,000
IO-1,000
1 0.14 <0.001
Bajo
O Muy bajo Bajo
Fuertementeretenidoen el complejode intercambio.Cantidadesconsiderablesde P pueden retenerse en forma orgbnica. Los fosfatos insolublesde Ca (en pH alto) o AI y Fe(en pH bajo) son sblo liberados lentamente. La mayor parte del sulfato de los suelos se encuentra en la solucibn del suelo o en formas orgánicas.Lacontaminaciónatmosfdrica (SO2 y SO3) constituye una importantefuente de S para las plantas en areas industriales. Relacionado principalmente con la acumulacibn de la sal. El encalamiento tiende a disminuir la disponibilidad de B. A diferencia del Mn, el Mo llega a sermbs disponible en la forma oxidada en suelos aicalinos.
274
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
NUTRICION DE LAS PLANTAS
ral es silicio, un elemento que sólo se necesita en pequeñas cantidades, si no es que en nada, y más o menos el 16%del material vegetal no se determinó, lo cual indica las dificultades deestetipode análisis. Una serie de datos más útil se presenta en la Tabla 10-5, la cual ofrece estándares en relación al estado de los nutrimenTabla 104. Análisis de una planta de maíz. de Porcentaje Elemento ceniza
Elemento
Porcentaje
de la planta toda
O C H Ceniza
N
44.4 43.6 6.2 5.8
P K
ca Mg
S
Fe
si Al CI Mn No determinado
25.9 3.6 16.4 4.0 3.2 3.0 1.5 20.8 1.9 2.5 O .6 16.6
Fuente: Adaptado de €.C. Miller: Plant Physiology. Mc Graw-Hill Book Company. Nueva York, 1938.
Tabla 10-5. Estándares para clasificación de nivel de nutrimentos de los naranjos (Cirrus sinensis) en base a concentraci6n de elementos minerales en hojas de 4 a 7 meses de edad, ciclo de primavera, de ramas terminales no fructificantes. Deficiente, Elemento*
3.0 Nitrbgeno, % 2.8-3.0
50-200
Rango Rango inferior a
2.5-2.7
Rango bajo superioralto óptimo
2.2-2.4
Fbsforo, % 0.09 0.09-0.11 0.300.17-0.29 0.12-0.16 Potasio, % 0.7-1 0.7 2.4 .I1.8-2.3 1.2-1.7 Calcio, % 1.5-2.9 1.5 3.0-4.5 Magnesio, % 0.20 0.20-0.290.800.50-0.70 0.30-0.49 Azufre, 0.60% 0.40-0.60 0.20-0.39 0.14-0.190.14 Boro, pprn 260 101-200 20 36-100 20-35 Hierro, ppm 35 35-49 250 130-200 50- 120 Manganeso,ppm 18-24 18 1,000 50-500 25-49 Zinc, 25-49pprn 18-24 18 Cobre, ppm 3.6 3.7-4.913-19 5-12 Molibdeno, 100 2-50 pprn 0-1 0.1 0.06-0.09 0.05
sodio,
t
Litio, ppm
t
% Cloro, %
?
-
0.7
Excesivo, a
?0.3-0.5
-
<0.16 < 0.2
o
U
. O
E C
.-o
.O
L
O
% u1
I
2
I 4 Abertura
I I 6 8
estomática, p
Figura 14-9. Tasa de transpiración, tal y como es afectada por la abertura estomática. El hecho de que se encontraran curvas casi identicas (no mostradas) bajo condiciones determinantes de que las tasas de evaporación del papel secantefluctúen de 4 a 24 mg/(hr)(cm2), demuestra que los estomas afectan la transpiración por igual bajo diversas condiciones de humedad. (Datos recalculados de M.G. Stalfelt: Planta, 17:22, 1932.)
factor de importancia primordial en su control. Los datos graficados en la Figura 14-9 muestranquela transpiración es afectada porla apertura estomática bajo condiciones que difieren ampliamente. Así que las condiciones que influyen sobre la apertura estomática (página 359) también afectan la transpiración, particularmente cuando los estomas están casi cerrados (menos de 2 p , en la Figura 14-9). El contenido deaguadela planta puede afectar la transpiración de dos maneras: indirectamente, afectando la apertura estomática, y directamente, afectando elgradiente de concentración devapordesdelassuperficiescelularesde la hoja al aire. No está claro si pequeños cambios en el potencial hídrico delas hojas influyen en la transpiración directamente o sólo por el efecto ejercido sobre la apertura estomática. Parece probable que los estomas respondan a pequeños cambios de potenciales deagua que no afectan materialmente la presión del vapor de agua en el interior de paredes celulares, Sin embargo, la deshidratación severa sin duda reduce la evaporación desde las paredes al interior de los espacios intercelulares. El contenido deagua o humedaddelaire tiene un marcado efecto sobre la transpiración porque modifica el gradiente bajo el cualdifunde el vapar de agua. La temperatura afecta enormemente la presión del vapor de agua necesaria para saturar el aire, como semuestraenla Tabla 14-4. Los espacios intercelulares de plantas que no están bajo stress deagua probablemente estánlamayor parte del tiempo próximos a la saturación, mientras que la humedad del aire cir-
369
LA HOJA Y LA ATM6SFERA (HR) y la presi6n devapordeaguaen
Tabla 14-4. Relación entre la humedad relativa distintas temperaturas. Temperatura, O
de Presión
C
10% HR 10 20 30 40
4.60 15.91 27.66
0.92 1.75 3.18 5.53
50% HR
cundante fluctúa alrededor deunvalor
vapor, mm Hg, a
70% HR
Saturación
6.45 12.28 22.27 38.72
8.77
el aire a
(100% HR)
9.21 17.54 31.82 55.32
mucho más bajo, por lo regular entre 30
y 80% de humedad relativa (HR). Así pues, un cambio de temperatura modificará
considerablemente el gradiente de presión de vapor del interior al exterior de una hoja, como semuestraenla Tabla 14-5.Inclusosilapresión devapordelaire alcanza un nuevo equilibrio a una humedad relativa constante, ocurre un cambio sustancial en el gradiente de presión de vapor. Un cambio mucho mayor ocurre en caso de que el contenido de agua del aire permanezcaconstante. La velocidaddelviento ejerce un marcado efecto sobrelatranspiración porque influye sobre el gradiente de vapor de agua próximo a la superficie foliar. Normalmente existe unacapa limítrofe en la superficie de la hoja: unacapade aire no alterada a través de la cual el agua debe difundir desde la hoja a la atmósfera exterior. Mientras másdelgadasealacapa limítrofe, más acentuadoes el y, por consiguiente, más rápidalatranspiración. gradientedepresióndevapor El viento, alperturbar la capa limítrofe, incrementa latranspiración. Empero, esto constituye por lo regular un efecto secundario. Conforme los tejidos se secan, los estomas se cierran, limitándose así la transpiración. El efecto del viento parece ser máximo a velocidades por abajo de 2 m/seg (5 m/p/h)(Figura 14-10).Ello se debe presumiblemente a que las velocidades leves alteran la capa limítrofe sin que se cierren los estomas; las velocidades altas son suficientemente desecantes como para cerrarlos. Tabla 14-5. Efecto de la temperatura fluctuante sobre el gradiente de presión de vapor entre la hoja y el aire. Temp. OC
A*
10 20 30
Bt
10 20 30
PV sat'n (interiorde hoja), mm Hg
4.9.2 61 1 817.54 .77 31.82 15.91 9.21 17.54 8.77 31.82 23.05
PV aire a
50% HR, mm Hg hoja aire, al
A
(A PV)
PV de la rnm Hg
4.60 8.77 15.91 8.77 8.77 8.77
0.44
*La presidn de vapor de aire a HR constante; es decir, a diferente contenidode agua en cada temperatura. ?Contenido de vapor de agua del aire constante a un valor de 50 porciento de HR a 20°C;es decir, el contenido de agua permanece constante sin considerar la temperatura.
370
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
NUTRICIdN DE LAS PLANTAS
Velocidad del viento, rn/seg
Figura 14-10. El efecto de la velocidad del viento sobre la pérdida de agua por transpiraci6n, de una hoja de geranio.(Datos de una práctica de laboratorio a nivel de pre-grado, Departamento de Botánica, Universidad de Toronto, 1961 .)
El control de la transpiración se consigue principalmente a travésdel control estomático. Sinembargo, se handesarrollado numerosas y notables modificaciones anatómicas y conductuales limitantes de la transpiración; las más obvias incluyen la reducción del tamaño de la hoja, disminución del área superficial por unidaddemasa y una diversidad de modificaciones superficiales localizadas en plantas que se desarrollan en condiciones xéricas. Estas últimas incluyen: estomas hundidos,disminución del tamaño y número estomáticos, así como la presencia de pelos epidérmicos (Figura 14-1), los cuales son eficientes como los estomas hundidos, cuando la planta está sometida a fuertes vientos, puesto que evitan el disturbio de lacapa limítrofe y la consecuente reducción de la ruta de difusión del vapordeagua. Los mecanismos que abaten la transpiración bajo condiciones de stress deagua incluyenla caída, el arrollamiento y el rizado o plegamiento de las hojas. Debe enfatizarse que estas respuestas no alivian un severo stress de humedad a menos que el agua aún esté disponible en el suelo. Ciertamente, para cuando tales reacciones ocurran, la planta acaso ya esté sufriendo daños por sequía. Sin embargo, sirven para prevenir daños adicionales y más severos debido a la desecación externa. CONTROL DE LA TRANSPIRACI6N.
NECESIDADDE LA TRANSPIRACI6N. Como hemos mencionado anteriormente, la transpiración debe ocurrir en organismos que dependen del intercambio de gases y de la incidencia energética parasu nutrición principal; no obstante el proceso poseealgunos efectos laterales. El flujo del agua a travésde la plantaimpulsado por la transpiración suministra un sistema transportador de mineralesdesde el suelo (Capítulo 13). Además, la constante remoción deagua del suelo tiene el efecto de movilización de nutrimentos del suelo y su transporte hacia las raíces, lo cual capacita a la planta para horadar un gran volumen de suelo sin que sea preciso un crecimiento radical completo a través de él. Otro efecto benéfico posible de la transpiración es el eficaz enfriamiento de
1
ATM6'sFERA LA HOJA Y LA
la hoja. El calor de evaporación del agua está próximo a las 600 cal/g;esta magnitud depérdida calórica puedeayudar a mantener temperaturas fisiológicamente eficientes a plena luz solar. Sin embargo, la reducción real de temperatura por la transpiración es normalmente del orden de 2-3°C. La pérdida de temperatura por radiación y convección parece ser más eficiente para mantener frescas las hojas, excepto bajo condiciones especiales (ver página 372). Se ha sugerido que la transpiración es necesaria para el crecimiento normal de las plantas. Algunas plantas parecen desarrollarse con más lentitud al 100%de humedad relativa, en tanto que otras sobreviven normalmente bajo tales condiciones. Sin embargo, debe advertirse que la transpiración se produce aun en el aire saturado, porque la temperatura foliar ante la luz solar es usualmente algo mayor que la temperatura del aire circundante. Por lo tanto, el interior de la hoja tendrá normalmente una presión de vapor más alta que el aire que la rodea, aun a 100% de humedad relativa. MEDIDA DE LA TRANSPIRACI~N.La transpiración puedemedirsedeterminando
la pérdida de agua de una planta en una corriente de aire monitoreada o midiendo la pérdida de peso de un sistema suelo-planta cerrado. La absorción del agua por una hoja o el ápice de una planta en transpiración puede medirse con un potómetro, el cual mide la tasa de remoción de agua de un reservorio (ver Figura 11-3). El contenido de agua de una corriente de aire puede medirse por varios dispositivos tales como: psicrómetros (termómetros debulbos secos y húmedos), higrómetros (una fibra, a menudo un cabello, que se expande o contrae ante los cambios de humedad), analizadores infrarrojos (los cuales miden el vapor de agua directamente por su absorción característica o su radiación infrarroja), o mediante el uso de desecantes, absorbentes de agua que pueden pesarse. Todos estos métodos requieren el uso de un recipiente cerrado que puede ser desde una cubeta de laboratorio hasta una gran tienda de plástico utilizada en el campo. Naturalmente, es muy importante que las condiciones ambientales dentro de la cubeta se controlen con toda precisión y, si se hacen mediciones de campo, han de ser lo más idénticas posibles a las condiciones naturales. Las mediciones precisas de la transpiración vegetal bajo condiciones naturales (es decir, en condiciones abiertas) puedenhacersesiempre y cuandolas raíces y el suelo se encierren enun tiesto o bolsa impermeable. La planta completa más su medio pueden pesarse, y la pérdida de agua puede medirse directamente como pérdidadepeso. Este método seha extendido a operaciones de campo mediante el uso de balanzas muygrandesllamadas lisímetros. El método del pesaje puede usarse para medir la respuesta de una sola hoja con gran sensibilidad; sin embargo, existen dudas acerca de la validez de extender 10s resultados obtenidos con una hoja desprendida, a toda la planta. El método del potómetro para medir la transpiración es simple y directo. Por lo regular la parte vegetal separada se sella dentro de un pequeño recipiente lleno de agua que posee un tubo capilar de acceso calibrado. Una burbuja de aire se introduce al interior delcapilar y la tasa desu movimiento mide la tasa de absorción de agua. Si la planta está en condiciones estables, es decir, perdiendo agua a la misma tasa que la absorbe, la tasa de transpiración es equivalente a la tasa de absorción de agua. Desafortunadamente este método no puede utilizarse en plantas intactas a menos que se desarrollen en soluciones nutritivas; el que la raíz esté totalmente sumergida es una condición aceptable experimentalmente.
372
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICI6N LAS DE
PLANTAS
INTERCAMBIO DE CALOR La hoja gana o pierde calor por tres víasprincipales: la radiación (transferencia directa del calor hacia O desde objetos circundantes), la convección (calentamiento o enfriamiento del aire ambiental) y el intercambio de calor latente (la energía utilizadaparaevaporar o condensarelagua). Pueden producirsecantidades mínimas de calor mediante la actividad metabólica, pero éstas normalmente no son suficientemente grandespara tener importancia. Este factor, sin embargo, no puede ignorarse siempre. El calor de las semillas en germinación y las altas temperaturas alcanzadas por los espádices de Arum se deben a la actividad respiratoria. Este factor puede ser de importancia en la sobrevivencia de plantas deserticas de hojas carnosas, las células están sometidas a temperaturas de congelación durante la noche. Las hojas están sometidas a la radiación de un amplio espectro, pero no absorben toda la radiación que cae sobre ellas. Su color verde se debe a que reflejan o transmiten la luz verde (A = 500-600 nm) del rango visible. De hecho, sólo cerca de la mitad de la luz visible incidente se absorbe. Las plantas no absorben mucho de la luz infrarroja de onda corta (es decir, la radiación infrarroja cuya longila luz visible, en el rango de 700 a tud deonda es sóloligeramentemayorque 2,000 nm). Sin embargo, todos los objetos despidenradiaciones infrarrojas de onda muylarga (superiores a los 2,000 nm) o calor, y la planta puede absorber una gran cantidad de calor de su entorno. Naturalmente, laplanta también irradia energía; cuandolacantidad de energía radiante que abandona la hoja es mayor que la cantidad que penetra en ella, su temperatura desciende. Durante una noche clara es muy posible para una hoja irradiar suficiente energía -esencialmente al espacio e x t e r i o r y que su temperatura desciendapor debajo de ladelaire circundante, elcual absorbe o emite muy poca energía por radiación. Cuando esto ocurre, el agua del aire se condensa sobre la hoja, provocando, en las noches claras, el familiar fenómeno de la formación del rocío o la escarcha. La convección y conducción del calor hacia y desde las hojas constituye un fenómeno complejo. La cantidad y dirección del calor transferido depende de la temperatura relativa de la hoja y el aire. Sin embargo, la eficacia de la transferencia de calor depende también del grosor de la capa limitante, y ello está determinado por el tamaño, forma y orientación de la hoja así como por la velocidad del viento. Por lo tanto la eficiencia de la transferencia de calor será mucho mayor y la temperatura foliar se aproximará rápidamente a la temperatura del aire, bajo condiciones que produzcan una tenue capa limítrofe. El pequeño tamaño de las hojas, en particular las voluminosas como las agujas de coníferas, y las altas velocidades del viento producen una capa limitante más delgada, de aquí el más rápido intercambio de calor por convección. La pérdida de calor por transpiración puede ser muy grande, hasta del 50% de la pérdida total hacia el ambiente. Es verdad que si la transpiración se detiene y la temperatura foliar se eleva, sepierdemás calor por el incremento de la radiación y la convección resultantes; sin embargo, es probable que la transpiración pueda significar la diferencia entre la sobrevivencia y el daño por calor o la muerte de algunas hojas. Por ejemplo, se ha reportado que las temperaturas de hojas de CitruZZus colocynthis que crece en un oasis del norte de África era hasta 15°C por debajo de la temperatura del aire (50°C) debido a la transpiración. Este efecto de la transpiración coincide con la observación de que a temperaturas altas los esto-
LA HOJA Y LA ATM6SFERA
373
mas tienden a abrirse y a permanecer abiertos a pesar del aumento de concentración del COZ que resultaría deldañopor calor o reducciónde fotosíntesis, así como respiración considerablemente acelerada. LAS PLANTAS Y LAS CONDICIONES DEL TIEMPO Las plantas interactúan con el tiempo; su capacidad para desarrollarsedepende del clima y los extremos dediversas condiciones ambientales (Capítulo 28). El crecimiento vegetal seve afectado en forma directa por condiciones de temperatura, luz (cobertura de nuebes), viento, humedad y precipitación. No solamente los valores absolutos sino su periodicidadson importantes en la determinación de la capacidad de las plantas para sobrevivir o prosperar. Varios aspectos de este tema se considerarán con más profundidad en los Capítulos 16, 22 y 28. Las plantas también afectan las condiciones del tiempo demuchasmaneras. Un cerrado grupo de plantas aumenta considerablemente la profundidad de la capa limítrofe entre el suelo y las masas de aire en movimiento. De esa manera se incrementa la importancia de la planta como parte de lavía transportadora del agua desde el suelo al aire. Las plantas, como hemos visto, controlan su tasa de pérdida de agua en grado muy considerable. Como resultado, la tasa de transferencia del agua desde el suelo a las masas de aire está sustancialmente afectada por la transpiración. Las masas de aire que contribuyen al estado atmosférico local tienen posibilidad de cubrir grandes distancias trasladándose hacia regiones arboladas o llanuras densamente cubiertas de plantas. De ahí se desprende que las condiciones de tiempo en cualquier localidad dada acaso dependan en grado sorprendente de la naturaleza y del comportamiento de las plantas de las regiones sobre las que el aire se ha desplazado. Por lo tanto, los fenómenos atmosféricos precedentes o distantes, como lluvia, alta temperatura, etc., que no contribuyen en forma directa al patrón usual de tiempo, pueden no obstante afectarlo mucho mediante su influencia sobre el comportamiento de las plantas. Numerosas condiciones locales pueden también depender engranmedida de las plantas. La neblina, la niebla o aun la precipitación pueden ocurrir en densos bosques bajo condiciones adecuadas, particularmente cuandoelaire está saturado o cerca de la saturación y por lo regular relativamente fresco. Las hojas absorben calor de su ambiente: del suelo, de los troncos de &boles, o de la energía radiante que penetra del sol. Esto las calienta, incrementa su transpiración y se forma unacapa limítrofe deaire más caliente y saturado. Conforme esta foliar, se enfría capa limítrofe de airedifunde o es removidadelasuperficie y el agua se condensa, causando precipitación. Es muy conocido el efecto refrescante de la vegetación sobre el aire caliente debido a la absorción de energía en la evapotranspiración, y el efecto de la vegetación en la elevación de la humedad relativa del aire (más evidente enregiones tropicales o en tiempo crilido y tranquilo). Las plantas pueden también afectar las condiciones de tiempo mediante el desarrollo de sustanciasvolátiles. Una cantidad considerable de “contaminación” aérea es provocada por nubes de terpenes y otras sustanciasorgánicas volátiles liberadaspor arboles, particularmente en temperaturas altas. Estas sustancias forman bruma y suministran los núcleos para gotitas de agua y provocan con ello la formación de nubes. Es muy probable que la amplia modificación del tiempo tenga lugar debido a los efectos de productos vegetales volátiles que ingresan a la atmósfera.
374
SUELO. AGUA Y AIRE: LA NUTRICI6N DE LAS PLANTAS LECTURAS ADICIONALES
Artículos enAnnual Reviews of Plant Physiology. Heath, O.V.S.: Stomata. Oxford Biology Readers. No. 37, Oxford University Press, Londres, 1975. Kramer, P.J.: Transpiration and the water economy of plants. En F.C. Steward (cd.): Plant Physiology: A Treatise, Vol. II. Academic Press, Nueva York, 1959. Lemon, E.: Micrometeorology and the physiology of plants in their natural environment. En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise, Vol. IVA. Academic Press, Nueva York, 1965. Lemon, E.,D.W. Steward y R.W. Shawcroft: Thesun's work in a corn field. Science, 174:371-78. 1971. Levitt, J.: Physiological basis of stomata response. En O.L. Lange, L. Kappen, E.D. Schulze (eda): Ecological Studies Analysis and Synthesis, Vol. 19 Water and Plant Life. SpringerVerlag, Berlin. 1976. Lowry, W.P.: Weather and Life. O.S.U.Book Stores, Inc., Corvallis, Oregon, 1968. Munn, R.E.: Descriptive Micrometeorology. Academic Press, Nueva York, 1966. Shaw, R.H. (ea.): GroundLevelClimatology. American Association of the Advancement of Science, Washington, D.C., 1967.
Capítulo 15
NUTRICI~N POR CARBONO UNASÍNTESIS
INTRODUCCIdN La fotosíntesis parece ser, en muchos aspectos, el proceso inverso de la respiración. Las enzimas del ciclo de Calvin son similares a muchas de las que participan en la glucólisis y la vía lateral pentosa fosfato. La mayoría de los pasos de la fotorrespiración y el ciclo fotosintético C4 son comunes a los pasos del metabolismo oscuro del carbón o del nitrógeno. Las posibilidades de una confusión metabólica se reducen considerablemente por el hecho de que las enzimas de vías diferentes, si bien a menudo similares, rara vez son idénticas, así que pueden ser controladas independientemente. Sin embargo, el metabolismo total de la célula fotosintética en respiración parece ofrecer considerable potencial de interferencia bioquímica. Durante cierto tiempo se pensó que respiración y fotosíntesis eran procesos enteramente distintos. Luegose comprendió que muchas de las secuencias metabólicas eran las mismas, pero se reconoció que estaban separadas en el espacio. El arreglobásico parecía simple:larespiración tenía lugaren el citoplasma y las mitocondrias y la fotosíntesis estabaconfinada a loscloroplastos. Todo estaba nítidamente separado, aun cuando ambos procesos envolvían los mismos tipos de reacciones y los mismos reactivos. Por lo tanto no había necesidad de mecanismos reguladores para mantenerlos procesos separados. Ahora, sin embargo, se ha empezado a comprender que toda la célula está implicada tanto en la respiración como en la fotosíntesis, y que varios organelos y aun varias células pueden estar implicados en la totalidad de cada proceso. Alguna vez se pensó que la fotosíntesis constituía unasimple vía de reducción del carbono, ahora se sabe que es muchomás compleja; implica varias y diferentes vías y secuencias metabólicas posibles, así como diferentes enzimas carboxilantes. La integración y regulación de todas las actividades celulares componen un tema vastamente complejo que va más allá del alcance de este libro. Ciertamente, cuando sea totalmente comprendido, se conocerá la totalidad del metabolismo. Sin,embargo, cierto panorama del tema es esencial para el estudio de lafisiología vegetal. El objetivo principal de este capítulo es expresar en perspectiva las líneas principales del metabolismo del carbono y el nitrógeno que constituyen conjuntamente la totalidad integrada de la fotosíntesis, fotorrespiración y respiración. Se examinarán también los procesos de intercambio de gas (en particulardel Coz)
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
316
NUTRICION DE LAS PLANTAS
en las hojas, las técnicas para su medición y estudio, así como algo de la metodología que ha conducido a la actual comprensión del metabolismo foliar. Una cosa ha de enfatizarse: aún no se sabe todo acerca del tema. Existe una gran probabilidad de nuevos e importantes descubrimientos y muchas de las ideas actuales acaso resulten erróneas. Gran parte del metabolismo que tiene lugar en las hojas (como la fotorrespiración) parece ser inútil,e incluso deletéreo. Los científicostiendena plantearse preguntas: “¿por qué la hoja fotorrespiracon tanto despilfarro?, ¿por qué, si éste es un proceso no saludable o aun nocivo, no se ha perdido por evolución?”. Discurren entonces ingeniosas razones del por qué las hojas se comportan como lo hacen. El hecho de que los científicos argumenten aún sobre el por qué las hojas hacen esto o aquello indica claramente que todavía no se ha comprendido realmente el metabolismo o el comportamiento de la hoja. De modo que esta explicación puede contener omisiones y errores inadvertidos que sólo podrán corregirse mediant,e la investigación continua y la comprensión a través de la experimentación. El proceso de fotosíntesis se consideró en detalle en el Capítulo 7, y la respiración en el Capítulo 6. La integración completa de fotosíntesis y respiración dentro de los patrones del desarrollo vegetal se considerarán en el Capítulo 21. Aquí se revisarán brevemente los puntos principales del metabolismo fotosintético y su integración con la fotorrespiración y con la respiración oscura. EL CICLO FOTOSINTI~TICO c3 ESQUEMA DE REACCIONES. Un esquema del ciclo de Calvin, conveniente para el estudio que sigue, se muestra en la Figura 15-1. Los detalles de las reacciones se muestranen la Figura 7-13. El COZ difunde desde el exteriorde la hoja a través de losestomas al interior de los espacios intercelulares y es absorbido por todas las superficies celulares. Luego difunde (ya sea como CO, o como ion bicarbonato, HC03-) a través de las células del mesófilo hasta que alcanza los cloroplastos, en su mayor parte de la capa empalizada. En este punto, puesto que el substrato de la carboxilasa es CO, , cualquier bicarbonarto puede ser retroconvertido a CO, , una reacción en la que participa la anhidrasa carbónica como sigue:
+
HzO,
anhidrasa carbónica
-HCO,-
+ H’
Esta reacción se produce espontáneamente, pero se acelera considerablemente por la ahidrasa carbónica. La enzima carboxilante del ciclo de Calvinesla ribulosa bifosfato carboxilasa (RuBPcasa). Los productos de la carboxilación se reducen y se encauzan
RuBP
Triosa-P
Azúcar,
ATP
almidón
Figura 15-1. Esquema del ciclo C3
NUTRICIdN POR CARBONO
- UNA SfNTESIS
377
hacia la reestructuración de los substratos de carboxilación, RuBP, y a los azúcares o almidón. La estequiometría es tal queporcada COZ fijado se forman dos moléculas C3 . Los carbones se reacomodan de modo que por cada seis moléculas C3 que se forman, una se convierte en el producto final: carbohidrato, y cinco se utilizan para regenerar el aceptor del CO, . El ciclo, por lo tanto, puede representarse (comenzando con seis moléculas de COZ)para formar una molécula de producto final de hexosa como sigue: 6C1
+
6C5
+
t-
12C3
4
6C5
+
C,
I
Esto constituye una versión abreviada del ciclo mostrado en la Figura 7-13. La identidad de los intermediarios se localizará én tal figura.
AUTOCATALISIS.El ciclo tal como se dibuja en el esquema anterior funciona bien en tanto exista suficiente RuBP disponible. Deno ser así (por ejemplo, si el RuBP abandona los cloroplastos o es desintegrado metabólicamente durante un periodo prolongado de oscuridad) la planta estará en dificultades. Esto se debe a que las tasas de reacción dependen de las concentraciones de los reactivos. Si no hay suficiente RuBP la reacción de carboxilación avanzarámuy lentamente. A menos que pueda formarse más RuBP no se podrá lograr que la reacción avance con mayor rapidez. Un examen delas reacciones del ciclo deCalvin demuestra que es posible reacomodar las moléculas producto de tal modoque también se conviertan en RuBP. Usandoelesquema simplificado, el ciclo puede entonces alterarse como sigue:
5C,
+
I 1 0 C 3 -+ 5C5 + I
5C5
4
C5
En otras palabras, el ciclo seha modificado para producir una molécula adicional de RuBP como un producto final, en lugar de una molécula de hexosa. Por lo tanto, el ciclo puede describirse como autocatalítico, lo que quiere decir que en este arregloformará continuamente la concentración de sus propias sustancias intermediarias y, por ello, la tasa de su reacción. La naturaleza autocatalítica del ciclo deCalvinesmuy importante porque permite la regulación simple y rápida de las tasas fotosintéticas. Debido a ello no haynecesidaddeproducirmecanismosparaprotegerelsuministronecesariode los intermediariosdel ciclo duranteperiodosno operativos, lo que podría ocurrirpor carencia de COZ (como cuando los estomas se cierranpor la noche durante el stress de agua) o de luz. De hecho podría permitírsele al ciclo “abatirse” por inversión del proceso catalítico, convirt,iendo sus intermediarios en productos finales (durante periodos de carencia de COZ, por ejemplo) sin quepeligre. La autocatálisis es una característica de máxima importancia de una secuencia de reacciones como la fotosíntesis que es intermitente y precisa apresurarse a alta velocidad cuando las condiciones son convenientes. REGULACI6N. PuestoqueelCOZ a su Concentraciónnormal en el aire (0.03%) parece limitar la fotosíntesis bajo condiciones normales,parecierainnecesaria la
378
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICION DE LAS PLANTAS
regulación de su ciclo. Sin embargo, sería necesario mantener en la oscuridad el suministro de un aceptor de COZ para que la fotosíntesis se inicie rápidamente ante la iluminación. Puesto que la carboxilación del RuBP no requiere energía luminosa y la concentración del COZ es normalmente alta en la oscuridad debido a la respiración, es necesario un mecanismo de regulación para impedir que la carboxilación prosiga en la oscuridad y todo el RuBP se consuma. Tal requerimiento es conveniente por la necesidad de luz para activar la carboxilasa, que rápidamente se inactiva en la oscuridad, La activación luminosa puede estarrelacionada con la necesidad e iones Mg2+ para mantener la actividad de la carboxilasa. Ante la iluminación el Mg2 + se mueve desde los tilacoides al estroma de los cloroplastos (donde se localiza la carboxilasa) en intercambio de protones que ingresan a los tilacoides. Ciertos datos sugieren que algunos intermediarios del ciclo dc Calvin pueden regular la actividad de la RuBPcasa pero la evidencia no está clara. Las fosfatasas que atacan el difosfato de fructosa y el difosfato de sedoheptulosa probablemente sean candidatas para la regulación puesto que catalizan vigorosamente reacciones exergónicas, y se ha encontrado que Mg2+,un compuesto reductor, y el substrato de la reacción activa todas estas enzimas. Otras enzimas del ciclo pueden activarse por la luz, mediante la carga energética (relativas concentraciones de ATP, ADP y AMP, descritas en el Capítulo 5, página ill), o por diversos metabolitos pequeños. Ciertamente, puesto que el ciclo puede ajustarse para producir varios productos finales (incluso fosfatodehexosa,fosfatodetriosa, fosfoglicolato y el aceptor del COZ, RuBP), sus actividades deben regularse internamente para balancear los productos finales contra las necesidades de la célula. No estáclaro exactamente cómo se lleva a cabo esto, y constituye una de las importantes áreas de estudio abiertas a los fisiólogos vegetales de la actualidad. LOCALIZACI6N DE LAS ACTIVIDADES. Todas las reacciones del ciclo de Calvin se llevan a cabo en el cloroplasto. El dióxido de carbono penetra al cloroplasto y los productos finales (principalmente triosa o hexosa) deben salir de éste. En general, los intermediarios del ciclo de Calvin no atraviesan fácilmente la envoltura del cloroplasto. El sitio de síntesis de la sacarosa es aún una especie de enigma; los cloroplastos aislados no pueden fabricar sacarosa, pero su síntesis está asociada con los cloroplastos. Recientemente se ha propuesto que esa síntesis tiene lugar en el citoplasma en el extrior de la envoltura cloroplástica o cerca de ésta, a partir del carbono fotosintético que difunde o es llevado hacia fuera del cloroplasto. Sin embargo, todas las reacciones del ciclo están confinadas al cloroplasto.
EL CICLO
c2- FOTORRESPIRACI~N
h4EDICI6N DEL INTERCAMBIO DE COZ. Hace algunos años el fisiólogo norteamericano J.P. Decker observó una breve acentuación de la respiración en hojas no iluminadas, fenómeno que dependía del oxígeno y que estaba directamente relacinado con la intensidad de la fotosíntesis previa. Propuso que lo que había estado midiendo era la parte final de un proceso respiratorio que ocurría a la luz y que era ditinto al de la respiración en la oscuridad; lo denominó fotorrespiración, pero nopudo publicar sus hallazgos en una revista científica bien conocida ¡porque el editor no creyó que tal fenómeno pudiera existir! Recién algunos años después se aceptó el término y la idea de la fotorrespiración.
NUTRICIdN POR CARBONO - UNA SÍNTESIS
379
Al principio se observó la fotorrespiración midiendoel C 0 2 liberado a la luz en una corriente de aire libre de COZ. Sin embargo, la fotorrespiración parece estar en estrecha conexión con la fotosíntesis y quizás se afecte por la ausencia de ésta en el aire libre de COZ. Ahora puede hacerse mediciones con la concentración normal (o cualquiera) de COZ usandodos isótopos de carbono. La técnica del doble isótopo paramedir el intercambio del COZ se desarrolló al unirse los esfuerzos de científicos deCanadá y Singapur (C.S. Hew)que trabajaron en los laboratorios de G. Krotkov y R.G.S. Bidwell. En esencia, una hoja iluminada (cultivada en aire normal y formada entemmente de compuestos que contienen 'C) se expone a una mezcla de 'Col y l4CO2 enuna corriente de gas. La hoja no discrimina entre los dos isótopos (excepto en forma muy pequeña debido a lamasa ligeramente mayor del ' 4COz) y absorbe tanto uno como el otro en proporción a su relativaabundancia enla corriente de gas. Sin embargo, puesto que la hoja está estructurada (inicialmente) sólo de 2 C emite zCOz en la respiración. Por lo tanto la absorción de 4 C 0 2 de la corriente de gas reflejará la tasa total de fotosíntesis (llamada indistintamente fotosíntesis bruta o fotosíntesis total). Por otra parte, la absorción del '2COz de la corriente gaseosa reflejará la tasa de fotosíntesis menos la tasa de respiración (generalmente denominada fotosíntesis neta o fotosíntesis aparente). La diferencia entre fotosíntesis total y neta representa la producción de COZ por fotorrespiración y otros procesos respiratorios que pudieran estar en acción. Esta técnica está ilustrada en forma de diagrama en la Figura 15-2. La abundancia de 'COZ y 4 C 0 z en la corriente de flujo de gassemide independientemente: el l 2 CO, por un analizadorde gas infrarrojo (el cual mide la concentración de CO, mediante absorción infrarroja) y el 4 C 0 2 mediante contadores Geiger-Müller o una cámara de ionización. Se han desarrollado técnicas similares mediante el uso de un espectrómetro y en el intercambio del de masas para diferenciar el intercambio de 1602 oxígeno fotosintético y el respiratorio, así como para medir el isótopo de carbono no radioactivo: 13COz. Debe advertirse que todas estas técnicas adolecen del problema de que la hoja reutilice algo del COZ o del Oz antes de que escape a la atmósfera exterior, y el grado de su reciclaje, así denominado, posiblemente dependa de la estructura foliar interna, las resistencias que se presentan al paso del COZ, el grado de abertura estomática y la actividad de la carboxilasa del momento. Por tales razones aún es difícil estimar una tasa real de fotorrespiración. Sin embargo, se ha investigado este fenómeno con más bases y se esti empezando a comprender la aparente contradicción relativa de que las hojas realmente expelen co, al mismo tiempo que lo absorben en la fotosíntesis.
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CARACTER~STICAS DE LA FOTORRESPIRACION. La fotorrespiración es sensible al oxígeno de una manera totalmente distinta a la respiración en la oscuridad, como se muestra en laFigura 15-3. La fotorrespiración presenta una afinidadmucho menor por el oxígeno y aparentemente se satura a una concentración extremadamente alta de este gas, en tanto que la respiración oscura se satura a niveles muy inferiores de Oz. La tasa de fotorrespiración es usualmente mayor que la de respiración oscura, pero se han registrado tasas más bajas. De manera característica, el substrato de la fotorrespiración es distinto al de respiración en oscuridad y parece derivarse de sustancias fotosintéticas recién formadas. Por lo tanto, si a una hoja se le provee de 4COz y luego se emplaza en aire libre de COZ,la radioactividad
'
380
SUELO, AGUA Absorción en fotasintesis
Y AIRE: LA NUTRICI6N DE LAS PLANTAS
A
Contador Geiger-Muller
Mezcla de gases
Analizador de gas infrarrojo
4
Cámara foliar
Figura 15-2. Método del doble isótopo para medir el intercambio degases. La absorción inicial de '%O2 superaladel '%O2 a causadelatasade expulsidn del 1 2 C 0 , en la fotorrespiracidn. El '%O2 mide la fotosíntesis total; el 1 2 C 0 2 mide la fotosíntesis neta; la diferencia entre ambos da la medida de la fotorrespiración.
específica medida (proporción relativa de 14C) del CO, respirado es alta y próxima al 4 C 0 2 suministrado. Si las luces se apagan, se libera COZ de una actividad específica baja (es decir, derivado conanterioridaddesubstratosalmacenados formados previamente al suministro del 14COZ).Los resultados de un típico experimento que demuestra tal hechose muestra en la Figura 15-4.
381
NUTRICION POR CARBONO - UNA SfNTESIS
5-
D-
3-
9
Figura 15-3. Sensibilidad al oxígeno dela respiración oscura y la fotorrespiración.
O
I
I
I
20
50
1O0
OÍ-
o x fgeno
La fotorrespiración difiere, por lo tanto, de la respiraciónoscuranormal (la cual puede operar también a la luz) al ser sensible al oxígeno y poseer distintos substratos obtenidos de fotosintatos recientes. Las tasas de fotorrespiración son normalmente cercanas a la quinta o cuarta parte de la tasa de fijación de CO, . Por ello, este proceso es de gran importancia en la economía del carbono en la planta y fue muy estudiado durante la década de1960. Un interesante punto acerca de la fotorrespiración que se tratará en detalle posteriormente (página 363) es que las plantas poseedoras del ciclo C4 aparentemente no fotorrespiran; no liberan o intercambian CO, a la luz como lo hacen las Figura 154. Radioactividad específica del COZ respirado de una hoja de frijol despues de 15 minutos de fotosíntesis en "%O2, El CO, fotorrespirado (en luz) tuvo alta pero decreciente radioactividad específica, mientras que el COZ respirado en la oscuridad mostr6 baja pero cr8ciente radioactividad específica. La oscilacidn de radioactividad específica dealta a baja a la luz o la oscuridad indica que los substratos de la respiración a la luz (alta radioactividad especifica) estuvieronseparados y fueron distintos a los substratos dela respiración oscura(baja radioactivida especifica). (Datos de W.B. Levin y R.G.S. Bidwell.)
I
80
I -
I
O
L
/Oscuridad
Luz
5
7
I
10
Lu2
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Tiempo subsecuente al término del suministro de 1 4 C 0 2 , min
Luz
5
SUELO, AGUA
382
YNUTRICI6N AIRE: LA
DEPLANTAS LAS
plantas C3,y su intercambio de O2 es muy reducido. Si realmente carecen de fotorrespiración(esto es, carecen de reacciones de fotorrespiración) o su sistema fotosintético impide que se manifieste ese proceso (es decir, liberación de COZ a la luz) se discutirá posteriormente.
G. Los experimentos del fisiólogo norteamericano I. Zelitch demostraron que el substrato de la fotorrespiración es probablemente el ácido glicóli.co. Este ácido de dos carbones es producido con toda probabilidad por la función oxigenasa de RuBPcasa. Su metabolismo subsiguiente, descrito en detalle en la Figura 7-15, implica enzimas peroxisómicas ymitocóndricas para alcanzar la reacción neta REACCIONESDELCICLO
2 c2
+
c, + coz
No se sintetiza nada de ATP, NADPH o NADH en la secuencia de reacciones. Su función principal parece ser la recuperación, en el ciclo C 3 ,del carbono perdido por la reacción de la oxigenasa. La integración de los ciclos C2 y C 3 ,así como la razón de llamar a la vía metabólica respiratoria ciclo C 2 ,se muestra en la Figura 15-5. Se han sugerido varias secuencias alternativas; éstas incluyen la oxidación total del glioxilato a COZ y la conversión del ácido glicérico formado en el ciclo C, a azúcares en el citoplasma, en vez de su reingreso al ciclo C3. Sin embargo, hay muchas evidencias en favor del perfil general del ciclo C2 “incluso estudios de rastreo con O2 y C O Z ,estudios de enzimas individuales y la localización de actividades en organelos específicos- que se muestra en la Figura 15-5.
’
’
UBICACIdN DE LAS ACTIVIDADES. Ahora resulta muy claro que el primer paso
oxidativo del ciclo C 2 , que conduce a la formación de glicolato, tiene lugar en el cloroplasto. El segundo paso oxidante, la oxidación del glicolato, ocurre en los peroxisomas; asimismo, la descarboxilación de la glicina y la síntesis de la serina se producen en las mitocondrias. Por lo tanto, el carbono que circula en el ciclo C2 viaja de cloroplasto a peroxisoma, de allí a mitocondrias y regresa. Pruebas Figura 15-5. Integración de los ciclos C3 y C2. El ciclo C2 se llama así porque el producto de la RuBP oxigenasa es un compuesto C2, como sonel glioxilato y la glicina. (Adaptada de G.H. Lorimer, K.C. Woo, J.A. Berry y C.B.Osmond: Photosynthesis 77: Proceedings of the IV International Congress of Photosynthesis. (D.O. Hall, J. Coombs y T.W. Goodwin, eds.), The Biochemical Society, Londres, 1978.)
t
Oxigenasa
Ru B P
GLIOXILATO
GLICOLATO
Regeneración
co2
NUTRICIdN POR CARBONO SfNTESIS - UNA
383
recientes sugierenqueel carbono noviajasinuosamente en forma libre alrededor de la célula sinoque se desplaza a travésdeorganelosmuy próximos entre sí, lo que podría tal vez mantenerlos juntos enalgún tipo de laxa asociación en el citoplasma. INTEGRACI6N DE LOS CICLOS Cz Y C3 -0XfGENO Y FOTORRESPIRACI6N. El diagrama de la Figura 15-5 muestra cómo están conectados ambos ciclos; no muestra, sin embargo, la razón (matemática) de actividades de los dos ciclos. Se ha sugerido que la fotorrespiración y la fotosíntesis están vinculadas en una estequiometría tasas de fotosíntesis y respifija, pero, en realidad,se ha demostradoquelas de la ración varían independientemente durante el día y durantelaontogenia su estatus fisiológico. Además, las planta, o son afectadas porseparadopor tasas de fotosíntesis y fotorrespiración son afectadas fuertemente por concentraciones relativas de O2 y C 0 2 en el cloroplasto. Esto se comprende porque la enzima carboxilante del ciclo de C3 es tambienlaoxigenasa del ciclo de C,. En otras palabras,el COZ y el O2 compiten como substratos para la enzima RuBPcasa. Desdeel punto devistadela planta fotosintetizante, el oxígeno esun inhibidor competitivo de la fijación de COZ, Conforme la concentración de oxígeno disminuye, la actividad de la oxigenasa y del ciclo de C, baja y cesa totalmente a niveles de 0, por debajo de 2-5%.Inversamente, conforme aumenta la concentración del COZ, laactividad proporcional de la carboxilasa y el ciclo del C3 se incrementa. Este efecto se ilustra enla Figura 15-6. A niveles muy altos de 0 2 ,el daño oxidativo a los fotosistemas causa la pérdida irreversible de la actividad fotosintética, pero a niveles por debajo, de alrededor del 7 0 % , el efecto del O, esuna inhibición reversible de la fijación del CO, . El efecto del O, sobre la fotorrespiración ha sido cuidadosamente estudiado. Puesto que el 0, causaunapérdidade COZ fotorrespirado, lo cual reduce la fotosíntesis, resulta claro que en ausenciade O, laproductividad delasplantas debería incrementarse considerablemente. Se ha demostrado que las plantas crecen mucho más rápido enun nivel bajo de O2 , pero desafortunadamente se necesita O, para el normal desarrollo vegetal y para la producción de semillas, de manera
I(,inhibiciónl Inhibici6n ,Irreversibls reversible
O
I
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50
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I Figura 15-6. Efecto de la concentración de oxígeno sobre la tasa de fotosíntesis de una hoja de frijol.
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I 50 Concentraci6n de
02,
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1O0
100
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3%
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
NUTRICIdN DE LAS PLANTAS
que la productividad (en términos de semilla o fruto) se reduce mucho aun cuando la planta alcance mayor crecimiento. METABOLISMO DELNITROGEN0EN E L CICLO DEL G. Puesto que la glicina y la serina se interconvierten en la fotorrespiración, es esencial una transaminasa para la operación del ciclo de C2 que, como se esperaba, se ha localizado en los peroxisomas. Sin embargo, la descarboxilación de laglicina en las mitocondrias libera NF13 y se requieren grupos amino adicionales para la síntesis de glicina en peroxisomas porque son necesarias dos moléculas de glicina por cada molécula de serina producida. Por lo tanto, se necesita algún medio para transportar NH3 desde las mitocondrias y entregarlo a losperoxisomas en forma de nitrógeno aminado. El trabajo reciente del grupo asociado a C.B. Osmond, de Australia, demostr& que se producen grupos aminoen cloroplastos, utilizando ATP producido a la luz, a través de la operación del sistema glutamina sintetasa-ácido glutámico sintetasa descrito en el Capítulo 8 (página 219). El ácido 2-oxoglutárico* se convierte en ácido glutámico en los cloroplastos, el cual se transfiere luego a las mitocondrias. Allí sufre transaminación con glioxilato para formar glicina, y el ácido 2-oxoglutárico resultante es devuelto al cloroplasto. Se ha demostrado que son apropiados los sistemas enzimáticos de cloroplastos o peroxisomas, que se necesitan para estas reacciones. Estos dos ciclos del metabolismo del nitrógeno se muestran en la Figura 15-7. Se advierte de inmediato que la movilización de metabolismos entre organelos debe sermás intensaaúnque lo que se imaginaba previamente. Resulta claro, asimismo, que el metabolismo fotorrespiratorio ejerce demandas adicionales de la economía energética de la planta, ya que el ATP fotosintético se necesita para conducir la reacción glutamina sintetasa. Por lo tanto, se requiere un ATP adicional por COZ liberado, además de la energía reductora y el ATP necesarios para operar el ciclo del C, . Esto significa que la fotorrespiración parece un despilfarro aún mayor del que se pensaba. Debe advertirse que en tanto el ciclo nitrogenado serina-glicina es probablemente muy hermético (es decir, no muchas moléculas de intermediariosse vinculan o desvinculan a el), el ciclo del ácido glutámico no lo es. Es muy probable quegran parte del NH3 producido en la descarboxilación de la glicina seutilice para cubrir las demandas de nitrógeno de la célula. Ello significa que debe producirse nuevo NH3 mediante reducción nitrato-nitrito, una demanda adicional sobre la producción de energía fotosintética. Tambiénes evidente que los controles metabólicos son necesarios para regular la distribución de productos disponibles de la reacción luminosa fotosintética entre los requerimientos para la reducción del carbono, reducción de nitratos y síntesis deglutamina. Esto enfatiza aún más la estrecha cooperación que se necesita entre todas las fases del metabolismo celular, en los diversos procesos que ahora se sabe están asociados a la fotosíntesis. CONTROL DE LA FOTORRESPIRACI6N. Se han hecho grandes esfuerzos en la investigación para encontrar modos de eliminar las reacciones de “despilfarro” de la fotorrespiración en plantas cultivadas. Los programas de mejoramiento no han tenido éxito; ha sido difícil hallar variedades de fotorrespiración consistentemente baja y alta fotosíntesis, o resultan decepcionantemente pobres en productividad *&ido 2-oxoglutárico es u n nuevo nombre (químicamente máspreciso) para el ácido a-eetoglutárico.
385
NUTRICIbN POR CARBONO - UNA SfNTESIS NO;
Almiddn
Ciclo glutámico
Glutamina
Cloroplasto
P-glicolato
f I PGA
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Glicolato
Ácido gluthico
2-0xoglu.tBricc
I
Acido 2-oxoglutárico
$.
Ácido glutamic0 OH-Diru!
Ácido
Peroxisoma
Serina
GIicina
I
t
Mitocondria
Figura 157. Los ciclos del nitrógeno asociados al ciclo fotorrespiratorio a) glutamino sintetasa b) &ido glutámico sintetasa c) Bcido glutimico-glicina transaminasa d) serina-glicina transaminasa e) glicina decarboxilasa f) nitrato/nitritoreductasa
Cz .
fruto/semilla. Se han encontrado algunas sustancias químicas que abaten la fotorrespiración inhibiendo el ácido glicólico oxidasa; sin embargo, tales venenos son caros y tienden también a inhibir la fotosíntesis. Actualmente en varios laboratoriosestán en marcha proyectos para seleccionar plantasde alta fotosíntesis y pobre fotorrespiración, mediante mejoramiento genético, fusión celular, selección de cultivo de tejidos, y mediante control químico.
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SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICION DEPLANTAS LAS
POSIBLES FUNCIONES DE LA FOTORRESPIRACI6N. Muy recientemente se pensaba que ya que la fotorrespiración es aparentemente una pérdida ruinosa de carbono fotosintético, debiera ser un proceso inútil e inevitable causado por 10s efectos envenenadores del oxígeno. Algunos fisiólogos opinanqueestepunto de vista altamente teleológico pudiera no ser correcto. Sin embargo, 10s argumentos en relacih a un papel útil de la fotorrespiración no son concluyentes y tienden a ser más teleológicos aún. Se ha argumentado que si la fotorrespiración fuera totalmente inútil o nociva se habría perdido durante los prolongados periodos de tiempo evolutivo. Por otra parte, la oxigenasa característica de la RuBPcasa pudiera ser ineludiblemente inherente a la naturaleza de la carboxilasa. Se ha alegado también que la fotorrespiración es innecesaria porque las plantas C, no fotorrespiran. No obstante, estees un tema debatible, como se verá posteriormente. Se han sugerido posibles roles benéficos para la fotorrespiración. Las algas no poseen ácido glicólico oxidasa como las plantas superiores, pero tienen en vez de ello un ácido glicólico deshidrogenasa ligado al NAD. Por lo tanto, el metabolismo del glicolato en las algas pudiera conducir a la formación de ATP como en la respiración oscura. Sin embargo, ahora parece, luego de una considerable controversia sobre el tema, que las algas no muestran fotorrespiración normal. La fotorrespiración parece incrementarse durante la rápidatranslocación defotoasimilados,porejemplo, durante el tempranodesarrollo de una nueva hoja o botón floral, o bien durante el “pegamiento” del fruto. Bidwell ha sugerido que la fotorrespiración está de algún modo asociada a la transferencia o formación de azúcares en el sitio de carga para el transporte. Otro punto de vista radica en el hecho de que la fotorrespiración mantiene la concentración del CO, cuando los estomas se cierran en razón del stress de agua. Esto podría tener dos clases distintas de efectos positivos; primero, la RuBPcasa requiere COZ para su activación;en ausencia de CO, se torna inactiva y la fotorrespiración podría suministrarsuficiente CO, para mantenerla en estadoactivo, de manera que la fotosíntesis se reanudaría de inmediato ante la apertura estomática. Alternativamente, el CO, producidopor la fotorrespiraciónpodría servir igualmente para mantener en marcha el ciclo del C 3 ymantener los niveles de los intermediarios.Estotambién serviría para mantener el ciclo disponible de manera que la fotosíntesispudiera proseguir de Inmediatocuandolosestomas se abrieran. Finalmente, la fotorrespiraciónpodría ser útil en razón de su despilfarro; es decir, podría servir para disipar la energía no requerida en ocasiones en que la intensidad luminosa sea demasiado alta, por ejemplo, cuando los estomas están cerrados y exista pobre suministro de COZ. Estas son meras proposiciones. Por el momento no se puede decir por qué las plantas fotorrespiran o por qué (si es un proceso nocivo) la fotorrespiración no se ha perdido en el transcurso de la evolución. Existen muchaspreguntas acerca del fenómeno que aún esperan respuesta: las rutas metabólicas no se conocen con exactitud, aún hay preguntas sobre la naturaleza y fuente de los substratos, su tasa o intensidad real es difícil de medir y, en el mejor de los casos, se está conjeturando acerca de su papel funcional.
EL CICLO FOTOSINTkTICO DEL C4 ESQUEMA DE LAS REACCIONES. Las reacciones de las diversas alternativas posibles del ciclo del C, se presentan en detalle en la Figura 7-i9.Aquí se considerarán
NUTRICIdN CARBONO POR
- UNA SfNTESIS
387
las implicaciones fisiológicas del ciclo. Un esquema simplificado se muestra en la Figura 15-8 como una base para este estudio. Como ahora se sabe, diferentes fases del ciclo C4 tienen lugaren distintas partes de la hoja. El principal logro del ciclo parece ser atrapar el COZ en las células del mesófilo próximas a los estomas y luego transferirlo en forma de 0-carboxilo de un ácido C4 a las células de la vaina fascicular dentro de la hoja, donde puede liberarse nuevamente como COZ,para fijarse y reducirse mediante el ciclo C3. La separacióndelos dos mecanismos fijadores deCOZ y lanaturalezaespecial de , la enzima carboxilante del C4 son puntos clavesenel ciclo del C4 . La reacción importante es la de la enzima carboxilante: fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEP carboxilasa). Su emplazamiento en la célula no se conoce con certeza pero se cree que es en el citoplasma. El punto clave respecto a esta enzima, y el punto principalque la hace distinta a la RuBPcasa es que utiliza iones bicarbonato (H C 0 3 -) en vez de COZ como substrato. Posee una afinidad algo mayor hacia el bicarbonato, que la RUBPcasa por el COZ, asíque puede mantener altas tasas de reacción en bajas concentraciones de COZ.Muchomás importante, sin embargo, es que una carboxilasa que utiliza bicarbonato no es sensible al O2 , El uso de esta enzima, en consecuencia, libera la reacción de carboxilación fotosintética del efecto tóxico del 02.Además, como el efecto del O2 sobre la RuBPcasa es competitivo, el de la carboxilasa se torna menos y menos efectivo conforme declina la concentración delCOZdebido al incremento de la razón O2/COZ. La PEP carboxilasa no sufre por este efecto; como resultado, las plantas poseedoras del ciclo C4 pueden absorber CO, con mayor eficiencia que las plantas C 3 en niveles bajos de COZ. Figura 158. Diagrama de los esquema operativos del ciclo C4 de la fotosíntesis. rnes6filo
Células del
I
1
I
CBlulas de la vaina fascicular
HCO;
A. Transporte de malato
HCO;
-
Acido oxaloacetico
1
-
I I I
I
Acido
.\--i
Ciclo c 4
Ciclo
PEP
c3
t
Azúcares, alrnidbn
I B. Transporte de aspartato
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SUELO, AGUA YNUTRICI6N AIRE: LA
DEPLANTAS LAS
El producto de la carboxilasa es el ácido oxaloacético. Este ácido C4 inestable se convierte rapidamentepor reducción o transaminación a malato o aspartato, los cuales se transportan luego a los cloroplastos dela vaina fascicular. Allí el ácido C4 se descarboxila por uno o varios mecanismos (ver Figura 7-19) y el CO, así liberado se fija mediante la RuBPcasa en el ciclo de Calvin de la manera usual. El ácido C, que permanece despuésde la descarboxilación, yaseapiruvato o alanina, es devuelto a las células del mesófilo y retroconvertido a PEP por el piruvato, fosfato dikinasa, una reacción que precisa dos moléculas de ATP. La operación del ciclo C4 poseeun requerimiento energético adicional de dos ATP por CO, fijado por arriba del requerimiento del ciclo de Calvin. La energía reductora necesaria para convertir el ácido oxaloacético a malato se regenera durante la descarboxilación del malato, así que no se contabiliza como un requedel ciclo rimiento extra del ciclo C4 . Se consideraengeneral,quelasventajas sobrepujan la desventaja del requerimiento de una inversión extra de energía. Las características especiales que deberian notarse son: 1) la separación de las carboxilaciones de C4 y C3; 2) la participación de los compuestos nitrogenados, y 3) la amplia variedad de mecanismos de reacción utilizados por diferentes plantas para llevar a cabo el mismo resultado básico. LOCALIZACIdN DE LAS ACTIVIDADES-ANATOMfA KRANZ. Se advirtió con ante-
rioridad que se pueden distinguirplantas C4 porqueposeennervadurasverde oscuras ensus hojas. El arregloespecializado de los tejidos quecasiinvariablemente acompaña la actividad C, (sólo una o dos excepciones sehan reportado y su significado no está claro todavía) se denomina anatomía Kranz. Se caracteriza porpequeñosespacios intercelulares, nervaduras frecuentes y un pronunciado anillo de células de la vaina fascicular alrededor de cada haz, las cuales están dotadas de cloroplastos en abundancia (Figura 15-9). En algunas plantas (especialmente en el maíz, Zea m.uys) los cloroplastos de la vaina fascicular muestran un desarrollo pobre y carecen de grana, como se ve en la Figura 15-10. Los tilacoides de los grana parecen requerirse para la cooperación eficaz de losdos fotosistemas, y los cloroplastos singranason a menudo deficientes en el fotosistema 11. Esto significa que en los cloroplastos carentes de grana la producción de energía de reproducción y de oxígeno son muy reducidos, si bien la producción de ATP mediante fosforilación por lo regular nose afecta. La presencia de cloroplastos sin grana de la vaina fascicular se correlaciona con la presencia de un tipo de enzima NADP-málica del ciclo C4 (reacción di, en la Figura 7-19), enla cual al descarboxilación del malato conduce a la formación de NADPH en los cloroplastos de la vaina fascicular. El ciclo de Calvin requiere dos NADPH por cadaCOZ fijado. Por lo tanto, se necesitan cloroplastos de la vaina fascicular para producir sólo la mitad de la cantidad de energía de reducción que normalmente se necesita; la otra mitad es suministrada por el ciclo de Calvin. El tipo de enzima NADP málica del ciclo C, en combinación con el dimorfismo cloroplástico, representa el nivelmás alto de desarrollo evolutivo en fotosíntesis. No solamente existen células y organelos especializados para desempeñar partes específicas delas relaciones fotosintéticas, sinoqueademás la reducción del transporte no cíclico de electrones asociada al bajo requerimiento de NADPH reduce la producción de O2 en cloroplastos sin grana de la vaina fascicular. Puesto que ésta es la localización de la RuBPcasa, la cual está envenenada con 0, , se gana un incremento extra en la eficiencia operativa. Numerosos estudios han demostrado que el ciclo C4 siempre está asociado
NUTRICI6N POR CARBONO - UNA SfNTESIS
389
A
Figura 15-9. Sección transversalde (A) unaRoja C3 (Acer, arce) y (6)unahoja C4 (Zea mays, maíz). Adviértaseel parénquima esponjosolaxamente estructurado y lascapas cloroftlicas en C 3 ,en comparaci6n con el mesófilo denso, pequeñosespaciosa4reos y la palizada delahoja destacada vaina fascicular clorof ilica de la hoja C4.
a la anatomía Kranz. Existen especies C3 y C4 en el género Atriplex y sus cruzas producen plantas intermedias. Algunos híbridos parecen ser plantas normales C3, algunos son intermedios ensu anatomía, y otros poseen lo que parece ser anatomía Kranz normal, pero no poseen un ciclo C 4 . Evidentemente, la organización necesaria para la fotosíntesis C4 es muy precisa. La mayoría de las plantas poseen PEP carboxilasa y la mayoría de ellas fijan algo de COZ mediante esta reacción. Sin embargo, carecen delaorganización cooperadora necesariapara la efectiva operación de un ciclo Ca. El punto a enfatizar es que la evolución de la fotosíntesis C4 precisó no de la evolución de nuevas enzimas o nuevas vías metabólicas sino de una apropiada coordinación del metabolismo de varios organelos en diferentes
390
SUELO, AGUA Y AIRE: LA NUTRICION DE LAS PLANTAS
Figura 15-10. Micrografía electrónica de cloroplastos de lahojadel maíz (Zea mays) quemuestra porciones deuna célula del mesófilo (izquierda) y una celula de lavaina fascilular (derecha). El cloroplasto del mesófilo posee muchos granamientrasque los cloroplastos delavainafascicular carecen de ellos. Adviértase los plasmodesmosentre las c6lulas.(Fotografía cedida amablemente por el Dr. C.R.Stocking, University of California, Davis, de una preparación por S. Larson.)
células para producir un sistema metabólico coordinado para toda la planta, que superara bajo condicones apropiadas los mejores esfuerzos posibles de los sistemas más simples. METABOLISMO DEL NITRdGENO EN EL CICLO C,. El metabolismo del nitrógeno del ciclo C4 es menos amplio queel del ciclo C z , pero iguales importante.Las transaminasas necesarias se han demostrado en elmesófilo o encloroplastos de la vaina fascicular, tal y como se requiere en plantas transportadoras de aspartato, y las enzimas parecen ser adecuadas para elintensotráficometabólico en que intervienen. Se ha preguntado cuál pudiera ser la razón por la que los compuestos de nitrógeno deben involucrarse en el metabolismo del ciclo C4 o en el metabolismo C3.Puede ser queloscompuestos sean idóneos en términosdeloscambios de energía libre asociados con el metabolismo que se requiere. Por ejemplo, no se conoce ninguna reacción de hidroxipiruvato igual a la serina hidroximetil transferasa del ciclo C 2 , así que el glioxilato podría no convertirse directamentea hidroxipiruvato. Podría tener lugar vía glicina y serina. El mismo argumento es insostenible en relación al ciclo C4 puesto que no ocurre una reacción libre de nitrógeno; por el contrario, se ha sugerido que ciertas plantas no han hecho los ajustes necesarios
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para ocuparse en la síntesis y utilización del NADHP asociadas a la transferencia del malato, o bien los compuestos aminadosson más fácilmente transportables en razón de su menor reactividad. Acaso no exista una buena razón. Tal vez ciertas plantas lo hacen de un modo y otras de otro debido a accidentes evolutivos. INTEGRACIdN Y REGULACI6NDEL CICLO c*. ComoesdeSuponer, un sistema metabólico tan complejo y altamente ordenado como la fotosíntesis C 4 , posee varios pasos controlados. Los ácidos C, aspartato y malato actúan como inhibidores por retroalimentación sobre la PEP carboxilasa. La carboxilasa misma estáregulada estrechamente por la luz, su actividad depende de la intensidad de iluminación de tal manera que la tasa de p-carboxilación es proporcional a la demanda de C 0 2 por la RuBPcasa. Deberecordarsequeel ciclo C3 es autocatalítico; es decir, puedeservir para formar la concentración de sus propios intermediarios. El ciclo C4 carece de esta propiedad. No obstante, compuestos C3 como PEP y piruvatosonmóviles y demandadosporcélulas metabolizantes. Como consecuencia, si el ciclo C4 se detiene debido a la oscuridad o carencia de COZ , existe el peligro de que los intermediarios se pierdan y conviertan el ciclo en lento e ineficiente cuandolas condiciones carboxilantes prevalezcan denuevo.Pareceque esta dificultad se supera por la capacidad del ciclo C3 para perder intermediarios C3 (tal vez producidos mediante catálisis), los cuales pueden entonces ser desviados hacia las células de la vaina fascicular y alimentar el ciclo C 4 . Los datos que ilustran este punto se muestran en la Figura 15-11, tomados de una práctica para estudiantes en el laboratorio del autor. Hojas iluminadas de maíz (Zea mays) se alimentaron con 4 C 0 2 durante un tiempo breve y luego se expusieron al *COZ (un experimento depulso-rastreo del tipo que ha suministrado importantes datos acerca dela cinética y operación del ciclo C4). Los impulsos radioactivos de los intermediarios de los ciclos C3 y C4 se midieron a intervalos durante el pulso y el rastreo. La rápida manifestación de radioactividad en los ácidos C4 y su transferencia al PGA y a los intermediarios del ciclo de Calvin durante el pulso del l4 C 0 2 puede verse con claridad. Además se puede advertir la forma en que el 1 2 C 0 2 persigueel 4 C 0 2 fueradel C4 y luego a los intermediariosdel ciclo C 3 . Se puede notar también el comportamiento de los comcompuestos C3 del ciclo C4; piruvato y alanina. Si el 14COzse transfirierasólo mediante la reacción de /3-carboxilación y la descarboxilación, y el ciclo fuera hermético (es decir, que ningún compuesto se le saliera o anexara), entonces estos El hecho de que si lo compuestos C3 nuncadebieranadquirirradioactividad. hicieran indica que estaba ingresando carbono nuevo al ciclo C 4 , presumiblemente por pérdida del ciclo C3 . LOSdatos recientes, a estudiarse posteriormente en la sección sobre la respiración oscurade este capitulo, demuestranque 10s ácidos C, sintetizados por el ciclo de Krebs pueden utilizarse también para proveer al ciclo fotosintético C4 . Por 10 tanto, parece que la ausencia de autocatálisis noesun serio inconveniente para la operación del ciclo fotosintético C 4 . Debe producirse la regulación de la integración de losintermediarios C 3 , pero los detalles aún no han podidolograrse.Sin embargo, sesabeque el ciclo C3 puede ejercer un efecto regulador sobre el ciclo C4 mediante la estimulación de la PEP carboxilasa por la glucosa-6-fosfato. Éste es un producto del ciclo C3 que conduce a la formación de almidón, y su activación de la PEP carboxilas ten-
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2
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Figura 15-11. Experimento depulso-rastreo con hojasde maíz, en el laboratorio del autor. Los compuestosasociados al ciclo C3 sonlíneas continuas; los del ciclo C4 son I íneas discontinuas.
dería a impedir la pérdida de PEP para otras reacciones, incluso para la síntesis de almidón. La regulación del ciclo C4 también se lleva a cabo por el nivel de carga energética de la célula, lo cual puede hacerse mediante efectos alostéricos de adenilatos o a través del efecto directo del ATP, ADP y concentraciones de AMP sobre el piruvato, reacción fosfato dikinasa que regenera PEP. Existen casi con seguridad otros pasos regulados en la fotosíntesis C4 ya que la integración de esta compleja secuencia metábolica los necesita. Una importante áreadeinvestigaciónen el futuro será descubrir y poner en claro estos mecanismos de control.
PRODUCTIVIDAD E IMPORTANCIA ECOL6GICA DE PLANTAS C4 VENTAJAS DEL CICLO Cq. El ciclo C4 tiene dos ventajas diferentes: un mecanismo más eficiente de obtención del COZ y un mecanismopara transportarlo al
sitio del ciclo de reducción fotosintética.Se verá queestas ventajs sobrepujan el costo de incremento energético del ciclo C4 bajo ciertas circunstancias.Sin embargo, el metabolismo Cs no siempre es ventajoso, y numerosas plantas C3 poseentasasdeproductividad tan altas como las plantas C4 bajo circunstancias adecuadas.
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OBTENCIdN DEL coz Y CONSERVAC16N DEL AGUA. LaPEP carboxilasa posee una afinidad algo mayor por el CO, que la RuPBcasa. Sin embargo, se ha calculado que la RuBPcasa es adecuada bajo condiciones normales, en su cantidad y en su afinidad por el COZ, por las elevadas tasas de fotosíntesis que se han observado. Por lo tanto, el ciclo C, ofrece una ventaja, especialmente cuando la concentraciLn ambiental de COZ esmuy baja. Esto ocurre cuando los estomasestáncasi cerrados como resultado del stress de agua. Entonces, el ciclo C, puede mantener tasas altas de fotosíntesis aun cuando la concentración de CO, dentro dela hoja descienda a niveles demasiado bajos como para que la fotosíntesis C3 se reduzca severamente. El síndrome C4 se ha desarrollado primariamente en plantas tropicales que ocupan hábitats secos y necesitan por ello conservar el agua. Bajo tales condiciones altas tasas de crecimiento y productividad confieren una ventaja decisiva. Asimismo, las plantasC, alcanzan rápidas tasas defotosíntesis y crecimiento bajo las altas intensidades luminosas de los trópicos, las que saturarán mucho más a las plantas C , . Pueden utilizar eficientemente laluz a intensidades que serían ruinosas para plantas C, . CoNCENTRACIdN DEL COZ. En hojas C 3 , el C 0 2 tiene quedifundirhacia abajo de un somero gradiente de concentración desde fuera de la hoja al sitio de la carboxilasa en los cloroplastos de las células fotosintéticas. En plantas C4 ,la anatomía Kranz suministra una vía corta para la difusión del COZ porque los espacios subestomáticos sonpequeños y el CO, sólo necesita difundirsehaciael citoplasma de células mesofílicas. Los ácidos C4 que transportan COZ a las células de la vaina fascicular difunden hacia abajo de gradientes más pronunciados mantenidos por los diferenciales de concentración en sus sitios de síntesis y descarboxilación. El resultado neto es que la concentración de CO, en los cloroplastos de la vaina fascicular deuna planta C, puedeserdelordende 200-500 ppm. En unaplanta C3 la concentración de COZ dentro de los espaciosfoliares está por lo regular en el punto de compensación (alrededor de 50 ppm) y sepiensaqueesmucho más baja su concentración sobre la superficie del cloroplasto. Por lo tanto, el ciclo C, sirve para mantener un nivel de CO, suficientemente alto dentro de las células dela vaina fascicular paraquela RuBPcasa trabaje a lamáximavelocidad.La elevada concentración de CO, produceuna ventaja adicional: incrementa considerablemente la relación COZ/O, en el sitio dela carboxilasa, con lo quese reduce el efecto del oxígeno sobre la fotosíntesis y disminuye marcadamente la fotorrespiración. Estos puntos se ilustran en la Figura 15-12, la cual muestra tasas de fotosíntesis graficada contra concentraciones de COZ para dos plantas C, que poseen diferentes tasasde fotosíntesis y unaplanta C3 estrechamente relacionada a una de las plantas C, . FOTORRESPIRACIdN ENPLANTAS Cq. La RuBPcasa delas plantas C4 noes diferente a la de las plantas C3 y es sensible al O, de la misma manera. No obstante las plantas C, no muestran fotorrespiración detectable. Las hojas C, poseen peroxisomas y enzimas de la vía glicolato, aunque a reces en cantidades limitadas. Los estudios con rastreadores demuestran que las plantas C, pueden metabolizar glicolato Peroel 14C pasa normalmente en menor cantidad, a travésdeglicina y serha durante la fotosíntesis con I4CO2 en plantas C 4 , que en plantas C,. Ahora esti generalmente aceptado (si bien no demostrado en forma definitiva) quelas plantas C, pueden poseer las reacciones de la fotorrespiración, pero éstas avanzan Sólomuy lentamente debido a la alta relación COZ/O, en las células de la vaina
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TIDESTROMIA OBLONGIFOLIA, C,
I
ATRIPLEX SABULOSA, C,
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1
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Figura 15-12. Fotosíntesis como una función de la concentraci6n de COZ enlosespaciosintercelulares, enespecies C3 y C4 cultivadas bajo régimen un termico de 40°C dia/30"Cnoche. Las mediciones se hicieron a temperatura foliar de 4OoC, intensidad lumínica de 160 nanoeinstein cm-2 seg-1 y una concentración de O2 de 21 * I - . (Los microbars(presiónparcial) de C 0 2 son aproximadamente intercambiables a partespor mill6n (ppm) de COZ).N6tese que las plantas C4 alcanzanlastasasmáximasde fotosíntesis a concentracionesmucho másbajasde COZ que la planta C3. El punto de compensaci6n de la planta C3 estáalrededorde 40 ppm de COZ, mientrasque el de las plantas C4 es O , lo quedeCOZ por muestraquenopierden fotorrespiraci6n. (De O. Bjorkman, H. Mooney y J. Ehleringer:Carnegie lnst. Wash. Year Book. 760-61 (1975).Utilizada con permiso.)
Presion de COZ intercelular, microbars
fascicular. Cuando a plantas C3 se les provee de una mezcla COZ/O, equivalente a la calculada para las células de la vaina fascicular de plantas C 4 , también muestran elevadas tasas de fotosíntesis y tasas muy bajas de fotorrespiración. Además, cualquier CO, que pudiera producirse porfotorrespiración en plantas C4 es atrapado y reutilizado por el sistema carboxilante C4 y así no difunde al exterior de la hoja. EFECTOS DE LA TEMPERATURA. Numerosas plantas C4 son tropicales y muchas poseen rangos de temperaturas óptimas demasiado altos para la fotosíntesis y el crecimiento. Sin embargo, algunas plantas C3 poseen también la adaptación para altas temperaturas y unas cuantas plantas C4 carecen de ella. Así que puede concluirse que la adaptación a la temperatura alta no acompañaautomáticamente al ciclo C4, si bien ambos a menudo están vinculados. Este punto se ilustra en la Figura 15-13, que muestra la fotosíntesis de las tres plantas ilustradas en la Figura 15-12, pero tal y como son afectadas por la temperatura (ambas muestran datos O. Bjorkman de la Carnegie Institution of Washington). La dellaboratoriode curva mostrada por T. oblongifoh es típica de plantas C4 de temperaturas altas. Lasdos especies de Atriplex son características de un régimen de temperaturas bajas. Sus respuestas fotosintéticas ante la temperatura son muy similares, aunque una es planta C4 y la otra es planta C3. Cierta adaptación a temperaturas altas es conferida por el ciclo C4 porque la fotorrespiración depende mucho de la temperatura y su tasa se incrementa pro-
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A. glabriuscula ( C , )
-S-(-
A. sabulosa
(C,) T. oblongifolia ( C , )
1
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I
I
I
30 Temperatura del dia
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40
("C)
Figura 15-13. Crecimiento relativo diario como una función de la temperatura del día en Atriplex glabriuscula, A. sabulosa y Tides tromia oblongifolia. Las tasasde crecimiento se midieron como aumento diario en gramos por gramo del pesoseco total de la planta. Adviértase que una planta C4 es de adaptación dela temperatura pero la otra se comporta exactamente como una planta C3 con respecto a latemperatura. (De O. Bjorkman, B. Marshall, M. Nobs,W. Ward, F. Nicholson y H. Mooney: Carnegie Inst. Wash. Year Book, 73:757-67.(1974). Utilizada con permiso.)
porcionalmente más a alta temperatura que el aumento de la tasa de fotosíntesis. Por lo tanto, las plantas enfrentan un porcentaje de pérdida de carbón fijado cada vez mayor debido a la fotorrespiración, con el incremento de la temperatura. Las plantas C4, que no pierden COZ por fotorrespiración, no enfrentan este problema. ADAPTACIdN ECOL6GICA. Lasplantas C4 puedenmantenertasas fotosintéticas altas bajo condiciones deficitarias de agua que detendrían la fotosíntesis de las plantas C3.Esta parece ser la principal ventaja del síndrome C4 y permite crecer con mayor eficiencia en situaciones donde son comunes alta luminosidad y baja humedad. En bajas intensidades de luz el ciclo C4 no confiere ventajas debido a su necesidad de energíaluminosa adicional. Delmismo modo, cuando los estomas están abiertos a plenitud, muchasplantas CJ muestrantasasde fotosíntesis y crecimiento tan altas como las de plantas C4. Finalmente, la tasa fotosintética en ambos tipos de plantas está limitada por la cantidad y rendimiento de la RuBPcasa, que controla la fijación y reducción del carbono. PRODUCTIVIDAD. Debido a que ciertos cultivos C, figuran entre los más produc-
tivos del mundo (por ejemplo maíz, caña de azúcar) se aduce con frecuencia que la fotosíntesis C4 confiere un alto nivel de productividad. Esto no es estrictamente cierto; muchas plantas C3 son tan productivas como las mejores plantas C4, y muchasplantas C4 son considerablemente inferiores. De hecho, si los cultivos
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SUELO, AGUA
Y NUTRICIdN AIRE: LA PLANTAS LAS DE
Tabla 15-1. Tasasde productividad máxima alcanzadas por algunasplantasde cultivo bajo condiciones óptimas. Planta
Tipo Producción (g/m2/día)
Girasol Pasto elefante Trigo Tule (Typha)
Maiz Caña de azúcar Papa Remolacha Soja
de fotosíntesis
68 60 57 53 52 38 37 31 17
principales del mundo se citan en orden de productividad, se encontrará poca relación con su mecanismo fotosintético, como se muestra en la Tabla 15-1. Esto nosignifica necesariamente queel ciclo C, no sea ventajoso. Los cultivosgeneralmente se desarrollan bajo condiciones quesonpor lo menos favorables y usualmentealcanzan s u condición óptima. El punto importante es que bajo condiciones óptimas tanto lasplantas C3 como las C, se limitan enla fotosíntesis porlaactividad de su RuBPcasa y bajo condiciones óptimas esta enzimaescapazdemanejarel carbono a tasas consistentes, con tasasmáximas de la fotosíntesis alcanzable. Por lo tanto, el factor que limita la productividad de los cultivos probablemente no sea lapresencia o ausencia de fotosíntesis C4, sino algunos otros factores intrínsecos, como la cantidad de RuBPcasa, la resistencia estomática o la eficiencia de conversión del carbono fijado en la producción. Sin embargo, no se debe sacar la conclusión de que la fotosíntesis C, no es ventajosa para las plantas de cultivo que la poseen. Por el contrario, las plantas su productividad queposeen síndrome C, puedencultivarse enlugaresdonde sería muy baja sinofuera C,. Por ejemplo, se derivaría escasa ventaja del ciclo C, para las plantas que normalmente se desarrollan en tierra húmeda o luminosidad reducida.Perosiposeen fotosíntesis C4 podrían cultivarse en suelo seco y en áreas más tropicales donde la luz solar es más intensa y la temporada de crecimiento más prolongada. Tales factores se combinarian para producir rendimientos muchomayores.Por esta razón los científicos de laboratorios deinvestigación agrícola y fisiológica están estudiando actualmente esa posibilidad, a través de la genética tradicional, ingeniería genética o biología celular, o bien transfiriendo la fotosíntesis C, a valiosas plantas cultivadas que ahora no la poseen.
EL METABOLISMO ÁCIDO CRASULÁCEO
ESQUEMADE LAS REACCIONES. El metabolismo ácido crasuláceo ( M A C ) se caracteriza por la fijación del COZ durantela noche mediante p-carboxilación del PEP para formar malato, y s u descarboxilación durante el día para producir COZ, el cual se fija mediante el ciclo C3. La fuente del PEP en la noche es el almidón;
CARBONO NUTRICI6N POR
SfNTESIS - UNA
397
éste se forma durante el día, así que el contenido de almidón tiende a ser una función recíproca de la acidez en plantas MAC. La reacción básica está esquematizada en laFigura 15-14.Los detalles de la reacción se consideraron en el Capítulo 7 (Figura 7-22). El MAC por lo tanto, permite a las plantas operar bajo condiciones extremadamente secascuandolos estomas debenpermanecercerrados todo el día con el fin de conservar el agua. Se presentan dos hechos. Primero, el mecanismo estomático debe estar vinculado estrechamente al metabolismo fotosintético, puesto que el MAC requiere que los estomas estén abiertos de noche y generalmente cerrados durante el día. El segundo es que en el MAC hay una integración estrecha entre aspectos del metabolismo celular (interconversión de almidón y ácidos, gluconeogénesis) y la fotosíntesis. Estos hechos implican la precisa regulacióndel metabolismo. Sin embargo, no basta con mantener condiciones constantes. Las alternanc i a ~de los patrones metabólicos del día y la noche requieren niveles muy diferentes de actividad enzimática y metabolitos a diferentes horas del día. Para complicar aún másla situación, el MAC no es simplemente una alternancia de patronesdiurnos y nocturnos. Existen variasfases metabólicas, cada una caracterizada por distintas actividades y hay también cambios a largoplazo en patrones deMAC conforme avanzan las estaciones. Asimismo, ciertas plantas muestran MAC sólo en ciertas épocas de su ciclo de vida, o en ciertas temporadas del año, o bajo la influencia de ciertas condiciones como salinidad o stress de agua. Figura 15-14. Diagrama simplificado del MAC (metabolismo &ido crasuliceo). /Vacuola CBlula Cloroplasto Estomas abiertos
Noche
co, "CO,
,
Vacuola
Célula Cloropl asto
'la
Estomas cerrados
SUELO, AGUA YNUTRICIdN AIRE: LA LAS DE
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PLANTAS
Muchos aspectos del MAC no están claros aún, y al igual que la fotosíntesis C4, se localizan diferentes patrones en diferentes plantas. El fisiólogo australiano C.B. Osmond ha hecho un detallado estudio de unatípica planta MAC, Kalanchoe daigrernontiana, y aquí se examinarán brevemente los patrones y controles metabólicos que ésta presenta. PATRONES DEL MAC. La Figura 15-15 muestra absorción de CO, , contenido de ácido málico y comportamiento estomático de K. daigremontiana. El patrón se divide en cuatro fases. En la fase 1, durante la noche, el COZ es absorbido activamente y fijado por la PEP carboxilasa para formar ácido málico, el cual se acumula; los estomas están totalmente abiertos. Cuando se prende la luz se recoge un poco de COZ, lo cual constituye la fase 2. La fase 3 comienza con el cierre de los estomas, el cese de la asimilación del C02 y el principio de la desacidificación. Esta fase puede continuar bien durante el día, cuando (la hora exacta depende de condiciones externas) los estomas posiblemente se abran y la fijación del CO, se reanude, pero ahora en dependencia dela RuBPcasa y el ciclo C3 de la fotosíntesis; esto constituye la fase 4, que puede durar hasta la oscuridad y la reiniciación de la fase 1 . La fijación del C 0 2 en las fases 1 y 2 es insensible a la concentración de 0 2 , lo que demuestra que la PEP carboxilasa es la vía principal de fijación de COZ en esos periodos. En estudios con hojas de las que se ha desprendido la epidermis (y los estomas cerrados), se encontró que la fijación de COZenlas fases 3 y 4 es inhibida por competencia mediante el oxígeno y posee un punto de compensación del C 0 2 de alrededor de 50 ppm de COZ. Esto demuestra que la fijación en estas fases es por medio de la RuBPcasa. Estudios de cinética con COZ demuestran la transferencia del carbono al malato en la oscuridad y su transferencia al ciclo C3 con luz de día. Estos y muchos experimentos similares han confirmado los esquemas básicos de las reacciones mostradas en la Figura 15-14. Figura 15-15. Patronesdel M A C . (Modificada de datosde C.B. Osmond, en R.H. Burris y C.C. Black (eds.): C O Z Metabolism and Plant Productivity. University ParkPress, Baltimore, 1976.) Fase 1
Fase
Fase
3
1
I
Fase
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4
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1
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Cerrados
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9
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1
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3 pm
NUTRICION POR CARBONO - UNA SfNTESIS
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Los requerimientos importantes del MAC son, por lo tanto, mecanismos que permiten la regulación de las carboxilasas y descarboxilasas del metabolismo asociado a la producción y utilización de componentes C 3 . Además, el mecanismo estomático necesita de una estrecha regulación. CONTROL. Se han presentado numerosas hipótesis en relación al control del MAC, basadasendiversos factores. La PEP carboxilasa y la malatodeshidrogenasa po-
seen tales coeficientes de temperatura que la temperatura alta favoreceladescarboxilación del malato y la temperatura baja favorece su síntesis. Sibien es cierto que muchas plantas MAC viven en ambientes desérticos donde el tiempo sin duda es cálido en el día y frío en la noche, se ha demostrado que el MAC funciona igualmente bien, bajo temperatura constante. En consecuencia, aunque la temperatura posiblemente afecte alMAC, es improbable que sea el factor de control final. Modelos alternativos sugieren que el metabolismo crasuláceo esregulado por competencia, ya sea por el COZ o por estructuras C3. Las conocidas diferencias en actividad y afinidad paraelCO,delaPEP carboxilasa y la RuBPcasa, sin embargo, hacen improbable la competencia entre ellas, como mecanismode regulación.Además, se necesitan mecanismos paraimpedirla competencia unilateral entre ambas carboxilasas. El modelo de competencia C3 depende del hecho de que el PEPdel ciclo C4 y el PGA del ciclo C3 son interconvertibles. Por lo tanto, las estructuras C3 podrían desviarse hacia el ciclo C3 en la luz, controlando así elsuministrodelPEP.Sin embargo, el metabolismocrasuláceo es marcadala plantase mente periódico y continúa pasando por susdiversasfasesaunque someta a luz continua. Esto quiere decir que el MAC posee un fuerte ritmo endógeno (para un estudio adicional de los ritmos, véase Capítulo 20). Así que, aun ante la luz continua, donde el ciclo C3 sería continuamente activo, la alternancia de acidificación y desacidificación (de 0-carboxilación y carboxilación de C3) continúa. Existe la posibilidad de que algún mecanismo desconocido como un controlador rítmico (es decir un reloj biológico) regule el metabolismo crasuláceo. Desafortunadamente, tal modelo no ayuda a su comprensión hasta que los enigmas de los relojes biológicos sean resueltos. Esto no ha sucedido hastaahora. Sin embargo, otro modelo sugiere que la PEP carboxilasa, la enzima carboxilante más activa y eficaz, esté regulada mediante su producto que es el control retroalimentante del malato. A fin de lograr una alta producción de malato en las fases 1 y 2 seguida por el control repentino de la PEP carboxilasa en la fase 3 , se necesita postularque al malato, almacenado principalmente en vacuolas, se le permita fluir súbitamente al citoplasma al principio de la fase 3. Existen situaciones paralelas en las que pequeños cambios en presión de turgencia (afectadas por la síntesis de malato) a ciertos niveles críticos propician 0 determinan cambios en lapermeabilidadde las membranas.Sinembargo, tal modelo, 10 mismoque los otros que se mencionaron, no ha sido demostrado hasta ahora.
RESPIRACIdN Y FOTORRESPIRACIdN EN EL METABOLISMO CRASULACEO. Las plantas MAC respiran normalmente, y seha sugeridoquegran parte del compuesto C3 que permanece luego de la descarboxilación del malato en la fase 3 se agota en el ciclo de Krebs, produciéndose así másCO,para la fijación C 3 . Sin embargo, muchos fisiólogos opinan que ésta no esuna reacción importante, en parte porque ennumerosasplantaslastasasderespiraciónoscuradisminuyen sustancialmente a la luz (ver página 403). Es más probable (pero no seguro aún)
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que el piruvato que se forma de la descarboxilación del malato se utilice en reacciones gluconeogénicas que conducen a la formación de almidón. Con toda probabilidad la fotorrespiración prosigue en plantas MAC a la luz, como demuestra el hecho de que cuando se desprende la epidermis (con lo quela resistencia estomática se suprime) ellas muestran un punto de compensación de alrededor de 50 ppm, típico de plantas C3 normales. El 4C atraviesa por glicolato, glicina y serina durante el suministro a la luz de CO, , y la fase 3 o fijación de 4 CO, se inhibe por el O, . Naturalmente, puesto que los estomas están normalmente cerrados a la luz no se desarrolla COZ. En cambio cualquier cantidad de COZ producido en la fotorrespiración se volvería a fijar.
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IMPORTANCIA ECOLdGICADEL METABOLISMO CRASULACEO. A diferencia de la fotosíntesis C4, el MAC no confiere tasas elevadas de fotosíntesis a las plantas que lo poseen. Sin embargo, al igual que el ciclo C4 confiere ventajas decisivas bajo condiciones especiales. Si bien el ciclo C4 permitealtas tasas defotosíntesis bajo condiciones de sequía, el MAC permite la fotosíntesis y la sobrevivencia ante condiciones de extrema desecación. Muchos cactos y otras plantas desertícolas poseedoras de MAC pueden sobrevivir largos periodos bajo tales condiciones extremas en que no tiene lugar en absoluto ninguna fijación neta de COZ. Otras plantas perderían COZ por respiración, pero las plantas MAC recuperarían (refijarían) todo el que perdieran. Por lo tanto, si bien no logran crecer, pueden sobrevivir mientrasotrasplantasestaríanmoribundas. En consecuencia, aunque el interés no es tan grande como el de la fotosíntesis C4, se han dedicado algunos esfuerzos para implantar en plantas de cultivo la capacidad del MAC para dirigir la fotosíntesis más allá de los estomas cerrados.No se sabe si ello se logrará.
RESPIRACIóN OSCURA PAPEL DE LA RESPIRACIdN OSCURA. Recientemente los botánicos, y los científicos agrícolas en particular, han dirigido su atención hacia la cuestión de por qué las plantas respiran, y si se pudiera eliminar algún metabolismo respiratorio de la planta por inútil e innecesario. Este punto de vista obliga a examinar la pregunta: ¿para qué es la respiración? En el Capítulo 6 se trató principalmente el papel de la respiración como proveedora de energía y energía de reducción (ATP,NADH, NADPH) por una parte, e intermediarios para el metabolismo de síntesis, por otra. Otra forma de ver esto es considerar que la respiración procura dos tipos de procesos distintosen la planta:mantenimientoycrecimiento. El mantenimiento se relaciona fundamentalmente con la regeneración y la restauración, así como la operación de todos los sistemas necesarios para el normal funcionamiento de la planta; éstos incluyen reciclado, transporte, mantenimiento de gradientes de todo tipo, demandas de controles operativos, sistemas de señales, etc. El crecimiento es principalmente síntesis y acopio de todos los materiales y sistemas operativos que constituyen la planta. Crecimiento y mantenimiento son procesos totalmente distintos, el científico agrícola norteamericano K.L. McCree ha demostrado cómo pueden cuantificarse independientemente. El mantenimiento de la respiración es claramente una función del tamaño de la planta (al menos en plantas herbáceas carentes de grandes cW, masas de tejido metabólicamente inerte), así que puede representarse como donde c es una constante y W el peso seco de la planta. La respiración del creci-
401
NUTRICIdN POR CARBONO - UNA SfNTESIS
miento, sin embargo, depende sólo del nuevo crecimiento producido actualmente por la planta, el cual se mide mejor en base a la tasa neta de fotosíntesis. Así pues, la respiración de crecimiento puede representarse como hP donde k es otra constante y P es la tasa de fotosíntesis. Entonces la ecuación para la respiración es:
R
=
kP
+
CW
Es posible obtener valores experimentales para h y c . Por ejemplo, las plantas puedenestaren inanición por 48 horas, despuésde lo cual el crecimiento realmente se detiene y sólo permanece la respiración de mantenimiento ( c W ) ,de lacual c puede calcularse. Alternativamente, laplanta puedeserprovistabrevemente con 4 C 0 2 a la luz, y lacantidad de 14C remanente en laplanta después de 24 horas da el valor de h, la proporción del carbono que se ha utilizado en el crecimiento. Los cálculos de h en base a requerimientos de energía para producir una cantidad conocida decuerpovegetalconcuerdan muyde cerca con valores experimentales obtenidos de h que indican que el 25-30%de carbono absorbido se utiliza en la respiración de crecimiento. La respiraciónde mantenimiento es mucho más baja y está por lo general en el rangode 1-4%del peso seco dela planta. Estos datos dan valores de 0.25-0.30 para k , y 0.01-0.04 para c en la ecuación anterior. Evidentemente larespiraciónnecesaria para sostener el crecimiento esel componente másgrandede la respiración total; esto es lo que ha de investigarse en relación a cualquier mejora notable en eficiencia de crecimiento de los cultivos. Los fisiólogos de cultivo han especulado con quealgodelarespiraciónde crecimiento pudiera utilizarse para formar mecanismos metabólicos o reguladores, o bien partes de la planta innecesarias en cultivos que se mantienen en base a la agricultura. Este enfoque requiere la aplicación de principios de ingeniería genética más que de fisiología vegetal o conjuntados a éste. Puesto que las eficiencias de conversión total calculadas para plantas de cultivo (gramos de carbono convertidos en planta por gramos de carbono fijados en fotosíntesis) son bastante altas, del orden de 70-75%,tal vez no pueda conseguirse un mejoramiento considerable. De hecho, dado que la respiración es una medida de la actividad metabólica, una respiración alta es característica deunaplantasaludable.Debeadvertirseque a medida que la planta logra la madurez su respiración de crecimiento se torna más pequeña y su respiración de mantenimiento constituye entonces una proporción mayor de la total. En ese punto, la respiración de mantenimiento llega a ser un objetivo más meritorio para estudios sobre la eficiencia de la utilización del carbono en plantas de cultivo. INTEGRACI6N DE RESPIRACI6N Y FOTOSfNTESIS. El fisiólogo británico J.A. Raven analizó datos de laboratorio para calcular cuánto de la demanda energética dela célula para crecimiento y mantenimiento puede aportarse directamente del ATP fotosintético y de la energía de reducci6n en la luz, y cuánto se suministra por la respiración tipo oscura que prosigue a la luz.De tal manera, posibles puntos de interacción entre fotosíntesis y respiración se muestran en laFigura 15-16. Se debe notar que la fotorrespiración no puede considerarse como un proceso respiratorio en este contexto, puesto que no produce energía utilizable. Es importante no confundir las manifestaciones de respiración (producción de COZ, absorción de O,) con el proceso de respiración (la oxidación de substratos para producir energía útil).
,
SUELO, AGUA YNUTRICI6N AIRE: LA
402
DE LAS PLANTAS
Azúcares Reacciones del carbono fotosintéticas
Respiraci6n”j
NADH
NADPH Reacciones luminosas de fotosíntesis
Mantenimiento (trabajo quirnico, osmótico, otros)
I
Reducción de NO3 :etc.
o2
Figura 15-16. Víasalternativasdel suministro deATP y reductor, enplantas. Lasflechas continuas representan vías oscuras o luminosasconvencionales; flechasdiscontinuasindican utilización directa de productos fotosint6ticos enreaccionescelulares. (Modificada y adaptadadeJ.A.Raven: Ann. Bot.,
40:587-602,
1976.)
Muchas algas pueden cultivarse en la oscuridad en una fuente de carbono -es decir, heterotróficamente“ así como mediante fotosíntesis. Raven examinó la eficiencia de conversión durante la respiración (que puede expresarse como C/C02, la relación de carbono incorporado en la materia vegetal por COZ producido en la respiración) de varias algas. Encontró que C/CO, era siempre mucho mayor cuandolos organismos se cultivaban fotosintéticamentequecuandoelcultivo era heterótrofo, como se muestra en la Tabla 15-2.Los valores de crecimiento fototrófico promediaron más del doble que los valores correspondientes a crecimiento heterotrófico.
Tabla 15-2. Relaciones C/COz con respecto al crecimiento heterotrófico (oscuridad, glucosa) o fototrófico (luz, COZ) de algas. Las relaciones indican la magnitud de crecimiento (como carbono) alcanzado por una cantidad dadade respiración (como COZ). Las algas cultivadas de manera fototrófica alcanzanvaloresmásaltos porque el ATP fotosintético o la energía de reducción coadyuvan a su crecimiento, así que se requiere menos respiración. Relaci6n C/COz
Organismo
Heterotrófo Chlorella spp.
3.3-5baccilaris .0 Euglena gracilis Euglena &vacilis, cepa 2 Promedio de 3.6variasalgas
4.0-6.7
0.8-1.8 2.5 2.o 1.3
Fotótrofo
2.9-3.3
Fuente: Adaptada y modificada de J.A. Raven: Ann. Bot., 40:586607, 1976.
CARBONO NUTRICION POR
- UNA SfNTESIS
403
Esto demuestraque una parte importante de la energíanecesariaparael crecimiento se puede derivar directamente de la luz; en las algas desarrolladas en la oscuridad toda la energía se habr6 tenido que derivar de la respiración. Asimismo, los valores C/C02encontrados en la luz fueron a menudo mayores que los valores calculados para el crecimiento conocido y eficiencia respiratoria de los organismos, lo que demuestra que parte de la energía debe haber procedido de una fuente distinta a la respiración. Análisissimilares en plantassuperioresson más difíciles de hacer y los resultados son más difíciles de interpretar. Sin embargo, parece probable que algo de los requerimientos de crecimiento y mantenimiento deplantassuperiores puede también encontrarse porla producción fotosintética de ATP y reductores. Estas ideassugieren que,bajo condiciones en que la luz no es limitante, el exceso de energía luminosa puede utilizarse directamente en forma deATP o de reductor para el crecimiento y mantenimiento del cuerpo vegetal. Evidentemente, esto exige que la luz esté en exceso y que no existan otras demandas directas como reducción de nitratos o fijación de nitrógeno (señaladas en la Figura 15-16) que compitan porlaenergía fotosintética.Esto sugiere también quela regulación de este aspecto del metabolismo fotosintético debe ser importante. Existen ciertos indicios de que tales controles funcionan a través de la demanda de ATP más que a travésde su suministro (es decir, su concentración). Esto sugiere que los controles pueden ejercerse por algún sistema alternativo de señales, pero poco se conoce de esto en la actualidad. Se necesita, por supuesto, que el ATP y la energía reductora de la fotosíntesis (es decir, formada en los cloroplastos) estén disponibles para el citoplasma e incluso paralas células adyacentes. El ATP y el ADP pueden penetrar la membranadel cloroplasto, así que esto nopareceser un problema. El NADPH,por otro lado, no puede atravesar la barrera del cloroplasto y, en todos los casos, el reductor necesario paramuchas síntesis celulares es el NADH. Sin embargo, se han propuesto varias lanzaderas reductoras, las cuales permitirían equivalentes de reducción desde los cloroplastos al citoplasma. Algunas de éstas se ilustran en la Figura 15-17, donde se muestra como el NADPH del cloroplasto puede utilizarse vía el sistema de lanzadera, para generar NADH en el citoplasma. Es evidente que la exportación de energía fotosintética en forma de potencial químico a distintas partes de la célula, o a células adyacentes, puede proseguir conforme se necesite.
CONTROLDE LA RESPIRACIdN POR LA LUZ. Los primeros investigadores se interesaron en el problema de saber si las plantas respiran a la luz, una pregunta que no pudo contestarse inequívocamente sino hasta la utilización de isótopos. Ahora se sabe ciertamente que las plantas respiran a la luz, y la fotorrespiración es un fenómeno aceptado y verificado. Sin embargo, aún existe controversia acerca de si la respiración oscura continúa a la luz en adición a la fotorrespiración y si así fuera, a qué nivel. El examen anterior sugiererazonesdeporquéla respiración oscura debe proseguir aun bajo la luz. Pudiera haber una necesidad continua de ATP y energía de reducción para la sintesis.que no se satisface enteramente por la fotosíntesis, particularmente si la luz es baja o limitante. Muchas de las estructuras carbónicas que se utilizan para sintetizar la sustancia del cuerpo de la planta en crecimiento Éstas incluyen intermediarios para la síntesis se derivan de las vías respiratorias. de lípidos isoprenoides, proteínas, lignina y variospolisacáridos, cuyos monómeros san otros azúcares además de la hexosa. Finalmente, acaso también existan
SUELO, AGUA Y AIRE: LA
404
I ’;
Citoplasma
\
Cloroplasto
NADH;
NADPH;
f
NUTRICI6N DE LAS PLANTAS
GlioxilatoGlicolato deshidrogenasa c Glicolato
PGA
t
1
Triosa-fosfato deshidrogenasa
Triosa-P
NO*
-
N02-N0,
i!’ 3 >2:H 2-oxoglutarato 4
NH,
\
Glutarnato deshidrogenasa
Glutarnato
Figura 15-17. Movimientos metab6licos alternativosque podrían llevar a cabo latransferencia de energía reductora fotosint6tica hacia el citoplasma.
células no fotosintéticas en el cuerpode la plantaque no tienen acceso (o es insuficiente) a productos intermediariosde fotosíntesis parasu mantenimiento y crecimiento. A pesar de esto, los datos de tasas de respiración oscura en tejidos fotosintéticos muestran frecuentemente un decremento acentuado derespiración en la luz. Datos de este tipo que se muestran en la Figura 15-4 sugieren que la respiración oscura esminimizada considerablemente en la luz y seha calculado que en hojas de frijol larespiraciónoscurapuedereducirse ante lailuminación a 25 ó 30% desu tasa oscura. Los datos sobre hojas degirasol,por otra parte, indican quela respiración oscura es poco afectada porla luz, la fotorrespiración es un componente “añadido” de la respiración a la luz. Los datos de Raven (Tabla 15-2) sugierenque las demandasde energía respiratoria sonsatisfechas engranmedida porla fotosíntesis pero otros resultadosindicanquelas algas pueden, bajo ciertas condiciones del crecimiento, mostrar una elevada tasa de respiración oscura ante la luz. La naturalezadel control luminosoquereduce o suspendelarespiración oscura, cuando ello ocurre, no se comprende con toda claridad. La respiración está indudablemente controlada por la carga energética de la célula (cantidades relativas de ATP, ADP y AMP,verpágina 112), y también porla relación NADH/NAD. Por lo tanto, es probable que el ATP generado a la luz o la energía de reducción que se vierte dentro del citoplasma tenga un efecto controlador sobre la respiración. Varios investigadores han implicado tanto al ATP fotosintético como a la energía reductora de fotosíntesis como agentes controladores. En verdad, aún no se puede comprender claramente las condiciones bajo las cuales el control luminoso de la respiración tiene lugar, o la naturaleza de los mecanismos de control.
NUTRICI6N POR
CARBONO - UNA SfNTESIS
405
Se han hecho varias investigaciones en las pasadas dos décadas sobrela cuestión de la actividad del ciclo de Krebs a la luz. Se pensó inicialmente que este ciclo era suspendido principalmente por la generacióndeenergíareductoraque mantendríanloscofactores del piridínnucleótido del ciclo en laformareductora. Sin embargo, investigaciones recientes con inhibidores específicos del metabolismo del ciclo de Krebs mitocóndrico, y el uso de intermediarios de este ciclo marcados con 4C como substratos, han demostrado que el ciclo es activoenla luz. Pareceexistir un breve periodoen que la actividad del ciclo se reduce en iluminación y luego la reanuda a plena velocidad.
RESUMEN LOS puntos claves discutidos en este capítulo son la inte&ación del metabolismo entre los distintos organelos, células y partes de plantas, tanto entre S í como en SU totalidad, y entre diferentes procesos del metabolismo he1 carbono Y el nitrógeno. Esta integracióndeprocesosmetabólicoshapermitido la evoluciónde estrategias metabólicas más grandes, complejas y eficientes que fueran posibles aun con las secuenciasrelativamentecomplejas del ciclo de Krebs, elciclo de Calvin y sistemas similares. Ello a su vez ha permitido la integración de requerimientos para el control de la pérdida de agua concomitante con la necesidad de admitircantidades máximas de dióxidodecarbono,como en elmetabolismo &idocrasuláceo y elsíndromefotosintético C 4 . Por estas vías las plantas han podido optimizar el uso de recursos materiales disponibles, libres (COZ,H20, minerales) y energía (luz) para producir resultados máximoscongruentescon condicionesdeoperación, Muchas horas de ansiedad se han invertido en grandes empresas concartas de producción,estadísticas y computadoras para alcanzar esta meta, que las plantas han alcanzado por selección natural. Lo que ha llegado a ser evidente es que las estrategias decrecimiento, desarrollo,producción y reproducciónquemejor se ajustan a laplanta en la naturaleza, y que han sido fijadas genéticamente durante prolongadas etapasde laevolución,acasono sean las mejores para las plantas de cultivo.Ciertamente, la estrategia de las plantas silvestres consiste, en general, en alcanzar su tamaño con rapidez durante la primavera y principios del verano, a fin de reclamarel máximo territorio (minerales y agua) y espacio (luz); luego han de almacenar un exceso de minerales para hacer frente a las necesidades del periodo reproductivo. Finalmente, deben producir la cantidad adecuada (no necesariamente la máxima) de semilla, lo suficientemente tarde en la temporada para asegurar la sobrevivenciahastael siguiente año.Las plantas agrícolasnotienen esa necesidad;están espaciadas, fertilizadas y no están bajo lacompulsión impuesta por las semillas para sobrevivir; mientras más temprano las produzcan,mejor.Comoresultado, la atención de los científicos agrícolas se está dirigiendo cada vez más al problema de producir plantas mediante ingeniería genética para desarrollar una estrategia de crecimiento y reproduccib que se ajustemejor a laprácticaagrícola que a la sobrevivencia enestado silvestre. Es probableque 10s resultados futurosdeeste tipo de investigación tendránmucho más impacto en la agricultura que el solo mejoramiento de tasas fotosintéticas o la atenuación de la respiración no deseada,
SUELO, 406
AGUA Y
AIRE: LA NUTRICI6N DE LAS PLANTAS LECTURAS ADICIONALES
Burris, R.H. y C.C. Black: COZ Metabolism and Plant Productivity. University Park Press, Baltimore, Md., 1976. Cooper, J.P.: Photosynthesis and Productivity in Different Enuironments. Cambridge University Press, Cambridge, Inglaterra, 1975. Hatch, M.D., C.B. Osmond, y R.O. Slatyer: Photosynthesis and Photorespiration. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1971. Sestak, Z., J. Catsky, y P.G. Jarvis: Plant Photosynthetic Production. Dr. W. Junk N.V., La Haya, 1971. Academic Press, Nueva Zelitch,I.: Photosynthesis,PhotorespirationandPlantProductivity. York, 1971.
SECCIÓN IV
LA PLANTA
EN DESARROLLO EL FUNCIONAMIENTO DETERMINISTA DEL VEGETAL
Capítulo 16
INTERPRETACI~N DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
El crecimiento y el desarrollo son una combinación maravillosa de muchos eventos a diferentes niveles, desde el nivel biofísico y bioquímico hasta el organismico, que dan como resultado la producción integral de un organismo. Es un tópico muy complejo y existen muchas maneras de considerarlo. Algunos textos y monografías recientes lo tratan desde el punto de vista de los mecanismos y agentes del desarrollo. Aquí se hará énfasis en la planta y su funcionamiento tratando los mecanismos del desarrollo conforme sevayan presentando. En este capítulo se examinarán los conceptos de crecimiento y desarrollo y su control deunamanera general. Se seguiráen los Capítulos 17 a 22 con un detallado examen devarios sucesos del crecimiento y desarrollo vegetal. Luego, en el Capítulo 23 seharáun resumendela Sección IV desde un punto devista mecanicista, revisandolas sustancias de crecimiento más importantes, su modo de acción y los tipos de procesos que controlan. No es posible cubrir todos los aspectos del desarrollo y su control. La literatura primaria sobre este tópico es inmensa, y aún falta mucho por descubrir. La comprensión sobre el desarrollo aumenta rápidamentepero aúnhaymuchas áreas en estudio o francamente desconocidas. Por esta razón habrá que dejar sin respuesta muchas preguntas, a menudo ni siquiera hay seguridad sobre qué preguntas son pertinentes.
EL CRECIMIENTO Y
su M E D I C I ~ N
PARAMETROS DEL CRECIMIENTO. El Diccionario dela Real Academia define el término crecimiento como “tomar aumento natural los seres orgánicos” y el términodesarrollo como “acrecentar, dar incremento a una cosa delorden físico, intelectual o moral”. Aquí se separarán arbitrariamente los conceptos de crecimiento y desarrollo reservando el término crecimiento para denotar aumento en tamaño, dejando fuera cualquier concepto cualitativo tal como “desarrollo total” o “maduración” que claramente carecen de relación con un proceso de aumento o incremento. Sin embargo, aun el simple concepto de aumento en tamaño presenta dificultades porquehaydiversas formas de medirlo. El crecimiento puede
410
LA PLANTA EN DESARROLLO
medirse como longitud, grosor o área; a menudo se mide Como aumento en volumen, masa o peso (ya sea peso fresco o seco). Cada uno de estos parámetros describe algo diferente y rara vez hay una relación simple entre ellos en un organismo en crecimiento. Esto sucede porque el crecimiento a menudo ocurre en direcciones diferentes a distintas tasas, quizás ni siquiera relacionadas, así que una simple relación linear área-volumen no persiste en el tiempo. Este problema,ladificultad de definircrecimiento y tamaño, se enfatiza más por el hecho de que es muy probable que durante ciertas clases de crecimiento, uno de los parámetros aumente en tanto que otro decrece. Por ejemplo, durante la germinación de la semilla ocurre una absorción de agua inicial no acompañada por ningún crecimiento significativo: hay un incremento en volumen y en peso frescopero no en peso seco. Posteriormentelaplántulaaumentamucho en longitud (crece) pero hay un descenso neto en el peso seco. No obstante, conforme a cualquier definición, tuvo lugar un crecimiento. Estos son ejemplos extremos; pero hay situaciones intermedias en las que esmuydifícil determinarintuitivamente si ha ocurridocrecimiento o no. Un ejemplo es elaumentoentamañodebidoaabsorción de agua que puede ser permanente o temporal, o la división celular que da lugar a un gran aumento en o masa. El elnúmero de células sin que ocurra un cambiomayorenlaforma al crecimiento; el primercaso puede ser una manifestaciónfisiológicadiferente segundo probablemente puede considerarse como desarrollo (ver lasecciónsiguiente). No parece haber hasta hoy una solución aceptable a este dilema, pues el crecimiento, el desarrollo y los meros cambios de tamaño (debidos a la absorción de agua u otros materiales inertes) frecuentemente se superponen. Estos procesos se confunden el uno con el otro y pueden ocurrir separados o juntos en cualquier combinación. Consecuentemente,cuando se use, se tienequedefinireltérmino crecimiento sin confundirlo con desarrollo como sucede cuando se dice que un joven está muy “desarrollado” queriendo indicar que ha crecido mucho. Cada acepción de la palabra crecimiento involucra conceptos diferentes y debe definirse explícitamente; así en fisiología vegetal se usa comoaumento de peso o longitudu otro parámetromensurable.Por otra parte, se la puede eludir usando términos o “alargamiento”que no llevan las implicaciones talescomo“incremento” fisiológicas de crecimiento. Estos términos también pueden ser válidos cuando se piensa que no haocurrido crecimiento, tal como generalmente se entiende; un ejemplo sería el aumento en peso por células que absorben agua pero que no se dividen ni sufren otro cambio. CRECIMIENTO VERSUS DESARROLLO. El desarrollo puede definirse como cambio no siempre)hacia un estadosuperior, ordenado o progreso,amenudo(aunque más ordenado o más complejo. En tal forma el desarrollo puede tener lugar sin quehayacrecimiento y el crecimiento sin desarrollo,peroa menudo los dos están combinados en un solo proceso. Así sucede sobre todo cuando cierto grado de rigidez impide el desarrollo de una forma a otra, sin la adición de nuevo material para efectuar el cambio. Aquí no puede ocurrir desarrollo sin crecimiento concomitante y ambos son parte de un mismo proceso. Esto subraya el problema de analizar y entender las causas del crecimiento y del desarrollo; puede ser que aparezcan separados y distinguibles o ambos pueden provenir de un mismo estímulo. A su vez,estotraeproblemasenel análisis matemáticodelcrecimien-
INTERPRETACION DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
411
to, pues el progreso ordenado de éste puede verse perturbado de modo imprevisibleporfenómenos de desarrollo. Esta consideración se examinará en lasección siguiente. El desarrollo implica cambio y los cambios pueden ser graduales o abruptos. Ciertoseventosimportantes del desarrollotales como germinación,floración o senectud,aparecensúbitamentecomo un importantecambio en la vida o enel esquema de crecimiento de la planta. Otros procesos del desarrollo continúan en forma más o menos lenta o gradualmente durante toda la vida de la planta o parte en térmide ella.Lamayorparte de la Sección IV tratarásobreeldesarrollo nos de dónde ocurre en la planta, qué clase de crecimiento ocurre (es decir, los cambios en la forma y composición que resultan deldesarrollo)y cudnto crecimiento ocurre. CIN~TICA DEL CRECIMIENTO. Se ha considerado durante mucho tiempo que si se pudiera describir exactamente el crecimiento de un órgano u organismo por medio de una fórmula o de un modelo matemático, se tendría una explicación del patrón de crecimiento.Sital modelo(que nonecesitaríadescribirelcrecimiento total delorganismo)fueraincompletopodría usarse para comprobarhipótesis o sospechosos, y si fueracompletopodría usarse sobrefactoresdesconocidos efectos para comprobar su propia validez comparandoexperimentalmentelos de peturbacionesespecíficasenelmodeloyen un organismo vivo. Desafortuque una nadamentelosprocesos de crecimiento y desarrollosontancomplejos formulaciónsatisfactoriacondichas posibilidades probablementeestá muy lejana aún. Se han hecho varios ensayos de describir el crecimiento en términos matemáticos. Muchos de ellos no han tenido éxito en varios aspectos pues han descrito sólo por un corto tiempo, generalmentecuanelcrecimientoconprecisióntan do no está ocurriendo un cambio de importancia en el desarrollo. Tales ensayosno aumentanlosconocimientossobre las causas del desarrollo.Perorecientemente se han elaborado varios modelos matemáticos para el crecimiento de plantas cultivadas importantes, que aplican parámetros de ambiente (luz, temperatura, agua, etc.) a un modelodecrecimiento simple para partes individuales dela planta (raíces,hojas,tallos).Lacontribuciónde cada una de las partes para con las Han resultado algunos otras (o interdependencia de ellas) se aplicatambién. modelos del crecimiento vegetal muyinteresantesquerelacionan el crecimient o actual con las capacidades fisiológicas o bioquímicas (tales como fotosíntesis, respiración, transporte) de las partes en desarrollo. Estos modelos han sido muy usados en programas de mejoramiento por hibridación, para diseñar plantas mejor adaptadas a los factores ambientales particulares y para programar aplicaciones más eficientes de fertilizantes y de agua. Hasta el presente no han contribuido de modo importante a un entendimiento del desarrollo y su control, pero quizás se logrará esto cuando se refinen y mejoren. No obstante, es valioso hacer un breve análisis matemático de los aspectos simples del crecimientoporquealhacerlo se revela claramentelanaturalezade algunos de los factores que lo gobiernan (al crecimiento, no a la diferenciación). En la Figura 6-1 sepresenta un modelo típico de crecimientodeunaplanta anual. Puede dividirse entresfases: 1 ) fase logaritmica o exponential; 2 ) fase linear, Y 3) fase de declinación de la tasa de crecimiento llamada envejecimiento O senilidad. La tasa de crecimiento se muestra en la Figura 16-2. Se incrementa
Figura 16-1. Curva ideal del crecimiento. (a) Fase exponencial,(b) Fase linear,(c) Fase de la tasa decreciente.
Unidades de tiernvo
Unidades de tiempo
Figura 16-2. Curva de la tasa del crecimiento derivada de la Figura 16-1. (a) Fase exponencial (b) Fase linear (c) Fase decreciente. Nota: Esta es una curva ideal, En muchas plantas lafase linear puede ser muy breve, no es preciso que ocurra en el ápice de la tasa de crecimiento y algunas plantas pueden tener curvas disformes con varios ápices y fases lineares.
JNTERPRETACIONDEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
> " OO
1
2
3
4
5
6
7
413
8
9
1
0
1
1
1
2
Unidades de tiempo
Figura 16-3. Expresi6n logaritmica delacurva del crecimiento dela 16-1.(a) Fase exponencial (b) Fase linear (c) Fase decreciente.
Figura
cotinuamente durantelafase exponencial, es constante durantelafaselinear y declina hasta llegar a cero durante la senilidad. Las curvasenlasFiguras 16-1 y 16-2 estánidealizadas,habiéndosesuprimidolas perturbaciones causadaspor la variación ambiental y los eventos del desarrollo. Por otra parte, muchas plantas presentanuna curva del crecimiento bastante diferente. Una u otra delas fases pueden intensificarse o aun suprimirse y la tasa del crecimiento puede fluctuar notablemente al paso del tiempo, presentando inflexiones, mesetas y agudas pendientes en su curva. Pero tales variaciones generalmente se deben a los eventos del desarrollo y son muy difíciles de tratar en términos matemáticos simples. Si cadacélula El análisis de lafase logaritmica esrelativamentesimple. (o una proporción fija de células) de una colonia o unorganismosedivideen dos, a intervalos regulares y las células hijas crecen al tamaño de la célula original, la colonia u organismo aumenta conforme a la ley del interés compuesto:
Mt,
=
Mt,erU2 - t
~ )
en la que M = masa, tl = tiempo inicial, t2 = tiempo final, e = base de los logaritmos naturales, y r = tasa del crecimiento. Esta ecuación puede reescribirse así:
2.303 log (aumento en tamaño) = Y X intervalo de tiempo y al graficar en escala logarítmica se tiene una línea recta como se muestra en la Figura 16-3. Esta situación se obtiene de un cultivo de organismos unicelulares, como las
414
LA PLANTA EN DESARROLLO
bacterias, o del crecimiento de una masa de células que aumenta en todas direcciones.Evidentemente,estodebeterminar en el cultivobacterianocuando se agote uno o varios nutrientes, cuando un desecho tóxico se acumule. Entonces el cultivo pasará rápidamente a la fase de senilidad y no mostrará para nada una fase linear. En una masa de tejido o en una planta la situación es más compleja. Conformeaumenta la masa celular losnutrientes del medio sevan haciendomenos accesibles a las células del centro de la masa y la presencia de las células exteriores entorpece la división de las células del medio. Entonces la tasa de crecimiento cae, probablementehaciéndoseproporcionala una funcióngeométrica(porejemplo el área o la masa). Finalmente, una vez más, el crecimiento se verá limitado por la carencia de substrato o por la acumulación de desechos y la fase de senilidad se iniciará. Perolamayoría de las plantas superiores no siguen estemodelo de crecimiento por largo tiempo; muy pronto desarrollan un modelo de crecimiento meristemático. El crecimiento tiene lugar solamente en sitios discretos y es esencialmente unidimensional, o aumenta en longitud. Es claro que cuando el crecimiento ocurre en uno o más meristemos de tamaño constante da por resultado una función linear; es decir, la tasa es constante y no está en relación con el tamaño del organismo. Esta es la fase linear del crecimiento descrita por el fisiólogo alemán del siglo diecinueve, J. Sachs, como la gran fase del crecimiento (b en Figuras 16-1 a 16-3). La expresión para este tipo de crecimiento
Mt, = Mt,
+
r ( t z -- t , )
Figura 16-4. Expresi6n deunareacci6nmonomolecularautocatal itica (a) Fasede tasa de incremento exponencial (b) Fasede tasa dedecremento exponencial. No hay fase linear.
INTERPRETACION CRECIMIENTO DEL
Y DESARROLLO
41 5
no contiene términos parael tamaño inicial o final, así quenopuedenhacerse predicciones basándose en ella. Algunascurvasde crecimiento separecen a laexpresión cinética deuna reacción monomolecular autocatalítica cerrada; una reacción en la que uno de los productos la acelera o cataliza. La expresión para este tipo de reacción es
M, donde M, = masa en el tiempo t, M = masa final, y t1,* es el tiempo requerido para alcanzar la mitad del tamaño final. La curva producida por esta relación se aproxima a la curva del crecimiento (Figura 16-4). Dato que se relaciona con el tamaño presente y el tamaño final del organismo, la curva puede usarse para predecir o interpretar el crecimiento. La expresión puede expresarse también como
dm - Km(M - m )
"
dt
donde m representa el tamaño presente, y M el tamaño final. Esta expresión predice una alta tasa de crecimiento (dm/&)cuando m es pequeña Y aumenta rápidamente al aumentar m. Pero conforme elorganismose aproxima a su tamaño final ( m= M )el crecimiento cae hasta cero. Desafortunadamente la similitud entre esta expresión y la curva de crecimiento de la planta no arroja mucha luz sobre el proceso de crecimiento. Se sabe que el crecimiento está limitado por muchas reacciones, no por una. Además, no importa con qué cuidado se sigan adicionando todos los posibles reactantes (mejorando las condiciones de crecimiento y manteniéndolas tan perfectas como sea posible), en los organismos hay limitaciones inherentes a su crecimiento que les impiden llegar al tamaño final predicho por la ecuación. No es posible lograr con sobrealimentación que un ratón sea tan grande como un elefante o que una margaritaseatan alta como una encina. Además,la ecuación no predice crecimiento linear. Se ha desarrolladounaamplia variedad de expresiones matemáticas para simularpartesde la curva de crecimiento en plantas completas o enalgunos órganos específicos. Hasta hoy no han contribuido mucho a la comprensión de los procesos que gobiernan el desarrollo. Sin embargo, han sido muy útiles en la clarificación de los papeles de los factores del crecimiento y de los nutrientes en las plantas en crecimiento. Cuando un factor es limitante, intuitivamente se esperaría que el crecimiento se limitara por su suministro. De modo similar, si está presente en exceso se esperaría que el crecimiento se aproximara a su tasa máxima. Pero el suministro de un factor esencial a menudo varía enun rango muy estrecho entre estos límites, dos o varios factores puedenvariarde diferentes maneras simultáneamente. Entonces lo Gnico quepuede determinar con seguridad el verdadero papel del factor o factores en cuestión es un análisis matemático del crecimiento en términos deun modelo matemático que a menudo debe ser desarrollado para la situación particular. Este tipo de tratamiento es a menudo difícil y a veces POCO provechoso. De todos modos los fisiólogosvegetalesnodeberáncesar en SUS esfuerzos. Actualmente se hacen avances importantes y finalmente, si se llega a una comprensión completa del crecimiento y desarrollo, se los podrá describir en términos matemáticos.
LA PLANTA EN DESARROLLO
416 OPERON
h El operador abre o cierra los genes estructurales
f Gene kegulador
Enzima
(DNA)
_I _ _ _ _ _ _ _ _ I _
Inductor
t
t
Gene -1Gene operador estructural "estructural
Gene
4_______
proteina proteína
Correpresor
Figura 16-5. Modelo delmecanismopropuestoporJacob el control de la síntesis de proteínas.
y Monod para
MEDICI6N DEL DESARROLLO.
No es fácil medir el desarrollo pues tiende a producirse por una serie de eventos más o menos discretos. Esto hace que una evaluación del i cuúnto? sea difícil. Por ejemplo, una planta puede haber floreado,o no. Si (como el tulipán holandés) produce solamente una flor, la pregunta de cuánto no puede contestarse. Similarmente, la pregunta i cuándo ? es a menudo difícil de responder porque los eventos del desarrollo pueden haberse iniciado mucho antes de que sus manifestaciones externas se hagan visibles. Finalmente la pregunta de iqué ha pasado? es esencialmente cualitativa, lo que siempre es sumamente difícil de evaluar en términos cuantitativos. Como resultado, las observaciones naturales y experimentales sobre el desarrollo frecuentemente se tienen que expresar en términos de respuesta promedio o grado de respuesta. Esto quiere decir que un gran número de respuestas individuales o instancias deben analizarse estadísticamente para poder determinar la significación de las diferencias inducidas observadas experimentalmente. Por esta razón el diseño y la planeación de los experimentoses más importante en los estudios sobre el desarrollo que casi en cualquier otro aspecto de la fisiología vegetal. CLASES DE CONTROL DEL DESARROLLO
CONTROLGENETICO. Toda la información que finalmente es responsable de las actividades de crecimiento y desarrollo de las células está almacenada en su juego genético. La mayor parte de esta información está almacenada en el núcleo pero algunas características se heredan citoplásmicamente indicando que cierto material genético es extranuclear. En particular algunos organelos, como cloroplastos y mitocondrias,tienenciertogrado de independencia genética y se sabe que almacenan en sí mismos algo de la informacióngenética. Cada célula recibe un juego completo de su información genética original al dividirse, así que el problema es de selección de información. En determinado momento en el ciclo de vida de un organismo en desarrollo debe seleccionarse la información apropiada en todas las células que están sufriendo división, crecimiento o desarrollo, de modo que cada órgano m cada parte de la planta se desarrolle con su modalidad
partes
INTERPRETACION CRECIMIENTO DEL
Y DESARROLLO
417
propia. Toda la información irrelevante o innecesaria debe ser ignorada (es decir, suprimida o almacenada de manera inaccesible). Hay dos puntos quedebenser considerados: la desrepresióndelgene o información apropiada y lacapacidad de la célula de obedecer. La desrepresión de la información implica la activación de genes para hacer RNAm que programará la síntesis de las enzimas específicas necesarias (ver Capítulo 3). Evidentemente, eldesarrollo exige que los genesseactivenenuna secuencia apropiada; es decir, deben estar programadosdemodo que cada pasoen el desarrollo active al siguiente. Los científicos franceses F. Jacob y J. Monod propusieron un mecanismo general para efectuar lo anterior, como se veen la Figura 16-5. Someramente propusieronla existencia degenes estructurales (que programan el RNAmpara enzimas específicas) solos o en grupos,cadauno en combinación con un gene operador que funciona manteniendo al gene estructural en estado activo o abierto, o en estado inactivo o cerrado. La combinación del gene estructural y el gene operador se denomina operón. Un gene regulador separado (no es parte del operón) forma una molécula reguladora (una proteína) llamada represor que mantiene al geneoperadorcerradoinactivando al operón. La presencia o adición de Figura 166. Modelo hipotético quemuestra cómo lamismacklula puedereaccionardiferentemente a la activación de un solo gene (gene A) en unorganismojuvenil(en crecimiento) o enunorganismo con crecimiento completo (desarrollo). CRECIMIENTO
t \
Proteinas estructurales
No
hayreaccion
\
t
lateral+-----
Hace intermediariospara la síntesisdelapared celular, etc.
Aminoácido
t
Hace intermediario
t
x
Gene A Organismo juvenil (en crecimiento) DESARROLLO
estructurales protelnas de
t
síntesis
Sin crecimiento. Sin
de Slntesis hormonas
/
+ RA ea mcicnio 6lnc i d o lateral
otras
Reactante y suministrado por de la planta
#
\\, \
No crece
t
intermediario Hace
X
t
Genes Gene A Organismo en c o m p l e t o crecimineto (en desarrollo)
Cerrado. Sin intermediarios
4
B. C , D. etc.
418
LA PLANTA EN DESARROLLO
una molécula llamada inductor que se combina con el represor 0 que 10 inactiva permite al gene operador pasar al estado abierto activando al operon. Otra molécula denominada correpresor puede actuar para cerrar al gene, activando al represor de modo que el operón se cierre y el regulador se inactive. Las moléculas inductora y correpresora pueden ser simples metabolitos relacionados con reacciones específicas o secuencias metabólicas. No es difícil imaginar que alguna actividad metabólica de la célula relacionada con el crecimiento (por ejemplo,la síntesis de la pared celular) produzca moléculas que además de ser intermediarias en la síntesis de la pared celular puedan actuar como inductoras de los operones que programan la formación de RNAm sintetizando enzimas. A su vez, éstas podrían producir intermediarios que inducirían la síntesis de componentes estructurales. En algún momento cierto intermediario o un producto de la actividad metabólica podría actuar también como un correpresor de un operón anterior involucrado en la secuencia y así terminar el proceso de crecimiento. De esta forma, un esquema ordenado de activación y represiónpuede asegurar el procesoordenado de crecimiento y diferenciación, como resultado de la programación de secuencias de operones por simples moléculas o intermediarios de varios procesos de crecimiento. Debe enfatizarse que jamás ha salido a la luz una secuencia completa así, la descripción anterior representa solamente un mecanismo posible. Se conocen ejemplos específicos de inducción y represión enzimática particularmente en el control del metabolismo microbiano, pero no se conocen los mecanismos exactos que programa el crecimiento y el desarrollo vegetal. Se ha sugerido que ciertas hormonas o compuestos de tipo hormonal pueden actuar activando alas enzimas, y también que proteínas del tipo llamado histonas pueden actuar de modo específicoenmascarando genes uoperones. Pero los detalles de operación de estas sugerencias no están claros. La capacidad de la célula de reaccionar a la información genética puede dar cierta secuencia de orden o regulación. Así, la activación de un operón específico o de un grupo de operones en un estadio del desarrollo celular podría llevar a un modelo de desarrollo. En otro estadio de lavida de la célula, la activación del mismo operón podría llevar a una reacción en el desarrollo totalmente diferente. Es posible imaginar cambios en los tipos de reacción a las órdenes de un gene o grupo de genes conforme se desarrolla la célula como en el ejemplo de la Figura 16-6. De esta forma no sería necesario tener un programa completo para cada paso del desarrollo del organismo o controles para cada información genética particular llevada por la célula. Simplemente se requiere que los genes con los que es capaz de reaccionar la célula en un momento dado, estén bajo control en ese momento. Debe reconocerseque la exposiciónanteriorespuramentehipotética; la naturaleza de los programas de desarrollo a nivel genético y su funcionamiento todavía nose conocen. CONTROLES ORGANíSMICOS. Gran parte del desarrollo de las plantas está mediado por estímulos generados en el interior de sus órganos o como resultado de la organización que han alcanzado. Por ejemplo, una célula aislada de un órgano vegetal endesarrollo y cultivada in vitro, generalmente se divide y crece como lo haría in uivo. Pero en cultivo generalmente se tiene un crecimiento tumoral que da una masa informe de células en tanto que en el tejido intacto se tendría o tallo según lo dicte la posición de la célula la producción de una hoja, raíz
INTERPRETACIdN DEL
IAN
CRECIMIENTO Y DESARROLLO
419
I AA
(Indoletanol)
(Ácido indolacético) (Indolaceto nitrilo. ocurre
forma ligada, no libre).
en
Auxinas Naturales
,CH,-COOH O
CH,-COOH
C I
2.4- D
NAA
(Ácido 2.4-dicloro fenoxiac8tico) (Ácido naftalenacético) Auxinas sint6ticas
Descubrimiento de la auxina por Went
Figura 16-7. Algunas auxinasnaturales y sintéticas y unarepresentacióngráfica de un experimento de Went demostrando la presencia de una sustancia (la hormona IAA) que puede difundirse del ápice del coleóptilo a un bloque de agar y causar alargamiento en el coleóptilo.
en el organismo. Así, esta clase de control es un resultado, a la vez que una causa, del crecimiento organizado. La proximidad de células o grupos de células “tejidos u órganos- permite la transferencia de rnetabolitos y otros compuestos, de modo que las reacciones metabólicas pueden estar influenciadas por los gradientes de los metabolitos que gobiernan el metabolito celular según su posición en el organismo. Además, el desarrollo puede ser afectado o controlado por hormonas, compuestos que se sintetizan en un lugar del organismo y se transportan a otro, donde actúan regulando el crecimiento, desarrollo y metabolismo de modos específicos y a muy bajas concentraciones. Generalmente el efecto de las hormonas es indirecto y son activas en pequeñísimas cantidades; por lo tanto, el efecto de los metabolitos, nutrientes y compuestos análogos, ya sea directamente sobre el metaboo correpresores, noconstituyeuna lismo o indirectamentecomoinductores acción hormonal. En realidad es muy difícil definir el término hormona vegetal con precisión. Muchas sustancias de tipo hormonal pueden actuar en su lugar de de síntesis, actuar al parecer de modo no específico o actuar (como lo hacen algunosmetabolitos)a nivel genéticocomo inductores o represores. A menudo se prefiere el término fitorregulador refiriéndose a compuestos naturales o sintéticos
LA PLANTA EN DESARROLLO
420
Tallos
I
I
10-12
I
10-10
I
10-8
I
10-6
I
10-4
I
10-2
I
Concentración de auxina M
Figura 16-8. Acción diferencial del IAA sobrelas yemas y tallos conforme a K.V. Thimann.
raíces,
YYYYY Testigo
0.01 mg/litro
0.1 rngAitro
1 .O mg/litro
Figura 16-9. Pruebadel chícharo o guisanteparael IAA. Secciones cortas de tallo del tercer entrenudo de plantas de chicharo se parten con una navajaderasurar y se incuban en un platillo con la solución hormonal. Las partes cortadas se incurvan, estando la curvatura en relación con la concentración de IAA como se muestra en la figura.
TTTT’P 1 O rngjlitro
INTERPRETACIdN DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
421
que inducen respuestas en elcrecimiento,eldesarrollo o elmetabolismo. En general estas sustancias no son metabolitos en el sentido de que no son intermediarios ni productos en las vías de transformación que controlan, y son activas a concentraciones muy bajas. Se conocen varias clases de hormonas, algunas son sustancias promotorus del crecimiento y desarrollo, y otras son inhibidorus. Se postula además la existencia de varias hormonasen base a experimentos cuyos resultados no parecen poder interpretarse sin la implicacióndeestímulos aún no conocidos.Sedescribiránbrevementelos principales grupos de hormonas sin que, porahora, se analice su modo de acción. AUXINAS. La presencia de una sustancia de crecimiento que afecta el alargamient o de los coleóptilos de avena fueintuidapor Charles Darwin, al final del siglo diecinueve. Fritz Went, en Holanda en 1920, efectúo experimentos que probaron definitivamentelaexistencia de unasustanciadifusiblequeestimula el alargamiento celular, y en la década de 1930 se conoció la estructura e identidad de la IAA). En la Figura 16-7 se muestra una auxina: el ácido indolacético (abreviado representación de losexperimentos típicos que llevaron aldescubrimientodel IAA, así como las estructuras de auxinas importantes, naturaleso sintéticas. La auxina se sintetiza característicamente en el ápice del tallo (en el meristemo terminal o cerca de él) y en tejidos jóvenes (por ejemplo, hojas jóvenes) y se mueve principalmente hacia abajo del tallo. Tiende pues a formar un gradiente desde el ápice del tallo hasta la raíz. Sus actividades incluyen tanto estimulación (principalmente alargamiento celular) como inhibición del crecimiento, y la misma célula o estructura puede exhibir respuestas opuestas dependiendo de la concentración de IAA. Además, los diferentes tejidos responden a concentraciones muy diferentes: las raíces son estimuladas a concentraciones inferiores a las que estimulan los tallos, en varios órdenes de magnitud, Una generalización de estos hechos, tal como se presentan generalmente, se muestra en la Figura 16-8. Como resultado de estos patrones de actividad, el gradiente de IAA encontradoenlasplantas puede producir gran variedad de efectos en eldesarrollo, desde la supresión de yemas laterales o tallos secundarios, a la estimulación del alargamiento del tallo o raíz en diferentes partes de la planta. Además, la auxina, actuando sola o en concierto con otras hormonas, estimula o inhibe otros eventos, que van desde las reacciones enzimáticas individuales hasta la división celular y formación de órganos. Así que sus efectos son muchos y diversos, y uno de los mayores problemas en fisiología vegetal es llegar a entender cómo una molécula pequeña y relativamente simple como el IAA puede tener tantos efectos diferentes y cómo se coordinaestaaparenteconfusión de efectos misceláneos con el control ordenado del crecimiento y desarrollo, Uno de los grandes problemas con las hormonas es su ensayo. Por 10 general están presentes en cantidades minúsculas y son muy difieles de detectar 0 caracterizar químicamente. Se han desarrollado muchos bioensayos para las auxinas. En uno de ellos se mide el grado de curvatura en el coleóptilo de avena después de la aplicación asimétrica de cubos de agar con extractos o sustancias de difusión de una planta, utilizando los fenómenos observados por Darwin, y empleados Por Went en Sus experimentos. Otros ensayos utilizan el efecto estimulante de la auxina en el alargamiento de pedazos de coleóptilo o secciones de tallo (generalmente de 10s epicótilos de plántulas etioladas de chícharo) o el enroscamiento de
422
LA PLANTA EN DESARROLLO
423
INTERPRETACIdN DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
Figura 16-10. Efecto del ácido giberblico en el crecimiento de (A) chícharo enano y (B) frijol. En cada fotografía las plantas de la derecha se trataron con una gota de soluci6n de ácido giberhlicopoco despudsde la emergencia.Lasplantastratadas con ácidogiberdlicotienenigual número de entrenudos y hojas pero los tallos están mucho más alargados.
Figura 16-11. Ácido giber6lico.Otrasgiberelinas tienen varias cadenas laterales sobre el mismo núcleo.
+- f&lo H
=CH, GA3
NH-CH,
I
6 benzylamino purina
Cinetina
(6 furfurylamino purina) Citocininas sinteticas
isopentenyl adenine
Zeatina
Citocininas naturales
Figura 16-12. Algunas citociminas. Todas son derivados de la adenina.
424
PLANTA
LA
EN DESARROLLO
Figura 16-13. Efecto de diferentes concentraciones de cinetina en el crecimiento y desarrollo de tejido del callo de medula de tabaco en presencia de 2 mg/l de IAA. Sin cinetina hay poco crecimiento. Con niveles bajos se desarrollan raíces. Con niveles intermedios continúa un crese desarrollanyemas y tallos. (De F. Skoog y cimiento desorganizado.Connivelesaltos (2.0. Miller, en Symp. Soc. €xp. Biol., 11: 118-31. 1957. Utilizado con permiso.)
los extremos de secciones hendidas de tallo de chícharo (Figura 16-9). Las auxinas puedensepararsepor cromatografía y detectarse por bioensayo de extractos sacados deun cromatograma o por reacciones químicas. Los procedimientos cromatográficos son muy favorablesporque los bioensayos frecuentemente no son específicos y nodistinguen entre IAA y otras sustanciasquetenganactividad auxínica o similar a la de la auxina. GIBERELINAS. Estos compuestos se descubrieron cuando se encontró en el Japón que los extractos deun hongo patógeno (Gibberella fujikuroi) que ataca al arroz duplican los síntomas de la enfermedad. La característica de ésta es el alargamiento excesivo de los entrenudos que causa el acame o vuelco de los tallos, y la acción principal delasgiberelinas es promoverelalargamiento. Muchas plantas enanas o “achaparradas” (por ejemplo, mutantes enanos de maíz, chícharo o frijoles enanos o “achaparrados”) crecen altas cuando se les suministran cantidades minúsculas de giberelina, como se veen la Figura 16-10. Las giberelinas también toman parte en la floración y el “encaiie” que la precede en las plantas con hábito de roseta, en ciertas fases de la germinación de la semilla, en el rompimiento del letargo y envarios efectos formativos. También interactúan en sus efectos con otras hormonas. A diferencia de las auxinas, las giberelinas parecen moverse libremente por toda la planta y su patrón de transporte y de distribución no es polar como el de la auxina. Ahora se conocen muchas giberelinas; todas tienen la misma estructura básica del ácido giberélico (GA3 , Figura 16-11), pero difieren en la naturaleza de varias cadenas laterales o sustituciones. Las hay diferentes en las diversas plantas, y aunque muchas de ellas producen resultados similares se conocen varios efectos específicos según la especie o el compuesto. CITOCININAS. Durante muchos
años se supoqueparaque sedividanlas células en cultivos de tejidos u órganos se necesitan sustancias solubles de varios orígenes. En la década de 1950 las investigaciones de F. Skoog llevaron al aislamiento de un
INTERPRETACION DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
H,
/H
H
‘ H
,c=c
425
Figura 16-14. Etileno, y una ilustración de la apinastia resultante de someter algasla parte central de una planta de tomatero con 100 ppm de etileno.
producto de degradación no natural del DNA animal con dicho efecto. El compuesto, 6-furfurilaminopurina, fue denominado cinetina. Otros compuestos sintéticos como la 6-benzilaminopurina también estimulan la división celular y se les la ha llamado cininas o kininas. Pero este término tiene otras connotaciones en fisiología animal y elaceptadoahora para esta clase de hormonasescitocinina (unahormonaqueestimula la citocinesis). Parece probable que existan muchas citocininasnaturales; se han aislado eidentificadotansólo unas pocas. Una de
c
~
O” ABA
Figura 16-15. &ido abscísico, ABA.
c
o
o
H
426
LA PLANTA EN DESARROLLO
éstas es la zeatina (extraída del endosperm0 del maíz, Zea mays), que parece tener una amplia distribución entre las plantas. Su estructura, junto con la de algunas citocininas sintéticas se muestra en la Figura 16-12. Las citocininas no parecen ser tan móviles en la planta como las giberelinas y las auxinas. Además de estimular la división celular median un amplio rango de respuestas. En presencia de la auxina diversas concentraciones de cinetina provocan crecimiento de radículas, talluelos o bien crecimiento completamente desorganizado en el cultivo de tejido de la médula del tabaco (Figura 16-13). Quizás en relaci6n con su efecto sobre la división celular, las citocininas también impiden la senilidad en tejidos que empiezan a envejecer. Muchos de los bioensayos que se han desarrollado utilizan este aspecto de su actividad; cuando se aplican a hojas desprendidas impiden la pérdida de clorofila, lo que puede detectarse y medirse fácilmente. Otros bioensayos dependen de sus efectos sobre laestimulación del crecimiento en cultivo de tejido o de callo de diversas plantas. ETILENO.El etileno es un compuestosimple,gaseoso,queprovoca un amplio rango de respuestas en las plantas (Figura 16-14). Se produce en las hojas, donde o promoviendosenilidad, y en los frutos, donactfiaenérgicamenteinduciendo de afecta en gran medida el proceso de maduración. El etileno también causa o reproduce muchos de los efectos de formación de la auxina. Su síntesis es fuertemalmente estimulada por éSta y se ha sugerido que muchos de los efectos de formación de laauxina,particularmente en la raíz, se debenrealmentea la producción de etileno causada por el estímulo auxínico. También puede afectar o interferir con la respuesta normal a la auxina, así que es posible que haya complejas interacciones de ambas sustancias de crecimiento.
ÁCIDOABSCÍSICO. A pesar de su nombre este compuesto parece tener más participación en el mantenimiento del letargo que en la abscisión de las hojas. Fue descubierto independientemente por el fisiólogo británico P.F. Wareing y su grupo, y por un grupo americano bajo la dirección de F.T. Addicott; le llamaron domina y abscisina 11, respectivamente. El ácido abscísico (ABA), como se denomina ahora, pareceinducir el letargo en las plantas perennes y en los árboles, y causa o mantiene el letargo en muchas semillas. El ABA parece contrarrestar el efecto de la giberelina en algunas plantas y su estructura es algo similar a la de dicha hormona (Figura 16-15). También induce el cierre de los estomas. SUSTANCIAS HIPOTÉTICAS DEL CRECIMIENTO. En varios aspectos del desarrollo vegetal se requieren al parecer, o bien se han propuesto, muchas clases d.iferentes de hormonas e inhibidores, que jamás se han aislado y cuya existencia no se ha comprobado plenamente. Muchos experimentos indican la existencia de una hormona de floración, o florigen, pero aún no se ha aislado. El análisis de las yemas de los árboles en desarrollo o en letargo, muestra por lo general un conjunto de sustancias que pueden separarse porcromatografía y actuar en losbioensayos como estimulantes o como inhibidores. Una gran variedad de compuestos naturalesactúan como inhibidores del crecimiento in situ o sobreotrasplantas al ser extraídos. Sitodos estosproductos pueden (o deben) ser clasificados como hormonas no merece ser discutido. Incluso es difícil determinar si todos o algunos de ellos toman parte realmente en el desarrollo normal. Parece muy probable, sin y precisos como la floración requieran o inembargo, que eventos tan complejos
INTERPRETACIdN CRECIMIENTO DEL
Y DESARROLLO
427
........ .,
,
1
//
\VI W R a i z de alma
y
rrh
CBlulas libres en sulpensi6n
Trasplantes
Embri6n de les libras . . cultlvaaar
leche de coco
2 mg de trasplante
1
CBlulas del embri6n
de floema
\ Seccl6n CBlulas transversal ralz da la
\
del floema-
-
y -m--$pjJ w
a-
4 P Semilla
Transplanter del floems
Flor
Figura 16-16. Representacióndiagramsticadel ciclo de crecimientode la zanahoria; a traves de celulas libres cultivadas in vitro, derivadas del floema del embrión, seligan ciclos de crecimientosucesivo. (De F.C. Steward, M.O. Mapes, A.E. Kent y R.D. Holstein: Science, 143:2027 (1964). Copyright 1964 por la Asociaci6n Americana parael Avance de la Ciencia. Utilizado con permiso. Fotografia cortesía de F.C. Steward.)
volucren la presencia y actividad de sustancias promotoras e inhibidoras del crecimiento. Pareceposibleque conceptos tales como hormonasde floración u hormonas de enraizamiento puedan referirse a sustancias individualeso bien a sustancias interactuantes. Aúnhay que realizar bastante investigación básica en este área de la fisiología vegetal. CONTROLESAMBIENTALES. Muchos estímulos ambientales o externos afectan el desarrollo de la planta. Pueden tomar parte sustancias químicas producidaspor otros organismos, pero la clase de factores que se consideran generalmente son los físicos: luz, temperatura, nutrientes, etc. Estos factores se sobreponen y a menudo minimizan los controles genéticos y orgánicosdelindividuo. Los estímulos ambientales a menudo inician eventos, como sería de esperar, ya que para tener éxito en crecer y reproducirse se requiere una efectiva coordinación con las estaciones del año. El funcionamiento de un mecanismo de control del ambiente requiere tres pasos: 1) debe ser percibido o medido por la planta; 2) debe existir un mecanismo por el que la planta reaccione al estímulo, y 3) debe tenerse cierto grado de permanencia durante el cual tenga lugar la reacción al estímulo. La comprensión de cómo las plantas reaccionan a los estímulos está lejos de ser completa. Por ejemplo, se tiene cierta ideade cómo lasplantasperciben y miden los periodosde iluminación, pero no se comprende sumecanismo de reacción. Muchos estímulos tienen efectos permanentes o semipermanentes; es decir, la planta continúa reaccionando mucho después que el estímulo ha cesado de actuar. Se desconoce cómo se obtiene esta permanencia. Tampoco se entiende cómo las plantas perciben o reaccionan a las fluctuaciones de temperatura, las que tienen profundos efectos fisiológicos en ciertas especies.
DESARROLLO 428
EN
PLANTA
LA
Los principales estímulos ambientales que afectan el desarrollo de la planta son los siguientes: 1. LUZ:intensidad, calidad (color), duración, periodicidad, 2. Temperatura: absoluta y periodicidad. 3. Gravedad. 4. Sonido. 5. Campo magnético. 6. Radiaciones electromagnéticas, 7 . Humedad. 8 . Nutrientes. 9. Estímulos mecánicos (por ejemplo, viento). Los tres primerosson los más importantes. De tiempo en tiempo sehan presentado experimentos que parecen demostrar que las ondas sonoras afectan el desarrollo vegetal, pero no siempre son convincentes. Algunos fenómenos parecen indicar que las plantas pueden responder en su crecimiento y desarrollo a varios campos electromagnéticos incluyendo el radar y el magnetismo terrestre; pero los datos sonescasos y su interpretación equívoca. La humedad y los nutrientes se incluyen no tan sólo porque todas las otras respuestas dependen del estado nutricional de la planta sino también porque algunos efectos del desarrolloparecen iniciarse por cambios en el estado nutricional o hídrico de la planta. NIVEL DE ACCIÓN DE LOS CONTROLES
EL NIVEL GENfiTICO. La idea de que todas las células son totipotenciales (es decir que cada célula lleva toda la información genética para la planta entera) fue expuesta hace muchos años por el fisiólogo alemán G. Haberlandt. Muchos experimentos recientes confirman esta teoría. Por ejemplo, F.C. Steward, en la Universidad de Cornell, ha demostrado que las células del floema de la zanahoria, cultivadas apropiadamente, puedendesarrollarsedando nuevas plantasdezanahoria completas con flores y raíces. El secreto parece estar en el suministro de nutrientes apropiados y sustanciasde crecimiento paraestimular a éste y a ladivisión celular, y en ciertos estímulos externos (o sea un medio de soporte sólido orientado apropiadamente en un campo gravitacional) que permita que se establezca una polaridad y de ésta, una diferenciación. La secuencia de los eventos en el experimento de Steward se presenta en la Figura 16-16. Estos experimentos demuestran que la información para todos los eventos del desarrollo en la vida de la planta entera está presente en cada célula y enfatiza la importancia de los mecanismos específicos para liberar o seleccionar la información correcta en el momento apropiado. Ya se ha comentado la teoría del operón de Monod y Jacob, y cómo es posible que algunas pequeñas partículas, posiblemente metabólicas, actúen como activadoras o compresoras. Recientemente se ha sugerido otro tipo de mecanismode control. Como se mencionó anteriormente (Figura 16-12) las citocininas y pueden formar ribósidos estructuralmente sonderivadosdelapurinaadenina similares a los ribósidos del RNA. En el RNAt se han encontrado ribósidos de la citocinina en cantidades minúsculas. Al principio se creyó que esto daba la clave para laactividad de la citocinina enla célula. Experimentos más recientes han
INTERPRETACIdN CRECIMIENTO DEL
Y DESARROLLO
429
demostrado que no es a sí y que la actividad de las citocininas no está relacionada directamente con su presencia en el RNA. Pero hay otros modos posibles en que la presencia de citocinina en el RNA participe directamente en el control de la síntesis de las enzimas. Esto se desarrollará en el Capítulo 23. Un problema interesante del control deldesarrollo a nivel genético es la adquisición de permanencia o sea la “fijación” de la información. Un ejemplo es el plagiotropismo, el ángulo fijo de crecimiento de las ramas de muchos árboles (por ejemplo, pino o abeto). El plagiotropismo puede ser temporal y puedeser activado cuando se corta la yema terminal. Esto seobserva comúnmente en los abetos donde lasramas adyacentes toman rápidamenteuna posición erecta cuando la yema terminal se muere o se corta. Pero en ciertas plantas el plagiotropismo es permanente y es retenido aun cuando una rama se corta, se hace enraizar y se planta luego como un individuo independiente. En situaciones como esta es evidente que una vez que se ha “aprendido” una información (es decir, se ha programado o liberado dela represión) no puedeser“olvidada” o vuelta a reprimir. Las diferencias en el hábito de crecimiento entre las especies pueden deberse a grados de permanencia en la retención de programas específicos. Así, el rígido plagiotropismo de los alerces puede deberse no a un suministro continuo de información del ápice del tallo (laspuntasde lasramas bajas, aunquemuy lejanas dela rama guía están bajo completo control) sino a la permanenciade fuerte la información o programaoriginal. Otros árboles puedenmostraruna dominancia apical inicialmente, pero conforme crece el árbol y larama guía se aleja, se pierde la dominancia. Esto da lugar a la copa redondeada, “repolluda”, típica demuchos árboles deciduos. Aquí la información no es permanente y como resultado las ramas bajas se liberan del programa inicial. No se han entendido los mecanismos de permanencia pero obviamente son importantes. Algunos tipos de estímulos ambientales determinan modificaciones que seheredan por varias generaciones. El fisiólogo americano H. Highkin demostró que los chícharos que crecen a baja temperatura por varias generaciones producenplantassucesivamente más y más pequeñas.Cuando se les Sacadel stress de frío lasplantasreviertengradualmente a su tamaño primitivodurante varias generaciones. No hay explicación genética de este gradodesemipermanencia. NIVEL BIOQU~MICO. La ideade que las hormonas pueden afectar el crecimiento por incidir directamente en actividades enzimáticas específicas o transformaciones bioquímicas ha atraído la atención de los fisiólogos y bioquímicos durante mucho tiempo. Sin embargo, se han propuesto pocos ejemplos claros a pesar de la investigación intensiva. El fisiólogo americano I. Sarkissian ha presentado evidencia de que el IAA actúa directamente, quizás de modo alostérico, activando la enzimacondensadoradel citrato del ciclo de Krebs. Ya que éSta esunaenzima clave en el metabolismo energético podría ser un mecanismo regulador importante. Desafortunadamente no hay evidencia ulterior de cómo podría funcionar. Se ha encontrado que el IAA afecta a otras enzimas del metabolismo así como a la tasa de fotosíntesis, pero tampoco se conoce el mecanismo de acción. Un mecanismobien establecido esla estimulación dela síntesis de a-amilasa por la giberelina en las semillas de cereales en germinación, advertida primero por H. Yomo en Japón y L.G. Paleg en Australia. El fisiólogo americano J.E. Varner ha demostrado, usando aminoácidos radioactivos e inhibidoresde la síntesis de
DESARROLLO 430
EN
PLANTA
LA
RNA, que las giberelinas operan liberando un operón antes reprimido que entonces se activa y la enzima a-amilasa se sintetiza. Esta enzima toma parte en la desintegración de las reservas de almidón durante la germinaciónde las semillas. Sin duda se encontrarán otras acciones bioquímicas de hormonas o inhibidores específicos. Pero es difícil visualizar cómo se podrían comprender todas las acciones hormonales solamente por su acción a nivel genético y bioquímico. NIVEL CELULAR. A nivel celularopera un númerodemecanismos de control asombroso. Aunqueparece probable que muchosde éstos son consecuencia directa del control de algún sistema bioquimico, la mayoría no pueden ser entendidos en esos términos. Se considerarán unos pocos ejemplos para hacer una revisión de la variedad de efectos posibles. Divisióncelular. La divisióncelularparece estar muy bien controlada por las hormonas. En ausencia de cinetina, la auxina induce al alargamientocelular en los cultivos de tejidos. Si la cinetina está presente ocurre división celular. Pero, aun en presencia de citocinina, el exceso de auxina suprime la división celular y el crecimiento. Así, el balance hormonal es importante para la regulación del crecimiento, ya seaporalargamientocelular o pordivisión celular. Sin embargo, otros agentes pueden modificar la respuesta: los iones de calcio impiden la expansión celular inducida por la auxina, al parecer por combinarse con el pectato de las paredes celulares haciéndolas menos plásticas. La adición de calcio a un medio que favorece el alargamiento celular determina un cambio hacia la división celular en el tejido cultivado. El calcio, entonces, modifica la respuesta de la célula a la hormona; el crecimiento continúa pero el tipo del mismo cambia. Alargamiento celular. Como se ha visto, el alargamiento delas células está bajocontrol hormonal. Lasobservacionesoriginales en coleóptilos de gramíneas, que llevaron al descubrimiento de la auxina, fueron sobre respuestas de alargamiento a la auxina que se produce en el ápice del coleóptilo. El alargamiento celular exige un incremento en el contenido de la célula y primero se pensó que el IAA activaba una bomba hidráulica metabólica que literalmente forzaba a la célula a expanderse por la presión interna generada por la absorción de agua. Pero hoy se sabequela auxina actúa causandouna relajación de la estructura dela pared celular de modo que posibilita el crecimiento plástico (es decir, irreversible o no elástico). El alargamiento celular puedeserun proceso fundamental: las plantas o tejidos en los que se inhibe la división celular (por ejemplo por exclusiónde calcio o porintensairradiación con rayos gamma) continúan creciendo poralargamientocelular. Así esqueel estímulo de crecimiento provistopor la hormona es obedecido aunqueunode los procesosprimariosinvolucradossea inoperante. Polarización. En un organismo la polarización proviene de una desigualdad
y se hace aparente primero a nivel subcelular. Hay muchos estímulos diferentes
que pueden imponerpolarización a una célula. Lascélulas huevoen el ovario están altamente polarizadaspor su posición enuna estructura polarizada; es decir, los estímulos químicos (y quizá mecánicos) del ovario se aplican preferentemente en uno u otro lado del huevo que por lo tanto queda dentro deungradiente de sustancias que se originan en el ovario. A lascélulasque flotan libremente las afectan otros estímulos. La célula
INTERPRETACION CRECIMIENTO DEL
Y DESARROLLO
431
Figura 16-17. Polaridad en zigotes de Fucus A a D, desarrollo de un zigotede F. Vesiculosus a las 4, 16, 18 y 26 hrs.de la fertilizaci6n. En C ha ocurrido una divisi6n celular desigual formendose dlulas de talo y de rizoide (18 hrs). E y F , embriones de F. Furcarus de 4 dias a la luz no polarizada (E)y polarizada (F). La fecha P ++ P muestra el plano de polarizaci6n (A a D de L. Jaffe: Adv. Morpho/.,7 : 295-328. (1968). Fotografía por Dr. B. Bouck. E y F de L. Jaffe: Science, 123: 1081-82. 1956. Con permiso.)
LA PLANTA EN DESARROLLO
432
huevo del alga morena marina Fucus flota libremente en el mar y después de la fertilización se forma un zigote esencialmente esférico y no polarizado, que empieza SU desarrollo dividiéndose en dos células desiguales; la mayor formará even16-17). Unadivisióncelular tualmente el talo y lamenorelrizoide(verFigura desigual como ésta determina inevitablemente una polarización,. pero también requiere de polarización antes de que ocurra. En los zigotes de Fucus la polarización se determina, al parecer enteramente, por estímulos ambientales que incluyen respuestas sensitivas o táctiles, pH, luz (tanto su presencia como su plano de polarización), temperatura, contenido de oxígeno, auxinas y lapresencia de otros zigotes. El zigote no reacciona necesariamente igual, o siempre, a todos estos estímulos pero todos son capaces de polarizarlo. Demanera similar, las células libres delasplantassuperiores que se desarrollan en un cultivo no se diferencian con facilidad si se mantienen en un cultivo líquido donde no se polarizan. Pero si estas células libres se llevan a una superficie de agar, se polarizan individualmente con respecto a la superficie y los nutrientes que contienen (que forman gradiente) y empiezan a diferenciarse. Es evidente que muchas o todas las células de un tejido organizado están polarizadas con respecto a su posición en el organismo. Así son posibles varios gradientes de nutrientes o de sustancias de crecimiento que contribuyen a la polaridad y a la organización continuada de los tejidos. Maduración celular. Hay mucha evidencia que sugiere que este proceso está afectado por las hormonas, así como por otros factores. No se sabe exactamente qué gradientes de sustancias de crecimiento o nutrientes participan en la maduración de las células conforme van envejeciendo en los diversos tejidos de la raíz y del tallo. Los mecanismos de control deben ser precisos, ya que las células adyacentes se diferencian como el floema, el cambium, el xilema, la médula,la corteza, etc., conforme a un esquema muy preciso. En el trabajo delfisiólogo americano R.H.Wetmore y sus colaboradores, sepueden encontrar algunas indicaciones acerca de cómo esque esto ocurre. Cortaron pedazos cúbicos de tejido de callo de floema de lila y leimplantaron enel callo se habían una yema. Después de un tiempo elexamenrevelóque
h
Figura 16-18. Polaridaddela raíz y formacióndel tallo enunaestacadesauce. Estapolaridad se mantienepor el transporte polar de la auxina, no importa hacia donde opera la fuerza de gravedad.
correcta
Posici6n invertida
INTERPRETACIdN DEL
CRECIMIENTO Y DESARROLLO
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diferenciado porciones de tejido conductor por debajo de la yema, evidentemente inducidas por éSta. Si el callo se pone enagar nutritivo conteniendo sacarosa y sobre éste se pone una gota de solución de IAA (en lugar de la yema) ocurre diferenciación de elementos en el callo. La localización de los diferentes tejidos fue afectada por la concentración de la gota de IAA, pero la naturaleza de la diferenciación estuvo controlada por la concentración de azúcar en el agar. Poco azúcar causó la producción de xilema, mucho azúcar indujo al floema y las concentraciones intermedias indujeron xilema y floema con una capa intermedia de cambium. Muchossistemassimilares,algunosde los cuales se estudiarándespués,sugieren que la interacción de los gradientes de nutrientes y de hormona tiene importancia en el establecimiento de modelos de diferenciación. NIVEL DEORGANIZACION. La organización es el resultado de la divisióncelular polarizada y de la especialización celular. Sin embargo, la organización de los tejidos en órganos trasciende estos fenómenos, porque se deben superponer modelos diferenciales de crecimiento, sobre las reacciones celulares individuales para obtener control de su forma, tamaño y configuración. Como en la organización de las células y tejidos, probablemente también aquí interactúan gradientes de sustancias de crecimiento, pero su influencia se deja sentir a distancia mucho mayor y se vuelve importante el transporte de dichas sustancias. El transporte de la auxina se ha estudiado mucho. Hace tiempo que se conoce que la auxina se forma en el ápice de los coleóptilos de cereales y se mueve hacia abajo. Si se introduce por la base, no se mueve hacia arriba. Se ha visto que
Figura 16-19. Efectos de la auxinaen el tornatero. N6tense las raíces adventicias y la epinastia causada por la aplicación de Acido a-naftalenadtico al 2%enpasta de lanolina.(De W. Zirnrnerrnan y F. Wilcoxon: Contrib. Boyce Thompson Inst.. 7: 209.29. 1935. Usado con permiso.)
DESARROLLO 434
EN
PLANTA
control
0.1 ppm
1 pmm
IAA
LA
IAA
(O IAA)
A
O IAA
%
-k
IAA
Figura 16-20. Efectos de la auxina en la iniciaciónde raíces. A. Influencia de la auxina en la iniciaci6n de raíces en plentulas de frijol (Phaseolus vulgaris). Las plentulas se cortaron al ras delsuelo, se pusieron en agua (testigo) o ensoluci6nde IAA por 48 hrs. y luego en soluci6n nutritiva durante 4 semanas. El corto tallo deltestigo es accidental y sinrelaci6ncon el tratamiento auxínico.(Cortesía de la Srta. Gail Bebee.) B. Fotografias de un experimento histórico realizado por W.C. Cooperen abril de 1935, el primer intento para enraizar estacasdeplantasdeimportancia hortícola (limonero) usando auxina (0.05%en pasta de lanolina). (Fotografías cortesía del Dr. Cooper, Depto. Agric. U.S. Orlando, Florida.)
INTERPRETACION DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
435
este fenómeno es muy general en la planta: la auxina se mueve generalmente del ápice hacia la base de una planta (transporte basipétalo) pero no de la base hacia el ápice (movimiento acropétalo). Esta polaridad del transporte se mantiene aún cuando el tejido de la planta sea desprendido o invertido. En la Figura 16-18 se ilustra una consecuencia. Un pedazo de tallo de sauce da lugar a raíces en el extremo basal y a yemas rameales en el extremo superior como resultado del gradiente auxinic0 que se desarrolla en el tallo. Pero el mismogradientese forma aunque el tallo se coloque invertido. Las raíces se forman en el extremo inferior fisiológico y los tallos en el extremo superior fisiológico sin importar la orientación del tallo. El transporte de la auxina no es absolutamente basipétalo: se conocen ejemplos de transporte acropétalo. El transporte basipétalo no significa un movimiento únicamente hacia abajo de cada molécula. Basta una pequeña preferencia en el movimiento hacia abajo en cada célula de un tejido compuesto por columnas de células para dar lugar a un transporte casi total hacia abajo en el tejido. Cada célula en la columna actúa causandounapequeñapolaridad y sus actividadesse hacen acumulativas. Otrassustanciasdel crecimiento vegetal no tienen transporte polar.Las giberelinas se mueven con mucha rapidez a través de la planta sin restricción aparente. Las citocininas parecen moverse con cierta lentitud. El movimiento de las hormonasrequiereelgastodeenergía metabólica derivadaen último término de la respiración y al parecer es independiente del movimiento simultáneo de otras sustanciasporque se muevenen direcciones y velocidadesdiferentes al mismo tiempo y en el mismo tejido. Los factores que gobiernan el transporte de las hormonas no son bien conocidos. Siemprequeocurrencambios morfológicos lashormonasestánaparentemente involucradas. Inversamente, si se aplican hormonas las a plantas se producen cambios en la morfología o en el desarrollo (ver Figura 16-19).Los efectos de las auxinas como causa de la iniciación de raíces son bien conocidos y se usan comercialmente para el enraizamiento de estacas (ver Figura 16-20).Otros efectos de las auxinas incluyen epinastia (deformación por incurvación hacia abajo) y varias otras anomalías del crecimiento, anormalidades en la formación del fruto, etc. El a ambienfenómeno de dominancia apicaly varias respuestas de las plantasfactores tales tales como luz (fototropismo), gravedad (geotropismo) o tacto (tigmotropismo) son mediadas por la auxina. En resumen, casi todos 10s tipos de morfogénesk y de organización de las plantas responden a los fitorreguladores o están afectados por ellos. Cómo se coordinan es uno de los grandes interrogantes de la fisiología vegetal aún sin respuesta. DISTRIBUC16N, FORMACI6N, FRACCIONAMIENTO Y COMPARTIMENTALIZACI6N DE LOS FITORREGULADORES. Las hormonas tienen diferentes efectos a diferentes concentraciones y sus gradientes de concentración son importantes en el establecimiento de la polaridad y organizacióndeldesarrollovegetal. A s í es que la
cantidad absoluta de hormonas enun tejido dado es muy importante. Pero debe entendersequelosniveleshormonales se puedenalcanzardediversasmaneras: por síntesis, por transporte hacia o desde un lugar, o por destrucción. Además, las hormonas y otros fitorreguladores solamente son activos si logran acceder al sitio en que deben actuar, a s í que altas concentraciones hormonales pueden mantenerse inactivas si se localizan o almacenan en compartimientos (por ejemplo, la
DESARROLLO 436
EN
PLANTA
LA
A
Figura 16-21. Flores degloriadelamafíana o correhuela (A)abiertas por la maAana (fotografíatomada en el jardín del autor a las 9 a.m.) y cerradas de nuevo ( 6 ) at atardecer (foto tomada el mismo día a las 6 p.m.).
vacuola)separadasdellugarde su acción. Tambiénpuedeninactivarse químicamente sin destruirse formando un complejo con otra molécula. Así que los efectos de las hormonas pueden estar mediados por el metabolismo, donde se hacen o deshacen, por su transporte a través de la planta o deuno a otro lugardela o desenmascaraactivándolas célula, o porelmetabolismoquelasenmascara químicamente. Por lo tanto, la comprensión del control hormonal del crecimiento y desarrollo requieremucho miís queelmero conocimiento de lashormonasque se estánelaborando o transportando.Incluso el conocer la cantidad de hormona presente en un tejido puede ser insuficiente ya que podría estar compartimentalizada o mantenida en una forma inactiva. Recién ahora se empiezan a reconocer estos problemasclaramente.Sindudamuchas de las confusiones y contradic-
INTERPRETACIdN DEL CRECIMIENTO Y DESARROLLO
437
ciones en la literatura presente sobre crecimiento y desarrollo se resolverán cuando se llegue a un mejor entendimiento de estos mecanismos de control hormonal. INICIACI6N DE LOS EVENTOS, El desarrollo de la planta noesun proceso regular y continuo sinoqueen é1se señalan una serie de eventos o crisis.Algunosde
ellos no tienen consecuencias importantes y puedenser repetidos, como eldar nuevas ramas, yemas, raíces laterales u hojas. Otros tienen gran importancia y quizá ocurren solamente una vez, como la germinación y la floración. La iniciación de estos eventos está bajo diversos tipos de control, algunosde los cuales se han investigado en detalle en tanto que otros aún son oscuros. Tal vez eleventodeldesarrollovegetal más estudiado y mejor entendido es la floración. El tiempo que tarda en florear la planta es crítico porque puede ocurrir muy temprano en el año para que se desarrolleel fruto y lasemilla o demasiado tarde parauna maduraciónadecuada.Lasplantasbianuales florecen en el segundo año y noen el primero. Experimentalmente seha demostrado que la floración está controlada frecuentemente porlalongitud del día (o paraser más exactos, por la longitud dela noche). Lasplantas miden lalongitudde la noche y la floración ocurre enla estación apropiada, determinándose por la longitud de las noches característica dedicha estación. Además,muchasplantas tienen que sufrir un lapso de frío (en estado desemillas o plántulas o bienen forma de órganos almacenados, como sucedeenlasbianuales)paraquepuedan florear. Esto impideque floreen prematuramente, o seaen el periodode largas noches en otoño, haciéndolo en laprimavera. El mecanismo por el cual la planta percibe, mide y reacciona a laluz y a la temperatura se estudia en los Capítulos 19 y 20. Otros eventoscuya iniciación está mediadapor factores ambientales son la germinación y la caída delas hojas. La germinación empieza por la adición o absorción de agua, pero puedenser necesarios otros factores tales como un pretratamiento de frío parallevar a lasemilla al estado fisiológico apropiado para caída delas hojas o la abscireaccionar al estímulo de absorción deagua.La sión foliar, como el letargo, se inician principalmente debido a factores externos o ambientales pero puedenserinducidas o influenciadas también por factores fisiológicos. El rompimiento delas yemas o la formación de raíces laterales son procesos controlados principalmentepor factores internos; se determinanaparentemente por losniveles, o el gradiente, de las sustanciasde crecimiento en los meristemos o en la raíz. Las condiciones externas no parecen tener mucho efecto en la iniciación de estos órganosaunque tienen una fuerte influencia de su erecimiento posterior. DETERMINACIdN RfTMICA. Uno de los aspectos más fascinantes del determinism0 de la planta es que a menudo es periódico o rítmico. Por ejemplo, algunas flores se abren en la mañana y se cierran en la noche (gloria de la mañana, ver Figura 16-21) y muchasplantascierran o inclinan sus hojas en la noche (movimiento de nictinastia). Tambiénse encuentran cambios rítmicos enmuchas funciones fisiológicas que van desde procesos metabólicos como fotosíntesis o respiración hastaestados fisiológicos como lacapacidadde florear. Muchosde estos ritmos están en relación con estímulos ambientales también rítmicos como la alternancia del día y la noche, pero algunos de ellos aparecen o continúan aunque se coloque
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LA PLANTA EN DESARROLLO
laplanta enun ambienteabsolutamente constante. Actualmente parece quelos organismos tienen un reloj interno innato, quemideel tiempo y controla su determinismo rítmico; perolanaturaleza del reloj y cómo controla la conducta de la planta aún permanecen en el mayor misterio. Todos los procesos mencionados en este capítulo tienenimportancia suficienteparamerecer un cuidadosoestudio posterior, y se consideranseparadamente enlos capítulos siguientes dela Sección IV. Esta sección forma una “biografía” de la planta desde la germinación hasta su muerte, y sigueenel Cay su modo pítulo 23 con un breveresumendelosprincipalesfitorreguladores de acción.
LECTURAS ADICIONALES Evans, G.C.: The Quantitative Analysis of Plant Growth. University of CaliforniaPress. Berkeley, Calif. 1972. Halperin, W.: Morphogenesis in cell cultures. Ann. Rev. Plant Physiol. 20:395-418. 1969. Lockhart, J.A.: The analysis of interactions of physical and chemical factors on plantgrowth. Ann. Reu. Plant Physiol. 16:37-52. 1965. Richards, F.J.: The quantitative analysis of growth. En F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vol. VA, Academic Press, Nueva York. 1969.pp. 3-76. Stange, L.: Plant cell differentiation. Ann. Rev. Plant Physiol. 16:119-40. 1965. Stern, H.: The regulationof cell division. Ann. Rev. Plant Physiol. 17 :345-78. 1966. Thimann, K.V.: Plant growth substances: past, present and future. Ann. Rev. Plant Physiol. 14:l-8. 1963. Thornley, J.H.M.: Mathematical Models in Plant Physiology. Academic Press. Nueva York. 1976. REFERENCIAS GENERALES PARA LA SECCIdN IV Bieleski, R.L.,A.R. Ferguson y M.M. Cresswell: Mechanisms of Regulation of Plant Growth. Royal Society of New Zealand. Bulletin 12. Wellington, Nueva Zelanda. 1974. Galston, A.W. y P.J. Davies: Control Mechanisms inPlant Development. PrenticeHall. Englewood Cliffs, N.J. 1970. Graham, C.F. y P.F. Wareing: The Development Biology of Plants and Animals. W.B. Saunders Co., Filadelfia. 1976. Laetsch, W.M. y R.E. Cleland (eds.): Papers on Plant Growth and Development. Little, Brown and Co., Boston. 1967. O’Brien, T.P. y M.E. McCully: Plant Structure and Development. Macmillan Publishing Co. Inc. Nueva York. 1969. Steeves, T.A. e I.M. Sussex: Patterns inPlant Development. Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1972. Steward, F.C. (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vols. VA y B; VIA, B y C. Academic Press. Nueva York. 1969-73. Steward, F.C.: Growth and Organization in Plants. Addison Wesley, Reading, Mass. 1968. Steward, F.C. y A.D. Krikorian: Plants, Chemicals and Growth. Academic Press. Nueva York. 1971. Torrey, J.G.: Development in Flowering Plants. MacmiUan Publishing Co. Inc. Nueva York. 1967. Wareing, P.E. e I.J.D. Phillips: The Control o f Growth and Differentiation in Plants. Pergamon Press. Oxford, Inglaterra. 1970. Wilkins, M.B. (ed.): Physiology of Plant Growth and Development. McGraw Hill. London. 1969. Estos libros son Gtiles como material de referencia general para toda la Sección IV y esta lista no se repetir6 después de cada capitulo.
Capítulo 17
REPRODUCCI~N SEXUAL EN LAS PLANTAS SUPERIORES
LA GENERACI~NGAMETOFÍTICA Se comenzará el estudio del proceso reproductor con unadescripción de la formación
y desarrollo de las generaciones delos gametofitos masculino y femenino, La inicia-
ción y el desarrollo de laflor son tópicos diferentes que se tratarán en los dos capítulos siguientes. Los tipos de floración y de reproducción difieren mucho en las plantas superiores; ya que se conoce muy poco sobre las causassubyacentes o sobre los mecanismos de tales procesos, este tratamiento será necesariamente un poco general. EL CARPELO Y LA OOSFERA. Los carpelos, como las otras partes florales, parecen derivarse de estructuras foliares modificadas. Aunque derivan del mismo meristemo, los carpelosdifierenmuchodelas hojas; evidentemente entran en acción fuerzas nuevas y diferentes que modifican la expresión de los genes ya activos o que hacen actuar a otros. El desarrollo del óvu10 ocurre dentro del carpelo; dentro de lascapas del nucellus e integumentos se forman uno o muchos óvulos (ver Figura 17-1). Dentro de laregión meristemática del ovariounacélula central grande, diferente en alguna manera de las que la rodean, sufre meiosis formando cuatro células hijas haploides iniciando la generación del gametofito. Solamente una de estas células se desarrolla; las otras tres abortan y finalmente se desintegran. En la célula haploide que queda el núcleo sedivide por mitosis sucesivashastaquela célula (llamada ahora saco embrionario) contiene ocho núcleos incluyendo una célulahuevo u oosfera, dos sinérgidas,dos núcleos polares y tres antípodas (Figura 17-1). Esta estructura con ocho núcleos constituye el gametofito femenino. Los factores que inician y controlan los eventos que llevan a la formación del gametofito no están claros. No se sabe qué estímulo se requiere para que una célula sufra división reduccional (esencialmente quién le dice a la célula que proceda a hacerlo). También se desconoce por qué el gametofito proviene solamente de una de las cuatro células hijas haploides y por qué se desarrolla sólo hasta el estado de ocho núcleos. Sin duda, sustancias reguladoras sintetizadas por el óvu10 desempeñan unpapel porque el gametofito femenino está altamente polarizado respecto al ovario, siendo la oosfera la célula más cercana al micrópilo y las antípodas las opuestas. Esta polarización es importante porque establece la polaridad del embrión que se desarrollará en el saco embrionario.
LA PLANTA EN DESARROLLO
440
, Estigma
,plamentoJ
Meiosis
Ovario
óvulo Desarrollo temprano del garnetofito
Cubiertas
’
+ ’
Micrópilo
Desarrollo ulterior del gametofito
Figura 17-1. Diagrama de una flor y estadios del desarrollodel óvulo. (Adaptadode J.G. Torrey: Development in Flowering Plants. Macmillan Publ. Co. Inc. Nueva York, 1967.)
LA ANTERA Y EL POLEN. Los estambres se desarrollan en el meristem0 apical siguiendo diferentes modelos, agrupamientos y formas enlasdiversas plantas. No obstante, el esquema general de desarrollo del polen es bastante similar. La antera tiene a menudo cuatro lóbulos y cada lóbulo contiene una masa central de tejido esporógeno del cual se originarán muchas células madres de las microsporas. Estas célulassondiploides y cadapaquete o grupo dentro de cadauna de lasanteras está rodeado por una capa de células especializadas llamadas eltapetum. Esta capa de células puede estar en estrecha relación con los eventos que llevan a la meiosis y la formación de los granosde polen. enlascélulasmadresdelasmicrosporas Lascélulasdel tapetum sufren un aumento notable ensu contenido de RNA y de azúcar, luego poco antes de que ocurra la meiosis se desintegran.Se ha sugerido que tanto el DNA como los carbohidratos o los productos de desintegración de dichos polímeros son transferidos a las células madres de las esporas en desarrollo. Pero no parece probable que estos compuestos puedanser otra cosa más que nutrientes. El. estímulo para la meiosis probablemente proviene de las hormonas o factores del crecimiento que se liberan simultáneamente durante la desintegración del tapetum. Los experimentos con anteras aisladas y cultivadas in vitro hanrevelado compleque eldesarrollo in vitro delpolen requiere un medionutritivomuy j o que contenga muchos nutrientes orgánicos, vitaminas, nucleótidos y hormonas. Aún así, los factores que inducen la meiosisy los estadios finales del desarrollo del polenno sehan identificado, y estos eventosno ocurren en tejido cultivado. Como en la producción de la oosfera, hasta el presente no se conoce nada sobre la inducción de la meiosis o división reduccional. Esta es una de las mayores lagunas en el conocimiento de los mecanismos de control del desarrollo vegetal. En la meiosiscada unadelas células madres de las microsporasproduce cuatro microsporashaploidesque se desarrollan formando granos de polen con unapared celular fuerte y a menudo con ornamentación conspicua. El núcleo
REPRODUCCIdN PLANTAS LASSEXUAL EN
SUPERIORES
441
haploide se divide por mitosis produciendo dos núcleos; uno de ellos será el núcleo del tubo o núcleo vegetativo y el otro el núcleo generador que se va a dividir posteriormente dando dos núcleos espermáticos (Figura 17-2).El grano de polen con sus tres núcleos es el gametofito masculino total, que aunque pueda aumentar notablemente de tamaño durante el crecimiento del tubo polínico, nunca excede de este número de núcleos. DETERMINACIdNSEXUAL. Muchas plantasforman anteras y carpelos encada meristemo floral produciendo las llamadasflores perfectas. Algunas plantas producen dos tipos de flores, ya sea con anteras (flores estaminadas) o con carpelos (flores pistiladas). Lasplantas monoicas (calabaza, maíz y muchos árboles) sonlas que producen ambas clases de flores; las plantas dioicas como el arce, sauce, gingko y espinaca, producen solamente una clase de flores en cada planta. La cuestión de la determinación sexual en las plantas ha recibido considerable atención. El hecho de que los estambres siempre se desarrollen más lejos del centro del meristemo que los carpelos, sugiere que los gradientes hormonales o de sustanciasdel desarrollo, derivadas delmeristemo o dirigidashacia é1, son muy importantes en el control de la expresión sexual. Esto seha confirmado en experimentos con plantas monoicas como el pepino y la calabaza. En éstas los primordios, tanto de estambres como de carpelos, están presentes desde los estadios tempranos del desarrollo floral, pero solamente se desarrolla uno de ellos. Por lo general las flores que se forman primero (las que quedan abajo en la inflorescencia) son las masculinasy más tarde las femeninas. La aplicación de soluciones de auxina (sea la auxina natural, IAA, o compuestos sintéticos como el ácido naftalenacético, NAA)aumenta enormemente la proporción de flores femeninas. A. Lang, que trabaja ahora en Estados Unidos, cultivó in vitro primordiosde flores y demostró que las auxinasprovocanque las flores femeninas se desarrollen aun en primordiosgenéticamente predeterminadosparaser flores masculinas, en tanto queel ácido giberélico tiene el efecto opuesto. Una vez que los ovarios han empezado a desarrollarse, se inhibe un desarrollo posterior en los estambres. La inversión del sexo es posible aun en plantas dioicas. El fisiólogo británico J. Heslop-Harrison ha demostrado que laaplicación de auxinas a los primordios Figura 17-2. Crecimiento del tubo polínico hacia el 6vulo y doble fecundación.
Núcleo del
\ Núcieos espermáticos
\
Núcleos del tubo
442
DESARROLLO LA PLANTA EN
inferiores de plantas macho de cáñamo (Cunnabis) induce el desarrollo de flores femeninas. Por lotanto parece probable que la determinación del sexo de las flores esté influenciada o quizás determinada por las hormonas. Sin embargo, no está claro si la determinación sexualprimariadeuna planta o de un primordio disposición floral esté bajo control genético directo, o seaelresultadodeuna (en sí misma controlada genéticamente) albalancehormonalapropiadopara masculinidad o feminidad. POLINIZACI6N Y FERTILIZACIdN CRECIMIENTO DEL TUBO POLfNICO. LOSbotánicos se han interesado durante muchos años porla dirección rápida y correcta con que crece el tubo polínico a través de grandes distancias desde el estigma hasta la oosfera (ver Figura 7-2). Parecía probable que estuviera dirigido químicamente, y experimentos ya antiguos confirmaron que cuando los granos de polen se germinan en un medio artificial los tubos crecen hacia pedazos de óvulo o de ovario colocados cerca de ellos. Los experimentos del fisiólogo norteamericano L. Machlis han demostrado que los tubos polínicosde los “perritos” (Antirrinum) y de otras plantas responden enérgicamente a los iones calcio (Caz ) y en un gradiente de Caz crecen hacia la región de mayor concentración. Por lo menos en una especie (“perrito” o Antirrinum) se ha encontrado que la concentración de Ca2 es menor en el estigma, más alta en el estilo, más alta aún en el ovario y máxima en el óvulo. Pero es claro que el Caz no es el Único agente quimiotrópico del crecimiento del tubo polínico. El fisiólogo norteamericano W. Rosen encontró que los tubos polínicos del lirio no son sensitivos al Ca2 sino que son atraídos por otro estímulo, alparecer orgánico. Se ha encontrado que ciertos aminoácidos actúan como agentes quimiotrópicos pero los extractos de pistilo parecen ser altamente específicos. El grupo de Rosen nohaobservado quimiotropismo cuando sepruebapolendeungénero contra partes de pistilo de otro género. Es, por lo tanto, aparente que no haya un agente quimiotrópico universal y Único. Es curioso el hecho de que el polen de muchas especies germine y crezca fácilmente en un medio químico dado sin extracto de partes florales u otros compofrecuentemente nentes especiales, y sin embargola especificidad delpolensea muy precisa.Algunospólenesgerminan en el estilo de otras especies, pero la mayoría no lo hace. Más aún, muchas especies de plantas son autoincompatibles: es decir, el polen de una flor no germina o crece en el estigma de la misma flor. Esto impide la autopolinización y asegura la fertilización cruzada y las ventajas resultantes de la recombinación genética. Algunosinvestigadoreshanbuscadosustancias inhibitorias que impiden crecer al polen extraño y se han postulado varias de ellas. Sin embargo, no se ha aislado ninguna sustancia identificable y el número de tales compuestos (así como el número de reacciones específicas o mecanismos sensorios) tendría que ser desmedidosi estos compuestos fuesenlos únicos responsablesde la autoincompatibilidad o de laespecificidad. Parece más probable que también estén involucrados balances nutricionales. La autoincompatibilidad puede resultar por diferencias en el tiempo de desarrollo del polen y del estigma, de modo que las condiciones (nutricionales u hormonales) en el estigma no sean las correctas para la germinación cuando el polen cae en dicha flor. Hay otra posibilidad en ciertos +
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REPRODUCCIdN SEXUAL EN LAS PLANTAS SUPERIORES
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miembros de la Cruciferae, en las que el polen es activado irreversiblemente sólo cuandocaeenunestigma compatible siendo inactivado enuno incompatible.
FERTILIZACI~N. El crecimiento de un tubo polínico continúa hastaquellega al saco embrionario (generalmente entra al óvulo por el micrópilo como se muestra en la Figura 17-2). Los núcleos espermáticos junto con la mayorpartedel citoplasma del tubo polínico se quedan en el extremo del tubo. Tan pronto como éste entra al saco embrionario se rompeen su extremo, quizáspormediode enzimas ahí secretadas o bien como resultado de un estímulo de autólisis o autodisrupciónprovenientedel saco embrionario. Los núcleosespermáticos entran al saco embrionario y ocurre la doble fertilización: un núcleo espermático se une con la oosfera paraformar el zigote y el otro seune con dos (ocasionalmente cuatro) núcleospolares para formar el núcleo delendospermo triploide o pentaploide. Las consecuencias de la doble fertilizaci6n son muy importantes. Primero, hay dos (o tres contando el tejido esporofítico del óvulo y ovario) líneas celulares diferentes que se desarrollan simultáneamente,y difieren en su constitución genética. No se sabe, pero es probable, si estas diferencias posibilitan el muy complejo sistema de señales que se necesita para programar correctamente la secuencia de eventos en el crecimiento y desarrollodelembrión. El endospermo y probablemente también el ovarioson fuentes ricas de hormonasdetodaslasclases conocidas queregulan y controlan el desarrollo del embrión antes quese torne independiente de las influenciasexternas. La segunda consecuencia de la doble fertilización, también relacionada con las diferencias genéticas del embrión y el endosperno, es que muchos híbridos no producen semilla viable. Aunque esto puede deberse a una incompatibilidad que impida la fertilización, a menudo se debe a que el endospermo falla al desarrollarse o a una incompatibilidad entre endospermo y embrión que impide el desarrollo normal de éste. En el último caso, a veces se lo puede extraer y cultivar artificialmente para que no se pierda el resultado de la cruza aunque no pueda tener lugar el desarrollo normal dela semilla, En algunas plantas (incluso ciertas especies de Rosaceae y varias compuestas como el diente de león) aunque ocurra polinización no hay fertilización. En estas plantas la célula madre de las rnegasporas no sufre división reduccional y el embrión se desarrolla, sin meiosis ni fertilización, directamente del tejido de la generación esporofítica previa. Este esun ejemplo de apomixis, reproducción sin unión de gametos. En algunas plantasapomícticas el endospermo se forma normalmente por la fertilización de los núcleos polares y en tal caso es obvio que debe hacer polinización. Pero en otras apomícticas tanto el endospermocorno el embrión se desarrollan directamente sin necesidad de fertilización. No obstante, la polinización es necesaria frecuentemente. Es evidente que este acto libera de alguna manera un estímulo que induce el inicio del desarrollo del embrión y del endospermo. Las consecuencias de la apomixissonmuy importantes en gen&= porque toda la progenie de una planta apomíctica es genéticamente idéntica a la planta madre. Se ha sugerido recientemente que la apomixis es mucho m& común en las plantas de lo que se había sospechado; es muy difícil detectarla en las que requieren polinización.
444
DESARROLLO LA PLANTA EN
DESARROLLO DEL EMBRIdN CAPACIDAD DE CRECIMIENTO. El zigote, laprimeracélulade la generación del esporofito, tiene un potencial de crecimiento máximo pues es capaz de originar un nuevo organismo completo. Pero despuésdeunadivisióncada célula hija tiene una“predisposición morfogénica”, como la hallamado Steward, mucho más reducida, y cada célula hija solamente puede producir una porción limitada de un organismo.Sin embargo, siseseparanlasdoscélulas hijas, cadauna recobra la capacidad de dar un organismo completo. Esta capacidad de crecer o predisposición morfogénica no es tan sólo una característica de las células aisladas. Por ejemplo, los gametos no pueden crecer a menos que ocurra fertilización. Tampoco se asocia específicamente la predisposición morfogénica con el número 2 N de cromosomas:lascélulashaploides crecen muy bien, particularmente enorganismosmuy primitivos, y lasdel endospermo, queson triploides o pentaploides, tienen un crecimiento muy restringidoen comparación con las del embrión. El origen o fuerza motriz de esta misteriosa propensión al crecimiento y morfogénesis debe buscarse en otra dirección. Se ha observado con frecuencia que “los sistemas vivientes se alimentan de entropía negativa”, es decir, usan fuentes externas de energía para disminuir su propia entropía, para reconstruir su propia complejidad. En tiempos pasadosse creía que una misteriosa fuerza vital, que era peculiarmente biológica, inducía a las células a dividirse y a los organismos a crecer. Ahora se considera a la célula como unamáquinacapazde utilizar fuentes externas de energía para su crecimiento. Todo lo que necesita añadirse es la idea de un programa que induzca y regule una secuencia irreversible de eventos en la célula y la capacidad de cada una de éstas de reaccionar a los estímulos externos que puedan modificar el programa. crecimiento” se Entonces este concepto misterioso y difícil de“capacidadde reconoce como el natural resultado de aumentar el combustible a una máquina en buen estado y ponerla en marcha: semoverá. La reducidacapacidaddelasdos células hijas del zigote indica que cada una ya no está aislada sinoque opera influenciada por la adyacente que se le une por conexiones protoplásmicas (los plasmodesmos). Conforme elorganismoaumentaen complejidad, lacapacidad de crecimiento subsecuente decadaunadesuscélulassereducedeacuerdo a la influencia de todas las que la rodean.
CRECIMIENTO DEL EMBRI6N. Poco después que se forma € 3 1zigoteempieza a crecer más o menos rápidamente y se desarrolla formando un embrión, y como tal descansa hasta la germinación de la semilla. El desarrollo del endospermo precede al crecimiento del embrión; el endospermoesel tejido que nutre al embrióndurante el desarrollo. Lasdivisiones nucleares forman un endospermo amorfo, a menudo fluido (un caso extremo, respecto al volumen del fluido, es el coco). El estado “lechoso” del maíz Y muchos otros cereales es bien conocido. Más tarde, por lo general, se forman las paredes celulares y el endospermo se vuelve sólido. Después de esto normalmente empieza el desarrollo del embrión. El modelode crecimiento del embrión difiere deuna planta a otra, pero pueden hacerse ciertas generalizaciones. La divisióncelular inicial delzigote forma dos células, una de las cuales formará al embrión y la otra al suspensor. El suspensor sirve para mantener el anclaje u orientación del embrión y para que se introduzca en la masa del endospermo del que deriva su nutrición (Figura 17-31.
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,
Ójvulo Endosperm0
..
...
Embri6n
/
Suspensión
-
-P-f Estadio
Estadio globular
corazbn Estadio de
de torpedo ,óvu10
Estadio cotiledonar
Figura 17-3. Estadios en el desarrollo del embri6n de dicotiled6nea.
El embrión pasa a travésde los estadios globoso, de corazón y de torpedo, llamados así por su apariencia. Los dos lóbulos del estadio de corazón forman los cotiledones y en el estado cotiledonar el embrión ya ha desarrollado una radícula o meristemo radical y un meristemo del tallo (Figura 17-3). Conforme crece el embrión, el endospermo va siendo digerido y sus sustancias usadas para la nutrición de aquél. Este proceso continúa sin pausas hasta que no queda nadade endospermo y los residuos de los materiales almacenados son transferidos a los cotiledones como en la semilla del frijol (ver Capítulo 4, página 77). Otra alternativa, como en el maíz, es que el endospermo quede,en la semilla hasta la germinación, funcionando el cotiledón principalmente como un órgano de absorción más que de almacenaje. Durante los inicios del crecimiento, elniveldeorganizacióncelular del embrión cambiade esencialmente cero en elzigotehasta un nivelmuy alto en el embrión maduro. En este periodo el embrión se desarrolla de una sola célula totalmente heterótrofa a unaunidad autótrofa capazdedesarrollarse posteriormente por sí sola. Evidentemente, en los primeros estadios el embrión es determinado fuertemente por factores del exterior (suministrados por el tejido del endosperno y del ovario), pero esta dependencia decrece gradualmente hasta cero. Por esta razón el embrión ha sido sujeto favorito de estudio de los fisiólogos vegetales que quieren conocer y entender la naturaleza y la importancia de los factores que controlan el crecimiento y el desarrollo. El estudio de embriones aislados in vitro y la inducción de embriogénesis en cultivos celulares han sido dos métodos muy provechosos. CRECIMIENTO DEL EMBRI6N IN VITRO. El cultivo de embriones aislados empezó poco después de principios de siglo y para la década de 1930 el fisiólogo america-
no P. White había desarrollado medios en los que embriones recién en el estadio de corazón se cultivaban con éxito. Pero en tanto que los embriones más avanzados crecían en medios relativamente simplescon nutrientes inorgánicos y sacarosa,
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los estadios iniciales requerían de la adición de muchos otros factores suplementarios, tan poco definidos (y enese tiempo indefinibles) como el extracto de levadura. Más tarde se descubrió que la mejor fuente posible de nutrientes para y la adición de leche de coco al el crecimiento embrionarioeraelendospermo medio de cultivo, lo cual hizo posible el cultivo de embriones aislados en etapas muy iniciales del desarrollo. Aunque la adición de leche de coco resolvió un problema, trajo otro consigopuessu composición esmuy compleja y poco conocida. Es rica en nitrógeno orgánico, azúcares, una variedad de sustancias del crecimiento y en hormonas de todas las clases conocidas y muchos otros compuestos con mayor o menor grado de actividad fisiológica. Asíque, si bien permite el cultivo in vitro delosembriones (así como demuchas otras células y tejidos), enrealidadsuuso representa la sustitución deun medio complejo desconocido por otro. Los esfuerzos por aislar todas las sustancias reguladoras del crecimiento de la leche de coco han tenido un éxito considerable en el laboratorio de F.C. Steward, de la Universidad de Cornell, pero aún queda mucho por conocer. Se obtiene cierto éxito en el cultivo de embriones tempranos enmedios sintéticos complejos (pero definidos) si están presentes varias condiciones adicionales. Así, los embriones muy tempranos requieren un potencial osmótico anormalmente bajo (tal vez el endospermo en degeneración provee altas concentraciones de compuestos solubles que bajan el potencial osmótico alrededor del embrión ensu ambiente natural). Pero este requerimiento decrece conforme madura el embrión. Experimentos recientes indican que si en los diversos tipos se mantiene un correcto balance hormonal, elmediopuedehacersemuchomenos complejo. Así, nuevamente se hace claro que los factores más importantes que influyen en el desarrollo son las fitohormonas y que éstas actúan juntas en un concierto balanceado, no solas o aisladas. EMBRIOGENESIS EN CULTIVOS DE Clh,ULAS Y TEJIDOS. Alfin deladécada de 1950 el laboratorio de Steward realizó grandes progresos en el cultivo de células y tejidos aislados devarias plantas, particularmente zanahoria, usando el medio basal de White, fortificado con leche de coco. Se encontró que las células libres flotantes que se apelmazan por las masas de tejido en crecimiento, pueden plantratan tarse en agar o suspenderseenmediosapropiados.Cuandolascélulasse de este modosufreneldesarrollo embriológico normal, esencialmente, enlas plantasde zanahoria; producen raíces y tallos y finalmente plantasmaduras, completas, con flores. En las Figuras 17-14 y 17-15 se muestran ilustraciones de este proceso. Posteriormente sevioquecélulasdediversas fuentes, tratadas apropiadamente, podían revertir a la condición indeterminada característica delzigote y sufrir embriogénesis, o algo semejante, y producirplantas completas. El propio zigote y las células derivadas de un cultivo de embrión aislado son las que pueden cambiar así con mayor facilidad, requiriendo solamente endospermonatural o leche de coco adicionado al medio basal de sales y azúcares. Las células derivadas de partes de la planta másmaduras o diferenciadas (tallo, raíz, etc.) tienen una respuesta restringida y requieren tratamiento adicional. Pueden regresar al estado dedivisión irrestricta por la leche de coco, pero requieren la adición de auxina (IAA) o de las auxinas sintéticas ácido naftalenacético (NAA) o ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) paraquepuedan formar nuevas plantas, como se muestra en la Figura 17-4.
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Es evidente que la capacidad de crecer mostrada por el zigote no se pierde por las células formadasal dividirse. La propensión morfogénicava enmascarándose conforme se desarrolla el organismo, pero puede reaparecer si las células se separan de su condición de tejido y se colocan en un medio idóneo. Una vez más, la importancia de un balance apropiado de hormonasy sustancias decrecimiento así como de los nutrientes (en este caso provisto por la leche de coco y la adición de hormonas sintéticas) se pone de manifiesto respecto a lainducción y mantenimiento de un desarrolloarmónico. TOTIPOTENCIALIDAD DE LAS CELULAS DE LA PLANTA. En la sección precedente se añadió una nueva dimensión en el estudio del desarrollo; esto es, que las células de varias partes de la planta puedan desarrollarse dando un nuevo individuo, dadas las condiciones apropiadas. Es decir, estas células son totipotenciales; tienen todo el potencial de desarrolloque tiene el zigote. Es claro que no todas lascélulas Figura 17-4. Deunacblula a unaplantaen la zanahoria.Secuenciaen el desarrollode: (A) cblulasdelfloemadezanahoriasuspendidaslibremente; (B)agregadoscelulares; (C)colonias con nódulos o centros de crecimiento organizados; (D) raíces; (E)plántulas creciendo primero entubos con agar y luegoenrecipientes con vermiculita, y (F) plantas con raícestuberosas, de almacenaje, con un contenido de carotenos normal. (De F.C. Steward et al.: en D. Rudnick (ed.) Synthesis of Molecular and Cellular Structure. Copyright 1961. The Ronald Press, Nueva York. Usada con permiso. Fotografías originales cortesía del Profesor Steward.)
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pueden “rejuvenecerse” de este modopuesalgunashansido constreñidas en un molde específico por un evento irreversible, como la deposición deunapared celular gruesa e insoluble. No obstante, parece probable que todos los tejidos vegetales contengan algunascélulas totipotenciales, dadaslas condiciones idóneas. Hay muchos ejemplos en el desarrollonormal de las plantas, de célulasquese rejuvenecen y empiezan a dividirse de nuevo. La formación de raíces laterales, la formación delcambium interfascicular enlas dicotiledóneas y la formación del felógeno en el floema de los árboles son claros ejemplos (ver Capítulo 4). La reversión a la capacidad de embriogénesis de las célulaslibres en un medio de cultivo esun ejemplo inducido experimentalmente deun determinism0 natural normal. Esto implica que cada célula vivade la planta lleva ensu interior la totalidadde la información genética necesaria para hacer esa planta. Lo que la célula pierde durante su desarrollo noesla información, sino la capacidad deusaresa información. Así quecada célula posee en forma innata toda la capacidad de crecimiento, o potencial morfogénico, del zigote. Esto esuna consecuencia natural del hecho que todo el material genético se duplica y se reparte por igual entre lascélulas hijas durantelamitosis.Perolacapacidad de crecimiento debe estar controlada para que ocurra un desarrolloordenado. En un tejido cadacélula otras célulashaciéndose restringe en mayor o menorgradolacapacidaddelas posible así una ordenada cooperación en el desarrollo y el funcionamiento. Estas restricciones se llevan a cabo por la compleja interacción celular a través de laaparición de campos o gradientes de nutrientes, intermediarios metabólicos y hormonas. CIRCULACIdNEN UNSENTIDOEN EL DESARROLLO. Este problema puedeverse desde otra perspectiva. El desarrollo y el crecimiento son, esencialmente, procesos enun solo sentido, solamente con reversiones ocasionales (retornos a un estado anterior). Es muy difícil concebir un mecanismo en el interior del banco de información genética queprogramela totalidad de la información almacenada.Tal programación exigiría un complejo sistema de interruptores. El desarrollo seha comparado a un programa de computadora en el que cada estadio debe completarse con éxito antes que pueda procederse al paso siguiente.Peroestoimplica un sistemadeprogramaciónmucho más complejo delquesesuponeque existe Es mucho mássimpleveral desarrollo como normalmente en elnúcleocelular. un programa de sentido Único, porque cuando una célula se divide en dos no hay manera de volver atrás. Se hadadounpaso irreversible y seha creado unnuevo marco de condiciones. Así es que puede considerarse que elprogramaesel propio organismo. La información genética es la que determina lasdiferencias entre los organismos y las especies. Pero es de la posición de la célula en el organismo y del estado de desarrollo de éste de lo quedependecuál fracción va a usarse enese momento entre el total de información genética. Se enfatiza aquí otra vez la importancia de la interacción celular, quizá a través de los plasmodesmos en el desarrollo del organismo. También se deduce de ello que si se separan las células de su programa, y por tanto seles libera de sus restricciones, revertirán al principiodelprograma como corresponde a las células aisladas y empezarán a desarrollarse de nuevo comosifuesenzigotes. Todo lo quese requiere es, precisamente, un ambiente propicio. No es la negativa de las células sino la dificultad en rodearlas de este ambiente, lo que hace complicada la embriogénesis a partir de células vegetativas. El fisiólogo alemán G. Haberlandt predijo en 1902 que la embriogénesis sería posi-
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ble; fue 60 años más tarde cuando W. Halperin, F.C. Steward y otros, en Estados Unidos, comprobaron que tenía razón.
FORMACIdN DEL FRUTO Y SEMILLA IMPLANTACI6N DEL FRUTO. Después de la polinización empieza el desarrollo del fruto y de la semilla. Si la polinización no se efectúa la flor envejece rápidamente y muere. En las plantas apomícticas el sólo estímulo de la polinización es suficiente para iniciar el desarrollo del embrión; es de suponerse que el polen suministra sustancias de crecimiento u hormonas que estimulanel desarrollo del embrión. Lashormonasproducidaspor el polendesempeñan también unpapelen la implantación del fruto o sea en la prevención de su abscisión. Puede asperjarse auxina (normalmente producida por el polen) a flores no polinizadas y como resultado se desarrollan frutos partenocárpicos (sin semilla). En algunas plantas, particularmente en especies de frutos con "hueso" como el durazno, ciruela, cereza y uva, el ácido giberélico actúa en lugar de la auxina. Se sabe que al menos en algunas de estas especies el polen produce una giberelina más que una auxina.
DESARROLLODEL FRUTO Y DE LA SEMILLA. El primer estadio en el desarrollo del fruto y de la semilla es una rápida división celular sin mucho alargamiento. El factor principal parece ser la citocinina que puede ser producida en gran parte por el endosperm0 triploide (o pentaploide) que en este estadio se encuentra en crecimiento. Varios tejidos de la planta progenitora, el ovario, el receptáculo floral y a veces parte del escarpo floral, pueden tomar parte en la formación del fruto. Queda fuera del propósito de este libro la descripción de los diferentes tipos de desarrollo que producen la enorme diversidad de frutos. Los procesos principales son similares en la mayoría de las plantas. Después de la división celular viene una fase de crecimiento principalmente poralargamientocelular. La evidenciaque dan numerosos experimentos sugiere que está causada por las auxinas producidas por la semilla. Si sequitan las semillas a un fruto en desarrollo, &te se detiene, pero puede reiniciarse aplicando auxinas. El ya desaparecido fisiólogo francés J.P.Nitsch dice que el desarrollodel fruto en la fresa y en el pepino depende de las auxinas que se originan en el óvulo. Pueden lograrse fresas extrañas y mal formadas si se quitan todas excepto una o unas cuantas semillas y se restaura un crecimiento casi normal aplicando IAA en lanolina (Figura 17-6). Como en el caso de la implantación del fruto, algunos frutos responden mejor a la giberelina que al tratamiento auxínico. Esto puede significar una diferencia en los mecanismos de respuesta.Sinembargo una explicación más probable es que en la mayoría de aquéllos la respuesta depende de ambas, auxinas y giberelinas, y lo que hace la diferencia entre las respuestas es la concentración natural presente enuna u otra hormona. Otra alternativa esque pueden existir diferencias enel balance necesario entre las hormonas. En este estadio del desarrollo de10s frutos la concentración de ácidos orgánicos y azúcares empieza a aumentar Y el descenso resultante en el potencial osmótico se relaciona probablemente con el aumento en la absorción de agua y el crecimiento de las célulaspor alargamiento. MADURACIdN DEL FRUTO. El proceso de maduración del fruto involucra muchos cambios químicos y fisiológicos. Los frutales hansidocultivados y sujetos a un
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B
D
E Figura 17-6. Desarrollo de fresas. En lasfotografíasdearribasolamente uno (A) o tres (B) aquenios fueron fertilizados. En (C)y (D) solamente se fertilizaron unospocosaquenios en las hileras verticales u horizontales (fresas normales hacia fuera, tratadas en el cenes normal, tro). En (E) la fresadelaizquierda a las otrasdos se les quitaron los aquenios y se trataron con pasta de lanolina. La del centro recibió solamente lanolina; la de la derecha recibió lanolina con 100 ppm de ácido p-naftoxiacbtico. (De J.P. Nitsch: Amer, Jour. Bor., 37:211-15. 1959. Utilizada con permiso.)
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intenso proceso de selección en vista de lascaracterísticas del fruto (sabor, tamaño, color, textura) así que muchos frutos familares probablemente exhiben tipos de desarrollo muy alejados de su estado “natural”. El proceso de maduración involucra la conversión de ácidos y almidón en azúcares libres, la elaboración de pectinasasqueablandan y finalmente rompenlasparedescelulares y frecuentemente la elaboración de varios pigmentos, por lo general antocianinas y la pérdida etileno de clorofila. Muchos de estos cambios soninducidos o causadosporel que es producido por el propio fruto. La producciór? de etileno tiene una profunda consecuencia en el almacenaje. El etileno producido por cada fruto tiene un efecto acumulativo y estimula a 10s demás a madurar rápidamente y, coincidentemente, a producir más etileno. Así que el proceso de maduración se vuelve “autocatalítico” en una acumulación de frutos almacenados con resultados potencialmente catastróficos. El almacenaje en frío y la técnica de exponer los frutos a una corriente de gas inerte (nitrógeno o COZ)que retarda la maduración porque quita el etileno conforme se produce, son métodos importantes para prolongar la vida de los frutos almacenados. Un cambio fisiológico importante que ocurre durante la maduración es el climaterio respiratorio(ver Capítulo 6 , página 132). Muchos frutos sufren el climaterio, y éste puede ser inducido por la adición de etileno en aquellos que no lleven a cabo este proceso. Por lo general el climaterio se acompaña de un breve pero intenso aumento en la producción de etileno. Esta producción puede elevarse nuevamente más tarde (Figura 17 -7). Se cree queel etileno incide en lamaduración, incluyendo el climaterio respiratorio, dedosmaneras. Tiene ungran efecto en lapermeabilidad delas membranas y ciertamente lapermeabilidadcelularaumentamuchodurantela maduración. Esto permite el ablandamiento del fruto y quelos metabolitos y las enzimas, que normalmente se mantienen separados, se entremezclen, acelerando en gran medida el metabolismo respiratorio. Se ha demostrado también que en algunos frutos hay un incremento en el contenido de proteína durante el climaterio y se ha sugerido que el etileno estimula la síntesis de proteínas durante ese proceso. Es de suponer que las proteínas así formadas tengan que ver con el proceso de maduración, y el climaterio podría ser un reflejo del incremento delas enzimasrespiratorias. De cualquier modo, el climaterio esun proceso aerobio y puedeimpedirse o posponersealmacenando el fruto a una tensión reducidade oxígeno. Muchos de los estudios fisiológicos sobre la maduración se han efectuado en frutas como la manzana y el plátano o banano que se almacenan por periodos largos. Estas investigaciones han dado lugar a descubrimientos prácticos de enorme valor comercial así como de importancia fundamental para la fisiología vegetal. Las técnicas desarrolladas para controlar la maduración de frutos almacenados incluyen el uso de hormonas y factores de crecimiento, de mezclas de alto nitrógeno, alto dióxido de carbono y bajo oxígeno, así como temperaturas cuidadosamente controladas. El reciente uso popular de bolsas de polietileno para empacar fruta tiene ventajas (el dióxido de carbono se incrementa y el oxígeno decrece en el interior) pero si la fruta madura al punto en que la producción de etileno llegue a un alto nivel,seproducirá una maduración “autocatalítica” a menosque l a bolsas se perforen para que éste escape. Este áreadela fisiología vegetalesun buen ejemplo del efectivo intercambio deideas entre los científicos, unosdedicados a la ciencia pura y otros a lainvestigaciónaplicada. Los descubrimientos
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Climaterio
Figura 17-7. Relaciónentre la producci6n de etileno y el climaterio respiratorio en frutos en madurach.
importantes, los avances tecnológicos y el progreso del conocimiento han surgido de una síntesis de investigaciones e ideas de ambas ramas de la ciencia.
Las semillas maduran en el interior del fruto. Después de la maduración y la caída de los frutos, la semilla generalmente entra en letargo por un tiempo más o menos largo. Esto quiere decir que aunque se la humedezca y se le den condiciones que favorecen la germinación, ésta no se produce. El letargo se debe a la formación en la semilla de inhibidores químicos, a la carencia de las sustancias estimulantes necesarias (que más tarde suministrarán el embrión) o la resistencia mecánica de la testa de la semilla a la entrada del agua y del oxígeno. El letargo se rompe luego de que la semilla se sujeta a varias condiciones ambientales que pueden incluir un prolongadoperiodo de frío intenso, exposición prolongada a condiciones de fresco, condiciones dehumedadenpresenciade oxígeno (estratificación), calor intenso (incluso fuego), paso a través del intestino deaves o mamíferos, abrasión fisica (escarificación) o ataque porhongos. Todos estos requerimientos aseguran que la semilla sobreviva a través de subsiguientes periodos en condiciones bajo las hasta quehalle cualesno podría crecer la plántula y aseguran quenogermine buenas condiciones para el crecimiento. También ayudan a impedir la germinación que podría tener resultados desastrosos durante la temporada inclemente del invierno. Los mecanismos del letargo se exponen en detalle en el Capítulo 22. Cuando ocurren las condiciones requeridaspararomperel letargo, elembrión empieza a producir las giberelinas y las citocininas necesarias para contra-
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rrestar la acción de los inhibidores del crecimiento e iniciar este proceso. En esta etapa, si se le agrega agua, la semilla germinará. CONDICIONES PARA LA GERMINACI~N.La germinación no ocurre sino hasta que las condiciones seanlas correctas. Los factores principalessonagua, oxígeno, temperatura y luz. ~1 agua es primordial pues las semillas están extremadamente deshidratadas. Normalmente contienen sólo del 5 al 20% deagua de supeso total y tienen que absorber una buena cantidad antes de que se inicie la germinación; el primer estadio de la germinación llamado imbibición es por lo tanto de rápida toma de agua. Hay indicaciones de que no hay crecimiento sino hasta que se alcanza un cierto nivel crítico de agua (diferente para los diversos tipos de semillas). Si se deseca la semilla después de pasado este punto y de haberse iniciado el metabolismo, muere. Después de la imbibición la absorción de agua decrece, la germinación prosigue y empiezan los procesos irreversibles que llevanal crecimiento y desarrollo. El oxígeno es necesario para la germinación de la semilla. El metabolismo durante los estadios iniciales de la germinación puede ser anaerobio cambiando a aerobio, tan pronto como la testa se rompe y el oxígeno se difunde en su interior. La importancia del oxígeno queda ejemplificada en los experimentos de Yemm, con semillas de chícharo o guisante, expuestos en el Capítulo 6 , Figura 6-18. Las semillas con la testa intacta requieren mucho más oxígeno para respirar al máximo que aquellas a las que se les quitó la testa. Una temperatura correcta es importante para la germinación; generalmente las semillas no germinan por debajo de una cierta temperatura diferente según la especie. La luz tambiénes importante parala germinacióndealgunassemillas. Las semillas muy pequeñas tienen tan solo mínimas cantidades de alimento almacenado para los principios del crecimiento del embrión, por lo que les es necesario volverse autótrofas cuantoantes. Si germinanenelsuelomuyprofundamente pueden agotar sus reservas antes de alcanzar la superficie. La exigencia de luz impide que esto suceda y asegura que la germinación ocurra solamente en la superficie o cerca de ella. El pigmento fotosensible es el fitocromo que se estudiará en detalle en el Capítulo 20. Solamente pocas semillas muestran respuesta a la luz; la lechuga "Grand Rapids" se ha estudiado mucho por su enérgica respuesta. La germinación de otras semillas es inhibida por la luz. Éste puede ser también un mecanismo de protección que impide a las semillas con germinación lenta el que éste se produzca en la superficiedurante unbreve chubasco, puesse podría desecar antes de que sus raíces alcanzaran una capa de suelo con humedad constante y suficiente. La edad de las semillas es un factor de importancia en la germinación. Contrariamente ala creencia popular,pocassonlasquepuedensobrevivirdurante muylargo tiempo. Hay constancia auténtica de quealgunassobrevivieron un almacenaje de más de 100 años, pero la mayoría duran cuando mucho unos POCOS años. Algunas son capaces de sobrevivir solamente pocos dias 0 semanas. Guardadas a muy baja temperatura (congelación) o bajo condiciones anaerobias parecen durar más. Ha habido muchos intentos de estudiar el metabolismo de semillas en inactividad o durmientes (es decir, que no germinanporquelas condiciones no son buenas; letargo implica incapacidad de germinar aun en condiciones ideales). Sinembargo,parecequelabajísima absorción de oxígeno de tales semillases probablemente el resultadodeprocesos no metabólicos, destructores, de lenta
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autooxidación. Parecería lo más probable que cuanto más lentamente ocurran estos procesos más larga sería la vida de la semilla en almacenaje. MOVILIZACI6N DE LAS RESERVAS. En algunas semillas (primariamente monocotiledóneas) el endospermo es retenido hasta la germinación, en tanto que en otras (principalmente dicotiledóneas) las hojas cotiledones del embrión crecen y absorben todoslos nutrientes contenidos en elendospermodurante la maduración del fruto antes de que aquéllascaigan.Encualquier caso, al germinarse tiene como proteíquedirigir y movilizarunagrancantidaddematerialdereserva, nas, grasas y almidón u otros carbohidratos para nutrir a la plántulaen crecimiento. Esto quiere decir quelasenzimasdigestivasdebenactivarse o sintetizarse inmediatamente después de empezar la germinación. Al parecer las giberelinas son muy importantes en este proceso. Las semillas de muchos cereales (monocotiledóneas) tienen una estructura tal que facilita estudiar su germinación. El endospermo consiste enun tejido harinosorodeadopor unas células con proteínas llamadas la capa de aleurona; es aquí donde se elaboran o secretan muchas enzimas digestivas. ’ Delasdosenzimasque se requieren para la digestióndelalmidón(ver Capítulo 6, página 129) la a-amilasa está presente en la semilla antes de la germinación, la a-amilasa y las proteínas aparecen inmediatamente después del inicio de la gerrninación. Se ha encontrado que si se quita el embrión no aparecen enzimas (particularmente amilasas); pero si se aiíaden concentraciones muy bajas de ácido Se giberélico (como lo-’OM) tiene lugar la producción deenzimasdigestivas. encontró que la a-amilasa se activa como resultado de la acción de la giberelina, pero hay diversas evidencias que sugieren que la a-amilasa y quizá las proteasas se sintetizan “de novo” por acción de la giberelina. Varner encontró que en la enzima a-amilasa se incorporan aminoácidos CI4, lo que demuestra unanueva síntesis de la cadena de aminoácidos. Cuando se induce a-amilasa en presenciade Hz“0 enlugar del Hz 6 O normal, la proteína enzimática esmás densa, lo que se determinó poruna centrifugación cuidadosa a través de una densa capa de solución de cloruro de cesio. Esto demuestra que la enzima se ha sintetizado “de novo” a partir de aminoácidos conteniendo *O que se han derivado de la hidrólisis de otras proteínas preexistentes en la semilla. Todos estos puntos sugieren que las giberelinas actúan al nivel de genética molecular como desrepresores de los genesresponsables de la síntesis deamilasa.t Se ha demostrado que es el embrión, sin lugar a dudas, el que suministra la giberelina necesaria para iniciar la activación o síntesis de varias enzimas que actuarán para su propia nutrición durante la germinación y tiempo después:Además, al germinar el embrión unode los primeroseventos metabólicos esla elaboración de auxina en el coleóptilo. Esto no afecta tan sólo al crecimiento del coleóptilo (ver Capítulo 18) sino que también induce la formación de tejido vascular por el cual semueveel ácido giberélico y los nutrientes delendospermo se transportan al embrión. Así es como éste controla por síntesis hormonal la movilización de sus nutrientes y por lo tanto su propio crecimiento. Las semillas que almacenan grasas, como la higuerilla o ricino y calabaza, tienen un interesante proceso metabólico en la movilización y conversión desus grasas a azúcar que puede transportarse al embrión en crecimiento. Las grasas se oxidan primero dando acetil-COA por la vía de la 0-oxidación (Capítulo 6, página 132)~ La acetil-CoA así formada entra en peyueiíísimos cuerpecillos llamados
’
L “ ,
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g1ioxisomas:Bstos organillos subcelulares que se rodean por una sola membrana fueroneescubiertos porelfisiólogovegetalamericano(originalmente británico) H. Beeversen en maquinaria la enzimática del ciclo del glioxilato (Capítulo 6 , la función de convertir moléculas dosde esacetil-COA en convertido luego en ácido oxaloacético queesdescarboxiladoporlaenzimacarboxikinasa para formar fosfoenol piruvat0 (PEP)
oxaloacetato
+
ATP
-+
PEP
+
ADP
+
CO,
El PEP así formado es convertidoen azúcar por reacciones que son esencialmente inversas a las de la glicólisis. Una diferencia es que la FDP es convertida en F-6-P por una fosfatasa en lugar de la acción inversa de la fosfofructokinasa que opera en la glicólisis.La fosfatasa tiene un equilibrioquefavorece fuertemente la producción de F-6-P lo quelleva la reacción a la producción deazúcares. El poder reductor y el ATP necesarios para efectuar la glicólisis a la inversa probablemente sed-:rivandelas oxidaciones del ciclo del glioxilato, delaconversión de succinato en ácido oxaloacético y de la 0-oxidación de las grasas que produce NADH. A suvez, éste puede introducir electrones enlacadenadetransporte de éstos generando ATP. Nu~aIcrdN DE LA PLANTULA. La digestión de las reservas del embrión o de los cotiledones da por resultado aminoácidos,azúcares, nucleótidos y ácidos orgánicos. Antiguamente sepensabaque todos estos productossolubles semovilizaban y transportabanalembrión en desarrollodondesereestructurabandando nuevas proteínas, carbohidratos, núcleo, proteínas y lípidos. Pero se ha aclarado, sobre todo porlasinvestigacionesdelgranfisiólogo ruso D. Przhanishnikof, que solamente ciertos compuestos son transportados y lamovilizacióndelnitrógeno en particular requiere una cantidad considerable de energía metabólica. Los aminoácidos provenientes del rompimientos de las proteínas almacenadas son desamiparala nadosensu mayoría, y los ácidos orgánicosresultantespuedenusarse respiración o bi:n como esqueletos de carbono para la formación de compuestos transportables. Estos son por lo general amidas, glutamina o asparagina (la glutamina parece ser lamás usual) aunque algunosotros aminoácidos son transportados extensivamente enlasplantas (por ejemplo, homoserina en el chícharo). Los esqueletos de carbono para la síntesis de amidas parecen provenir del azúcar más quedeaminoácidosderivadosdelas proteínas. Przhanishnikofhizo notar que la síntesis de amidas requiere la presencia de azúcaresy de compuestos nitrogenados solubles. La energía para la síntesis de compuestos transportables viene probablemente de la respiración de algunos ácidos orgánicos derivados la dedegradación de los aminoácidos. Los compuestos nitrogenados que se transportan son reestructurados en el embriónendesarrollousando denuevo esqueletos de carbono derivadosde10s azúcares transportados, para formar los aminoácidos que se requieren para la sintesis proteica Y el crecimiento. Un resumen de estos procesos se presenta esquemáticamente en la Figura 17-8. Ciertos aminoácidos pueden transportarse como tales en algunas plántulas. La fisióloga canadiense Ann Oaks ha demostrado que la leucinase transporta a 10s ápices de las raíces de las plántulas de maíz donde tiende a regular por medio de
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ÁREASDE NUEVO CRECIMIENTO
LA PLANTA EN DESARROLLO
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Figura 17-8. Movilizaci6n de los recursos nutricionales en una semilla en germinación.
su concentración la síntesis de leucina in situ. Es interesante hacer notar que la leucina suministrada de modo exógeno no tiene esta capacidad de regulación. Evidentemente la leucina que llega por la ruta de transporte normal es accesible al sitio de su síntesis en tanto que la que se suministra externamente no Io es. Esta manera de compartimentar los aminoácidos es un fenómeno común en las plantas según lo demostraron Steward y colaboradores; puede proveer un control extra en elmetabolismovegetal permitiendo que el almacenaje y laactividad metabólica relativa a la síntesis proteica prosigan sin interferir (por acción de masas o por mecanismos moleculares de control) con la síntesis de los aminoácidos destinados a formar proteínas durante el crecimiento y desarrollo.
LECTURAS ADICIONALES
Ver la lista en el Capítulo 16. Black M.:Control Processes in Germination and Dormancy. Oxford University Press. Londres. 1972. Crane, I.C.: Growth substances in fruit setting and development. Ann. Rev. Plant Physiol. 15:203-26. 1964. Hansen, E.: Postharvest physiology of fruits. Ann. Rev. Plant Physiol. 17:459-80. 1966. Rosen, W.G.: Ultrastructure andphysiology of pollen.Ann. Rev. Plant Physiol. 19:435-62.1968. Salisbury, F.B.: The Flowering Process. Pergamon Press. Nueva York. 1963. Schwabe, W.W. Physiology of vegetative reproduction and flowering. EnF.C.Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise. Vol. VI-A. Academic Press.Nueva York. 1971. pp. 233-41.
Capítulo 18
PATRONES DE DESARROLLO
DESARROLLO DE LA PLANTULA Después de la genninación el meristemo de laraíz del embrión se activa y crece rápidamente, iniciándose el desarrollo de la raíz primaria. Posteriormente el meristemo principal de la parte a&ea de la planta empieza a crecer. En algunas plantas los cotiledones son arrastrados hacia arriba al crecer el hipocotilo; en otras, aquéllos quedan bajo tierra y solamente el epicótilo crece sobre el suelo (ver Capítulo 4, página 77). El delicado meristemo radical que va empujando a través del suelo por la expansión de las c6lulas tras de sí, está protegido de daño por la cofia o pilorriza. El meristemo apical del tallo tiene una protecci6n diferente. En las monocotiledóneas se protegepor el coleóptillo, la primera hoja cotiledonar queenvuelveal talluelo en desarrollo hasta que alcanza la superficie del suelo; cuando lo hace el coleóptilo cesa de crecer y el talluelo que está en su interior se abre paso a través del ápice. En muchas dicotiledóneas el talluelo se encorvacerca del ápice formando el cayado de la plúrnula. Por lo tanto es la porción curvada del tallo la que empuja primero al atravesar el suelo, más que el meristemo y las hojitas en desarrollo. Cuando el cayado de la plúmula alcanza la superficie del suelo se endereza y los cotiledones o las primeras hojas se despliegan como se muestra en la Figura 18 -1. FOTOMORFOG~NESIS. Los patrones de conducta recien mencionados son, evidentemente, respuestas del coleóptilo o de la plúmulaa la percepción delaluz al alcanzar la superficie del suelo, ya que cuando el embrión se desarrolla en la oscuridad el coleóptilo continúa creciendo y el cayado de la plúmulano se endereza. Esta en el respuesta parece ser similar a la de la luz en la germinación que se expuso capítulo precedente. El Apice del coleóptilo y la plúmula parecen ser los tejidos sensitivos. El mecanismo sensorio es a través de la absorción lumínica por el pigmento fitocromo cuyo mecanismo de acción se examinará en detalle en el Capítulo 20. Pueden percibirse intensidades muy bajas deluz roja pero la luz de longitud de onda más corta no parece ser tan efectiva. No obstante, ciertas plántulas que normalmente no forman un cayado en la plúmula (por ejemplo, la lechuga “Grand Rapids”) sí lo forman al ser iluminadas con luz roja débil y el efecto es invertido por la luz rojo-lejano fuerte o azul. Las longitudes de onda más activas son absor-
LA PLANTA EN DESARROLLO
460
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Figura 18-1. Fotografía de plántulas de friB
jol germinadas durante 8 la días en oscuridad. (A) o a la luz (B). Nóteseel cayadode la plúmula en A que se ha enderezado en B.
bidas característicamente por una u otra de las formas del fitocromo. Entonces, la naturaleza de la respuesta a la iluminación parece depender del tejido, aunque el mecanismo sensorio seael mismo en todos loscasos. Las plantas que crecen en la oscuridad aparecencaracterísticamente ahiladas o etioladas; es decir, sin clorofila, muy alargadas, con los tejidos vasculares y de soporte pobremente desarrollados, hojas con poco crecimiento y el cayado de la plúmula se endereza lentamente, si es que lo hace. Esta condición se presenta en la Figura 18-2.Todas estas anomalías del crecimiento se pueden prevenir iluminando la planta con una media luz, a niveles inadecuados parala nutrición fotosintética del embrión. Ademtis, el espectro de acción de la luz que impide dichas anomalías indica que todas ellas están total, o al menos parcialmente, mediadas por el fitocromo. La presencia o ausencia de luz es, por lo tanto, uno de los factores ambientales más importantes que desencadena procesos de desarrollo en la plántula y en la planta en crecimiento. No sólo la presencia o ausencia de luz es importante, sino también su calidad y a veces su cantidady periodicidad, y algunas de estas respuestas son muyafectadastambidn por latemperatura. Todo este tópico de periodicidad y medición del tiempo se examinará en el Capítulo 20. Muchas respuestas inducidas normalmente por la luz pueden simularse por laaplicacióndehormonasapropiadas,generalmenteauxinas o giberelinas. Las reacciones de las diversas plantas a las diferentes hormonas no son iguales y con frecuencia una hormona puede causar resultados opuestos en plantas diferentes. Se considerarán algunas de estas respuestas en detalle en los dos capítulos siguientes. Ahora es suficiente enfatizar el hecho de que toda la secuencia de respuestas bioquímicas y genéticas que da por resultado el desarrollo, es puesta en marcha,
PATRONES DE DESARROLLO
461
Y
A
Figura 18-2. Fotografía de plantasde frijol la osdesarrolladas durante 22 días en curidad (A) o a la luz (B). N6teseel tallo delgado y alargado, las hojas pequefias,la ausenciade color y la presencia del cayado de la plúmula en la pldntula etiolada (A).
directamente o a través de las sustancias de crecimiento, después de que la planta percibe la luz y otros estímulos ambientales. INICIACIdN DE 6RGANOS EN CULTIVO DE TEJIDOS
Hay muchas investigaciones sobre el crecimiento de tejido del callo en medio de cultivo y sobre los factores que lo inducena tener un crecimiento organizado. Algunos de los experimentos se consideraronen los capítulos previos al estudiar la totipotencialidad y el control del crecimiento y morfogénesis. Aquí se verán los factores que inducen a ciertos tejidos a diferenciarse como raíces, hojas, tallos o flores. Por ejemplo, se recordd que en el extremo basal de una estaca de sauce se forman raíces y en el extremo apical se desarrolla tallo (Figura 16-18). Esto se debe a la distribución basipétala de la auxina en la ramilla. La pregunta que se debe hacer es: ¿requiere de estímulos cualitativamente diferentes la iniciación de raíces y tallos? Es decir, ¿son los estímulos formadores o iniciadores deraíz de diferentes clases que los formadores o iniciadores del tallo? Los experimentos de los fisiólogos americanos F. Skoog y C.O. Miller demuestran que la variación en las concentraciones relativas de dos diferentes hormonas, IAA y cinetina, determina la producción de raíces o de tallos en cultivos de callo de tabaco como se ve en la Figura 18-3 (ver también Figura 16-13). Estos resultados indican claramente que no hay necesidadde postular sustancias formadoras de órganos específicos. La desrepresión de la información que induce la formacih, sea de raíces o de tallos, se lleva a cabo claramente por los mismos agentes, IAA y citocininas, pero en concen-
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DESARROLLO
0.001
EN
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PLANTA
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1
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IAA, mg/litro
Figura 78-3. Interaccidn de IAA y cinetina en el crecimiento y desarrollo del callo de tabaco. (De las investigaciones de F . Skoog et al.)
traciones relativas diferentes. Se necesita más IAA para estimular el desarrollo de raíces, como lo demostró el experimento con estacas de sauce, y se necesita más citocinina para el desarrollo de tallos. Los experimentos de Skoog y sus colaboradores muestran también que el callo crece mucho más en presencia dealta concentración de IAA cualquiera sea la concentración de cinetina (Figura 18-3). Sin embargo, hay una diferencia cualitativa en el crecimiento. Con bajas concentraciones de cinetina el callo es “aguado”, compuesto por grandes c4lulasque han crecido por expansión. En presenciade 1 mg/litrode cinetina el callo es denso y compuesto de un gran número de pequeñas células meristemáticas. De modo similar, F.C. Steward y su grupo han mostrado que la adición de diferentes estímulos (fracciones aisladas del endosperm0 líquido del coco o del castaño de Indias, solas o juntas con hormonas naturales o sintéticas) determinan que diversos cultivos de tejidos vegetales crezcan siguiendo diferentes caminos: ya sea por división o alargamiento celular. Así es que no hay hormonas específicas para la división o para el alargamiento; tambi6n aquí la respuesta es determinada por las concentraciones relativas de las sustancias de crecimiento que ocurren normalmente, o por sus sustitutos. No todos los tejidos responden igualmente en el laboratorio. Parece probable que no se trata de que falte un factor desconocido, sino que aún no se descubre la combinación precisa de factores del crecimiento y de sus circunstancias. La complejidad de esta situación puede ilustrarse por las referencias sobre
PATRONES
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tumores vegetales producidos por labacteria inductora de tumores Agrobacterium o irritadas sonsustumefaciens. Las células de muchas plantas que han sido dañadas ceptibles a la infección por labacteria. Después de Bsta aparecen tumores que finalmente llegan aencontrarse libres del organismo infeccioso que muere, 7 pueden aparecer tumores secundariosestériles en otros lugaresdela planta, Estos pueden ser cultivadosy bajo condiciones normales no revierten a uncrecimiento normal. Si el organismocausalmuereporelevación Grmica despuésdeun corto tiempo, puede ser que los tumores reviertan parcialmente a formas de desarrollo tipo organoide; al parecer la capacidad de crecimiento normal no se ha perdido totalmente sino solamente está enmascarada. Los fisiólogos americanosW.R. Sharp y J.E. Gunkel han desarrolladorecientemente un sistema interesante usando dos especies de tabaco, Nicotiana gkzuca y N. Langsdorffii y un hllrido de ambas. Aparecen una gran cantidad de diferentes tipos de tumores, espontáneamente después deuna herida, o como resultado de la infección por cepas de A . tumefaciens. Las diferencias entre estos tipos de tumores incluyen sugradode autonomía (sus necesidades de nutrientes orgánicos específicos o de factores del crecimiento), su habilidad de organizarse al grado de producir órganos, estructuras organoides o nuevas plantas completas y su tendencia a producircrecimiento canceroso en la planta intacta. En la Figura 18-4se ilustran estos tipos de tumores.Cada tipo tumorales estable y crece in vitro, pero muchos de ellos pueden convertirse en otras forma9 (por ejemplo, pasar de amorfo a organoide, o de callo organoide a planta intacta) por la adición de nitrógeno orgánico, vitaminas, la hormona IAA o por golpe (shock) de calor (Figura 18-4,números 12 y 13). A s í que estos sistemas pueden cambiarde un estado estable a otro. Ya que son interconvertibles, todos contienen la misma información genética, así que este sistema constituye un modelo valioso usado para estudiar los patrones metabólicos en varios tipos de tumores y los mecanismos que los interconvierten. Uno de los retos serios que la agricultura moderna ha lanzado ala fisiología vegetal es la necesidad de efectuar clonaciones de especímenes muy ventajosos de plantas cultivadas. Por ejemplo una planta mutante de cereal puede ser más corta o más vigorosa o producir más grano que las que estánen el campo. Esta predisposición puede serdiffcil aislar o de recobrar por experimentos de hibridacibn y ciertamente tomaria su tiempo. Las t6cnicas de cultivo de tejidos permiten hoy desarrollar masivamentenuevasplantulillasapartir de cdlulasaisladas o decultivos celulares de esa planta, acortando mucho el tiempo preciso para llegar a probary producir un nuevo cultivar. Pero muchos cultivos celulares son difíciles de desarrollar.Algunos forman solamente tallos, pero no raíces; otros solamente forman raíces. Actualmente se llevan a cabo en todo elmundo muchos programas de investigación para estudiarel desarrollo de las plantas; en China, particularmente, se han desarrollado maneras ingeniosasde iniciar y promover el crecimiento de tallo y raíz a partir de callo por medio de tratamientos químicos y hormonales o por shock fisiológico.
DESARROLLO DE LA RAfZ EL MERISTEM0 TERMINAL. El crecimiento de la raíz es simple comparado con el del tallo. Dado que el meristemo radical produce solamenteun eje, no se ramifica, asi que la raíz no tiene nudos. Hay cierta discusión sobreel tamaño del meristemo. Algunos experimentos sugieren que tan sólo una o muy pocas c4lulas originan fi-
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LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 18-4. Tejidos de Nicotiana glauca, N. langsdorffii y el híbrido entre ellas despuésde 4 semanas en cultivo. (1) Callo de medula de N. glauca (verde pálido, esponjoso). (2) Tumor de agalla de N. glauca (cepa B-6) (amofo, blanco, duro). (3) Tumor de agalla de N. glauca (cepa T-37) (Organoide, blanco verdoso, suave). (4) Callo de medula de N. langsdorffii (amorfo, verde pálido, duro). (5) Tumor de agalla B-6 de N. langsdorffii (amorfo, blanco, esponjoso). (6) Tumor de agalla T-37 de N. langsdorffii (organoide, blanco-verdoso, suave). (7) Callo de medula híbrido (organoide, blancoverdoso, suave). ( 8 ) Tumor de agalla B-6 híbrido (amorfo, blanco amarillento,duro). (9) Tumor de agalla T-37 (organoide, blanco-verdoso, suave). (10) Tumor seminal híbrido (amorfo, verde pálido, duro). (11) Tumorespontáneo híbrido (organoide,blanco-verdoso, duro). (12) TUmor de agalla B-6 de N, glaucaquehasidotransformado por golpe("shock")decalorde amorfo a organoide. (13) Tumor de agalla B-6 de N. langsdorffii en estado temprano de transW.R. Sharp y formaci6n de amorfo a organoidedespuesdelgolpe("shock")decalor.(De J.E. Gunckel: Plant Physiol., 44:1073-79 (1969).Con permiso. Fotografías por cortesía de J.E. Gunckel.)
DESARROLLO PATRONES DE
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nalmente a todas las célulasde la raíz. El fisiólogo americano R.T. Brumfield trató ápices de raíz con rayos X, causando anomalías cromosómicas en ciertas células que podían detectarse al microscopio. Todas las células derivadas de una inicial “marcada” estarían también marcadas, así que se podía seguir la distribución dela progenie de células iniciales específicas. Entonces se dejó que la raíz creciera por un tiempo, tras de locual se la examinó cuidadosamente. Los experimentos de Brumfield sugieren que solamente unas pocas ”quizás sólo tres- células iniciales son finalmente las responsables de la producción de todas las células de laraíz. Experimentos posteriores del citólogo británico F.A.L. Clowes dan otra conclusión. Las raíces se trataron con timidina marcada con el isótopo radioactivo del hidrógeno, tritium (3H). La timidina se utiliza en la síntesis del DNA, pero no en la del RNA, así que las c4lulas quesintetizan DNA al prepararse parala división celular toman timidina-3Hy pueden identificarse por la tRcnica de autorradiografía de tejid.os. En esta técnica un corte delgado o una preparación de tejido aplastado se coloca en un portaobjeto y se cubre con una emulsibnfotográfica sensitiva a las radiaciones (partículas 0) emitidas por el tritium. Despuésde un tiempo la película (por lo general aún en el portaobjeto) se revela. La localización del tritium en el tejido y dentro de las células puede verse porque la emulsión se oscurece como se ve en la Figura 18-5. Los experimentos de Clowes demuestranla existencia de un centro inactivo que consiste en cierto número de céJulasque no se dividen, localizado justo detrás del ápice de la raíz (Figura 18-5). Este está rodeado por un grupo o capa de c4lulas en división que dan origen a columnas de c4lulas que forman los tejidos de la raíz. La punta de ésta está protegida por la cofia; ésta se desarrolla a partir de un meristem0 cerca de la superficie apical de la raíz que produce nuevas c4lulas en el centro para reemplazar a las de la superficieexterna que sufren desgasteo abrasión al crecer la raíz. DEL CRECIMIENTO RADICAL. Al parecer el crecimiento de la raíz está CONTROL normalmente bajo el control dela concentración dela auxina, pero esto no es de seguro. Hace muchosaños el fisiólogo americanoP.R. White, logró cultivar ápices raíz de tomatero enun medio relativamente simple, con sales, azúcar y extracto de levadura de cerveza. Aparentemente lasraíces crecían indefinidamente, así que si necesitaba un suministro de IAA ellas debían sintetizarlo. Sinembargonose tiene unaevidencia concluyente dequehay síntesis naturalde IAA en la raíz. Por lo general el IAA se requiere en cantidad muy pequeña y realmente la dificultad puede radicar en su detección y análisis. Es claro que en circunstancias normales el IAA se transporta del tallo a la raíz. Aunque se necesita IAA para el alargamiento radical, su concentración en las raíces de plantas intactas está normalmente bastante porencimade la concentración óptima quees extremadamente baja. A s í que esdifícil determinar lanecesidadde auxina de raíces no aisladas de la planta. La presencia de citocininas es necesaria en las raíces para la división celular. Como en otros tejidos, probablemente el tipo y velocidad del crecimiento dependen no sólo dela presencia de dichas hormonas sino del balance entre ellas. El fisiólogo sueco H.Burstrom ha sugerido que la auxina controla el crecimiento de la raíz a través de dos efectos separados, al encontrar que aquélla acelera el crecimiento del ápice de la raíz al principio pero inhibe su expansión posterior. Esta aparente dualidad de acción se puede deber al cambio en las concentraciones de otros factores del crecimiento, tales como las citocininas.
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LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 18-5. Autorradiografía deunasecci6ndeápicede raíz de Sinapis marcada con timidit~a-~ H, mostrando la localización delas dlulas endivisi6nactiva. Las dlulas en divisi6nestán sintetizando D N A y han incorporado timidinamarcada la cual se muestraenlaautorradiografía.Nóteseelcentroenreposo dondenoocurrendivisiones. (De F.A.L. Clowes y B.E. Juniper: Plant Cells. BlackwellScientificPublications, Oxford y Edinburgo. 1968. Con permiso.)
DIFERENCIACI~N DE LOS TEJIDOS. Mientras las columnas de celdas generadas por el meristemo en la punta de la raíz van quedando atrás, conforme avanza la punta empiezan a alargarse y a diferenciarse en los diversos tejidos característicos de la raíz madura: epidermis, corteza y estela. La estela está constituida por xilema que forma un eje central en forma de estrella con columnas de floema entre los picos de la estrella, todo ello circundado por el periciclo. El diseño del xilema puede ser diarco (con dos picos), triarco (con tres), tetrarco (con cuatro),pentarco (con cinco), etc. (ver Capítulo 4, página 86). El patrón de organización preciso delos tejidos lleva a dos preguntas importantes sobre el desarrollo de la raíz: 1) ¿el patrón de organización delas células en desarrollo lo establece el meristemo (o sea a partir de la punta), o las células ya
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PATRONES
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diferenciadas en la porción vieja de la ralz?, 2) ¿el estimulo para unadiferenciación especifica se transmite directamente de c6lula a c6lula o se determina por la emisión de hormonas o factores del crecimiento, sea del ápice o de la base, que actúan en c6lulas alejadasdel sitio en que se producen? Las investigacionesdelfisiólogoamericano J.G. Torrey serelacionan con ambas preguntas. Aisló pedazos muy pequeños de ápice de raíz de chícharo que aún no empezaba a formar tejido vascular y los cultivó in vitro. Muchos de estos ápices siguieron el patrón triarco normal del tejido vascular pero algunos formaron diarcos y aun monarcos. Al ir creciendo, las raíces con diarco o monarco revirtieron con el tiempo al patrón triarco. Esto demuestra que el patrón se establece en la acción del ápice o a través de ella, y no como resultado de la influencia del tejido maduro. Algunos de los ápices de raíz cambiaron de patrón como respuesta al corte pero la alteración no se mantuvo y retornaron al patrón normal al seguircreciendo la raíz. En experimentos complementarios Torrey quitó el ápice a la raíz y dejó que regenerarauno nuevo. El diseño o arreglo del sistema vascular dado por elnuevo ápice no era siempre igual al del tejido viejo, y si se adicionabaauxina (lo-’ M IAA) al medio de cultivo se formaba un tejido vascular hexarco. Esto afirma la idea de que las fitohormonas, incluyendo posiblemente (pero no necesariamente) al IAA, están relacionadas con el establecimiento del patrón del tejido vascular. El tamaño del meristemo, que es probablementeafectado por factores del crecimiento, parece influenciar al patrón de vascularizacióndirectamente o a través de la producción de hormonas. El patrón del tejido vascular secundario sigueel patrón del vascular primario pero su desarrollo no es automático. Se ha advertido que el tejido vascular secundario no se desarrolla en raíces en medio de cultivo sin importar lo viejas que sean o cuánto hayan crecido. Las raíces demuchas plantas, particularmente aquellas que como elrábanodesarrollannormalmente raíces grandes,engruesanmásen condiciones de días cortos. Esto sugiere que factores provenientes de las hojas (o al menos que resultan de la percepción de los días cortos por las hojas y su reacción consiguiente) son los responsables del desarrollo decambiumsecundario y tejido vascular secundario en la raíz. Se han efectuado experimentos adicionando IAA a alta concentración M ) junto con solución desacarosa y sedetermina la iniciación de cambium secundario en algunas raíces y se le estimula a dividirse con formación de xilema y floema secundarios. Ciertas raíces requierentambi6npequeñascantidades de citocininas y un hexitol cíclico (mioinositol) para obtener un desarrollo secundario adecuado.Estos puntos ilustran una vez más la necesidad de un balance preciso entre diversos productos nutricionales y estimulantesparaalcanzar un tipo precisode crecimiento. Hacensospecharmucho(perono prueban) quealgunos 0 muchos de estos factores sederivandel tallo. Apartede los carbohidratospara su nutrición y probablemente devarios factores del crecimiento, las raíces dependen del tallo para la provisión de vitaminas B (tiamina y ácid0 nicotinico) requeridas para el crecimiento y posiblemente para ciertos aminoácidos. RAfCEs LATERALES. La ramificación en la raíz ocurre por un mecanismo simple. El meristemo no se divide o ramifica, pero a cierta distancia por detrás de61,en una región donde ya está definida la diferenciación vascular, aparecen nuevos meristemos a intervalos más o menosregularesen el periciclo. Generalmente estas
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LA PLANTA EN DESARROLLO
áreas están junto a los picos de la estrella del xilema u opuestas a ellos, así que las raíces tipo triarco tienen generalmente tres hilerasde raíces secundarias, lasde tipo tetrarco tienen cuatro hileras, etc. El nuevo meristemo se diferencia y crece hacia fuera a través de la corteza y sus elementos vasculares se integran o conectan con el sistema vascular del eje principal por diferenciación de las cdlulas yacentes bajo é1 (Figura 4-9). L a evidencia indica que la iniciación de las raíces laterales está controlada por la a u i n a , presuntamente suministrada por la parte superior y muy probablemente en balance con la concentración de citocinina que se produce en la punta de la raiz. Es aquí que la formación de raíces secundarias se inhibe cerca dela punta de la raíz, donde es más baja la concentración de auxinas y mAs alta la concentración de citocininas. Más arriba dela raíz prevalecen concentraciones más altas de auxinas y menores de citocininas, y el balance más favorable de estos dos reguladores determina la iniciación de raíces secundarias. Éstas se inician con frecuencia a intervalos regulares lo que, junto con su relación con el patrón del protoxilema del eje principal, da al concepto deque los gradientes delassustancias transportadas tienen importante papel en dicha iniciación una base sólida. Los experimentos han demostrado quela formación de raíces secundarias puede ser controlada, sin ninguna duda, por la adición de auxina. DESARROLLO DEL TALLO EL MERISTEM0 TERMINAL. El meristemo apical del tallo no solamente produce a éste sino también a las hojas, ramas y otros apéndices del tallo. A diferencia de lo que ocurre en ]la raíz, todas las ramas y apéndices se originan en la superficie del meristemo terminal como salientes de &te segúnseveenla Figura 18 -6. Por lo tanto, el meristemo apical es de una estructura mucho más compleja que el de la raíz; pero, como éste, es muy pequeño, en general de no más de 1 mm de diámetro. Los primordios de lashojas se forman a intervalos regularesy el tallo se divide en nudos en los puntos en que se insertan las hojas; al principio los entrenudos son muy cortos. El alargamiento del tallo ocurre después que se forman las hojas; en ciertas plantas los entrenudos nunca se alargan,resultando un hábito de crecimient o característico bulboso o en roseta. La organización de la división celular en el meristemo ha sugerido la teoría túnica-cuerpo (ver Capítulo 4, página 79). La capa o capas, externa decélulas (túnica) se separa por divisiones anticlinales (en tingulo recto con la superficie) y forma principalmente la epidermis del órgano derivadodel meristemo. Las células del cuerpo que yacen dentro de la túnica se divideninicialmente al parecer al azar y más tarde con una orientación que produce hileras de células que finalmente forman la mayoría de los tejidos internos del nuevo tallo. La formación de primordios que darán origen a yemas, nuevos vástagos u hojas, incluye a ambos tejidos. El aumento en las divisiones periclinales del cuerpo causa la proyección de salientes que forman el nuevo meristemo; el aumento en las divisiones anticlinales de la túnica le permite empujarse hacia afuera y agrandarse para recubrir al cuerpo que se va agrandando bajo ella. Aúnnosepuede decir cuál es el primer proceso pero es posible que primero se agrande el cuerpo y luego se desarrolle la túnica. DESARROLLODEL TALLO. El alargamiento del tallo es un fenómeno complejo muy influenciado por los factores ambientales y controlado por las fitohormonas.
PATRONES DE DESARROLLO
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Figura 18-6. Micrografía de microscopio de barrido del Bpice del tallo de la enredaderasueca (Plectranthus australis) X 250. Pueden verse dos pares opuestos de primordios de hojas rodeando al meristemo. Las hojas m& viejas (externas) se han disecado para revelar el meristemo apical.
(Fotografia original suministrada atentamente por el Dr. R.L.. Peterson. Universidad de Guelph, Ontario.)
Como se podría esperar, hay muchos patrones de desarrollo no tan sólo entre las diferentes plantas sino aun entre los diferentes entrenudos de una planta. No parece probable que haya diferencias cualitativas en la respuesta de las diferentes partes de una planta sino que serían diferencias cuantitativas en los niveles de los factores reguladores del desarrollo. Hace mucho que se sabe que las auxinas afectan el alargamiento del tallo. Como se describió previamente (Capítulo 16, página 421) los coleóptilos sonen extremo reactivos a l IAA y hayuna fuerte correlación positiva entre la tasa de alargamiento del tallo de algunas plantas y la cantidad de IAA que contienen, como se veen la Figura 1 8 - 7 . De hecho, el crecimiento de cortes de tallo de chícharo in vitro seusó como bioensayo para IAA. Generalmente las plantas intactas no reaccionan a la aplicación de auxina aumentando su crecimiento, probablemente porque ya contienen concentraciones óptimas de IAA suministradas por ápice del tallo. Si se quita la yema terminal, el crecimiento cesa; si se aplica IAA se reinicia; parece pues que el IAA es necesario para el alargamiento normal de los tejidos del tallo. La giberelina tambih afecta al crecimiento del tallo, pero de manera diferente. Entanto quela auxina causa alargamiento, primordialmente por causar alargamiento celular, las giberelinas lo estimulan tanto como la división celular. La Figura 18-8 muestra la respuesta del ápice en crecimiento de Sumolus puruiflorus a la aplicación de ácid0 giberélico; el gran aumento en divisiones celulares justo
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Figura 18-7. Comparaci6n de producción de auxina difusible y crecimiento el en epicotilo del chícharo Alaska (Pisum sativum) (Redibujado con permiso de T.K. Scott y W.R. Briggs. Auxin relationships in Alaska pea (Pisum Sativum) Am, J. Bot. 47~492-99, 1960).
por debajo del ápice es evidente. Esta planta tiene hábito de crecimiento en roseta; la aplicación de ácido giberblico la fuerza a crecer alta. Se recordará que muchas plantas genéticamente enanas crecen tan altas como sus contrapartes normales con adición de ácido giberélico. En las plantas enroseta, como en las plantas genbticamente“achaparradas” o enanas, la producciónendógenade ácido giberdlicoes muy baja. Como sucede con el IAA, existe correlación entre la cantidad de ácido giberblico presente enel tallo y la tasa de crecimiento como se muestra en la Figura 18-9.Se puede concluir que el ácido giberélico toma parte normalmente en el crecimiento de aquél. Ya que tanto el IAA como el icido gibedlico afectan el desarrollo del tallo, surge naturalmente el problema de su interacción. Los tallos de plantas intactas generalmente reaccionan al ácido giberblico perono al IAA. Por otra parte, las porciones de tallo cortadas que reaccionan al IAA por lo general no son afectadas por el icido giberblico. Pero cuando ambos productos se añaden simultáneamente a secciones de tallo, la reacción es mucho mayor que con IAA solo. Es evidente que Figura 18-8. Número y posición defiguras mitósicas, indicadas por puntos, enlamediana a 641.1 del ápice de Samolus parviflorus a continuación de la aplicaci6n de &ido giberdlico (25pg de &ido giber6lico se aplicaron a los O, 24 y 48 hr). (De R.M. Sachs, C.F. Bretz y A. Lang: Am. J. Bot, 46:376-84. 1959. Con permiso.)
Distribución de la división celular
PATRONES DE DESARROLLO
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5
3
4
2
1
Par de hoiadnumero de entrenudo
tipo del Figura 18-9. Relaci6nentrelascantidadesdesustanciasdel ácido giberelico (Tipo-GA)obtenidas de los pares de hojas A a D , yemas y las tasas de apicales y entrenudos 1 a 4 deplantasadultasdegirasol crecimiento de entrenudos comparables.0-0 material tipo-GA difusible de las yemas apicales y pares de hojas A a D. A-A Material tipo-GA diporcentajedeincrementoen fundido de los entrenudos 5 a 1 . longitud del entrenudo. (De R.L. Jones y I.D.J. Phillips: Plant Physiol, 41:1381-86. 1966. Con permiso.)
*-o
la presencia de la auxina (endógena en el tallo intacto, adicionada en las secciones de éste) es necesaria para que la giberelina ejerza todo su efecto. Tambih parece probable que la citocinina suministrada a las raíces es importante para estimularel crecimiento y la diferenciación en los tallos. De nuevo se enfatiza la importancia del balance entre las diferentes sustancias de crecimiento, Sin embargo, aúnse está lejos de entender esta interacción en el control del crecimiento del tallo. PRIMORDIOS DE LAS HOJAS. Enla periferiadelmeristem0aparecensalientes o elevaciones siguiendoun patrón regular. Cuando lashojas se tienen por pares (arreglo en hojas opuestas) cada par aparece por lo general en ánado recto respecto al precedente. Pero cuando se tienen de una en una el arreglo es un POCO más complejo. La distancia angular entre un primordio y elsiguiente determina el ángulo entre las hojas sucesivas. El arreglo de éstos en el tallo se denomina la filotaxia de la planta. Las que quedan directamente arriba una de otra están en una ortostiquia del tallo. La descripción de la filotaxia de una planta se logra mejor siguiendo una línea en espiral a través delos primordios foliaresen el orden en el que aparecen, como en la Figura 18 -10. La filotaxia se describe por larelación existente entre el número de vueltas de la espiral entre dos hojas en la misma ortostiquia y el número de primordios foliares por los que pasa la línea espiral. Así, una planta con hojas alternas en dos ortostiquias tendrá una filotaxia de 1/2y en tres ortostiquias de 1/3. Rara vez se
LA PLANTA EN DESARROLLO
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511 3
Fiyura 18-10. Diseños de filotaxias.
ve un sistema filotáctico de 1/4; normalmente el siguienteenlaserieesde 2/5 (cinco hileras de hojas, dos espirales completas entre las hojas que están directamente una sobre la otra). La serie 1/2, 1/3,2/5,3/8,5/13,8/21.. . se denomina serie de Fibonacci. En esta serie, tanto elnumerador como el denominador de cada término representa la sumade los numeradores o denominadores, respectivamente, de los dos thrminos precedentes. El Angulo entre las hojas sucesivas en la misma espiral se aproxima a un límite de 137” 30’ 28” y en este punto se producirá una serie infinita de hojas en forma tal que no habrá dos quequedenprecisamente una sobre otra. Puede haber cierta ventaja respecto a la eficiencia en la absorción de la luz si las hojas se arreglan de modo que no se sobrepongan; sin embargo, es improbable
PATRONES
473
que la precisión del crecimiento de la planta sea tal que dé lugar a diferencias más allá de filotaxias de 5/13 o de 8/21. En realidad es muydifícil determinar con precisión la filotaxia de las plantas con un arreglo espiral más complejo. Pero sin importar lo compleja que seala filotaxia, la organización de las hojas es tan precisa que se ha usado para medir el tiempo no linear en el desarrollo. Esto se hace usando como unidad de tiempo al plastocrono, el intervalo de tiempo entre la iniciación de hojas sucesivas. Se han hecho numerosos intentos de analizar matemáticamente la filotaxia y parece probable que eventualmente se tendrá cierta comprensión de las causas de los arreglos tan altamente específicos que se encuentran en las diferentes plantas. Sin embargo,la causa subyacente de tal arreglo aún no está clara. Las explicaciones más probables lo relacionan con la organización del merisseñal positiva paraactivar la formación temo. Una posibilidad es que se requiera una del primordiofoliar en un tiempo y un lugar específicos. Alternativamente,las áreas no destinadas a formar primordios deben suprimirse.La presencia de un “estímulo iniciador de hojas’’espiralado seha propuesto por razonesteóricas, pero no hay evidencias que la sostengan. Como se ha visto, el concepto de sustancias formadoras de órganos no tiene una base firme en los hechos. Otras teorías se relacionan con la idea del espacio disponible.El arreglo de lashojas de acuerdo con los tkrminos superiores de la serie de Fibonacci determina un espaciamiento máximo entre los primordios y se ha sugerido quelos primordios se desarrollan solamente cuando está disponible un cierto espacio mínimo. Éste podría serun espacio físico. Por ejemplo, podría ser necesario que hubiese un cierto número de cblulas sin destino predeterminado antes que la iniciación del primordio pudiese ocurrir, o deberse a esfuerzos de tensi6n en el meristemo como resultado del desarrollode primordios anteriores. A su vez, el espacio disponiblepodría definirse en tdrminos de influencia de inhibidores o promotores, o la interacción de ambos, producidos por primordios anteriores ya presentes. En la actualidad no es posible decidir cuál de estas posibilidades es la correcta. Los fisiólogos británicos R. y M.Snow hicieron experimentos con el ápice del trébol lupino blanco (Lupinus albus) en los que si se aislan las áreas en que se espera que aparezcan primordios (haciendo cortes radicales en el ápice) &tos no sedesarrollancuando el áreaaisladaesdemasiado pequeña, Esto sugiereque el tamaño del espacio físico disponible esimportante. Por otra parte el morfólogo británico C.W. Wardlaw demostró en ápices de helecho que aislando por corte un primordio en el ápice crece másrápidamente que el normal, lo cual sugiere que los primordios cercanos producen normalmente sustancias inhibitorias. Tambibn demostró que si se aísla por corte el espacio donde se lo espera se forma un primordio de botón en lugar de uno de hoja. Esto sugiere que, como enel callo de tabaco, la interacción de diferentes estímulos, quizá de diferentes áreas del ápice, juega un papel en la determinación de los primordios que empiezansu desarrollo. Desafortunadamente latécnica de corte tiene severas limitaciones pues pueden formarse hormonas traumáticas quetoman parte en la regeneración y puede presentarse un metabolismo anormal producido por ellas O por compuestos producidos en el metabolismo de 10s tejidos en regeneración. El resultado es que no se puede llegar a una conclusión firme con respecto a 10s factores causales de la organización delmeristem0 apical. DIFERENCIACI~N.El tejido provascular, inicialmente procambial, empieza a diferenciarse por detrás y muy junto al meristemo, pero las hileras de tejido vascular
DESARROLLO 474
EN
PLANTA
LA
no se originan a partir de la cúpula central del meristemo. En vez de ello, forman columnas por debajo de los primordios foliares o rameales y generalmente dejan de lado al meristemo central ascendiendo por los aphdices en desarrollo. En las dicotiled6neas el tejido vascular forma un cilindro y las proyecciones o salientes de este tejido que van hacia las hojas o ramas se denominanrastros foliares o rameales. El vacío que Geja el rastro foliar donde se ramifica o separa del cilindro central vascular se denomina laguna foliar. Como el tejido vascular del cilindro central se cierra de nuevo por arriba de cada rastro foliar, la laguna foliar aparece como una “ventanita” en el cilindro (ver Figura 18-11). El tejido provascular no se forma todo a la misma velocidad ni tiene el mismo patrón. Las c6lulas del floema primario maduran en sentido acrop6talo -hacia el ápice- y la diferenciación del floema sigue al rastro foliar del tallo hacia arriba al eje de la hoja. El xilema tiene otro patrón. Madura primero cerca del punto en que la ho.ia se une al eje principal del tallo y luego hacia arriba y hacia abajo. Las células cambiales retienen sus características meristemáticas (pared delgada, vacuolas pequeñas, etc.) en tanto que las célulasde floema y xilema sufren los cambios característicos al ir desarrollándose como tejido conductor maduro (ver Capítulo 4, página 80). Como en la raíz, existen preguntas por contestar: ¿están destinadas ciertas células a devenir xilema, floema, corteza, médula, etc., o bien son forzadas a ello como resultado de fuerzas externas? Y si es así, ¿qué factores o fuerzas influyen en su diferenciación y dónde se origina, en el meristemo o en los tejidos previamente diferenciados? Se han efectuado varios experimentos con respecto a estos problemas. Wardlaw y sus colaboradores efectuaron experimentos por corte aislandola porción central del meristemo de sus primordios foliares y su tejido vascular asociado. El rneristemo continuó creciendo y produjo nuevos primordios foliares que desarrollaron hileras de pro-cambium no asociadas con el tejido vascular preexistente. Los experimentos del fisiólogo francés G. Camus demostraron que las yemas se desarrollan espontáneamente en tejido de callo de achicoria o de diente de león culti-
/
,
Medula Xilema Cambium
-Floema
,
Laguna foliar
Rastro
Figura 18-11. Diagrama de la anatomía del tejido vascularen un tallo de dicotiledónea laguna mostrando un rastro foliar Y una foliar.
PATRONES DE DESARROLLO
47 5
vado in vitro, y queéstas tenían tejido vascularorganizado. Más aún,encontró que si se implanta una yema pequeña en un pedazo de callo, se induce en&te, por debajo de la yema, tejido vascular uue se conecta con el de la yema. Estos experimentos fundamentan la conclusión deque, como en la raíz, elagente que afecta la diferenciación tisular viene del meristemo del &pice del tallo y no se origina más abajo. Esta idea y particularmente los experimentos de Camus descartan la posibiinlidad de una “predeterminación” de las células. Es claro que cualquier cdlula, cluso las de los callos, pueden programarse para transformarse en tejido vascular. La siguiente pregunta que se debe responder es la de la naturaleza del agente por el cual el meristemo controla los diversos tejidos que yacen debajo de él. El fisiólogo americano W.P. Jacobs encontró una relación muy estrecha entrela proen cicatriducción de auxina en las hojas y la renegación del xilema de una herida zación en el tallo. Tambibn encontró una estrecha correlación respecto al tiempo entre la tasa de producción deIAA y la tasa de formación de elementos del xilema en las hojas jóvenes. Sus investigaciones lo llevaron a sugerir que la formaci6n del xilema está afectada, de algún modo, por la doble influencia de la auxina que se mueve hacia abajo del tallo y de los nutrientes derivados de la fotosíntesis en las hojas maduras que se mueven hacia arriba. El fisiólogo americano R.H. Wetmore y sus colaboradores, particularmente J.P. Rier, demostraron quelas yemas injertadas en eltejido de callo de tallo de l i i inducen tejido vascular en el callo, de modo similar a los experimentos deCamus en achicoria. Luego encontró queuna gota de solución de IAA enlugardeuna yema injertada también induce tejido vascular en el callo. Más aún, se encontró que es necesaria la presencia deun azúcar para la induccióny que la concentración de azúcar (1.5 a 2.5%) causa formación de xilema; la alta concentración(3 a 4%) causa formación del floema, y las concentraciones intermedias inducenpor lo general xilema y floema con cambium entre ambos. Por lo general el tejido vascular se diferencia en nódulos espaciados en un círculo más o menos regularmente en el tejido del callo por debajo de donde se aplicó la auxina y el azúcar, comose veenla Figura 18-12. El d h e t r o del anillo de tejido vascular fue proporcional a la concentración de auxina aplicaday la orientación de los tejidosen los nódulos y el floema hacia fuera. era tal que el xilema estaba hacia el centro Estos resultados indican que la diferenciación de los tejidos vasculares, así como el diámetro del cilindro vascular están controlados por una interacción de IAA y azúcares. Así, el agente de control se deriva del meristemo, pero los nuMentes interactuantes deben venir de la parte inferior. Parece probable que los efectos de la concentración de azúcar se asocien con la concentración de azúcar normal en el tejido vascular: alta en el floema y baja en el xilema. De este modo, el floema es inducidopor el floema preexistentey el xilema por el xilema preexistente según lo determina esa concentración. La diferenciación deltejido secundario requiere la formación de nuevo cambium. Los experimentos de J.G. Torrey y R.S. Loomis con raíz de Abano desarrolladaencultivo in vitro demostraronquenosolamentesonnecesarios IAA y sacarosa sino también una citocinina y ciclitol, tal como el mioinositol. La concentración de azúcar no fue crítica y el ciclitol no completamente esencial, pero sí altamente ventajoso. Los requerimientos dea h a y de citocininafueron absolutos. Se Cree que para que la división celular sea estimulada se requieren ambas fitohormonas en concentraciones óptimas. La subsecuente diferenciacibn celular y tisularpuedeserdeterminadaporlaexpresióndelainformacióngenéticaya
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LA PLANTA EN DESARROLLO Auxina y azúcar en agar
I
1.5-2mm.
5-5.5mm.
Figura 18-12. Estereograma de un pedazo de callo de Syringa vulgaris. A un Brea pequeña encimadelcallo se aplicaunaauxina y azúcar(enelexperimento0.1mg/litrode NAA y 3%de sacarosa) en agar al 1 % y las mismas concentraciones se tienen en el medio. N6tese la posici6n del circulo de n6dulosde 1.5 a 2 mm del ápice, cada uno de los cualesmuestratraqueidas Abajo hacia el centro y elementoscribososhacia la periferia (no sevenenelestereograma). del medio se encuentran nódulos que pueden ser de forma esfdrica o irregular o incluso parecer hilerascortasdistribuidas al azar.Característicamenteestosn6dulosmuestranxilemahacia el medio y floema hacia fuera. El diemetro del círculo superior de nódulos aumenta con la concentración de auxinadentrode los límitesfisiol6gicos. Lascantidadesrelativasdexilema o floemaen los nódulos, sea enel círculo o abajodel medio, dependede la concentraci6n del azúcar;bajasconcentracionesdesacarosa (1-2.5%) favorecen la formación de xilema;concentraciones más altas (3.5%enadelante)favorecenal floema y lasconcentracionesintermedias favorecen a ambos. Este callo se mató para ser estudiado 35 dias despuesde la aplicación delagar con auxina-azúcar. (De R.H. Wetmore y J.P. Rier: Am. J. Bot. 50:418-30. 1963. Con permiso. Fotografía cortesía de R.H. Wetmore.)
programada y modificada por la posición de cada célula en el tejido. Por lo tanto, las hormonas son necesarias para iniciar el proceso, pero los estadios siguientes prosiguen automáticamente. El estudio precedente sugiere que la orientación y el desarrollo de lostejidos vasculares están bajo el control externo de los tejidos que los rodean y de los gradientes que les imponen. Sin embargo, los experimentos del embriólogo canadiense T.A.Steeves y sus colaboradores indican que el cambium de tallo maduro puede poseer un alto grado de autonomía. Dela corteza de varios tallos se desprendieron pequeños pedazos cuadrados y se reinjertaron en el mismo lugar, pero orientados a 90" o 180" desu posición original. El cambium de estos pedacitos con-
PATRONES
DESARROLLO
47 7
tinuó funcionando normalmente, produciendo nuevoxilema y floema secundarios, pero según su propia orientación y no alineado según la orientación del tallo. Esto demuestra que cualesquiera sean los factores externos que hayan iniciado el desarrollo de tejidos vasculares, unavez formados retienenun alto grado de autonomía y resisten a un reacomodo según los gradientes o según los sistemas de flujo del tallo en que se injerta.
DESARROLLO DE LAS HOJAS Las hojas empiezan como primordios en forma de cúpula o de chichón en el meristemo apical del tallo e inicialmente crecen en forma casi cilíndrica. Pasado un corto tiempo se desarrollan meristemos laterales que crecen hacia los lados dando a la hoja su forma laminar. Los meristemos laterales crecen más o menos rápidamente en diferentes posiciones a lo largo del borde de la hoja dando así la forma característica a cada una. La rapidez del crecimiento puede estar relacionada con la nutrición porque a menudo el crecimiento es mayor en el punto opuesto al término de lasnervadurasmayores.Unaalternativaesquesepodríantransportar fitohormonas por las nervaduras y que actúen más enérgicamente en su extremo estimulando el crecimiento. Las variaciones posibles son muchas, además de las hojas normales, se pueden formar brácteas, escamas, partes florales o cualesquiera de las muchas estructuras que se desarrollan a partir de hojas modificadas, como espinas y zarcillos. En muchas plantasla forma delas hojas está fijada firmemente y se encuentra muy poca variación, pero en otros tantos son heteróf'ilas, es decir que tienen hojas de formas diferentes. Algunaspasan de un tipo a otro gradualmente, en tanto que otras cambian abrupta y a veces sorpresivamente como se ve en la Figura 18-13. La heterofilia no es rara en las plantas acuáticas como Potumogeton en las queun tipo de hoja se desarrolla bajo el agua y otro muy distinto está enla parte adrea. La inferencia es que diversos factores, tanto internos como externos, pueden modificar la expresión de la información genética que determina la forma de la hoja. No obstante, la constancia de dicha forma en cualquier parte de la planta o bajo cualquier circunstancia indica que una vez que el programa se pone en marcha no se interrumpe con facilidad por los factoresexternos. La forma de la hoja es afectada por varios factores que incluyen la periodicidad, intensidad y calidad de luz. La percepción de luz morfogenética (en cuanto opuesta a luz fotosint6tica) se hace probablemente por el fitocromo que se analizarA en detalle en el Capítulo 19. Otros factores que afectan la forma de la hoja son las concentraciones de oxígeno y de dióxido de carbono. Éstos puedenser factores importantes de control de la forma de las hojas en las plantas heterófilas que crecen tanto por encima como por debajo del agua. Las concentraciones de dióxido de carbono y oxígeno también controlan la longitud delos pecíolos de las hojas flotantes como en el lirio acuático. No se sabe cómo operan estos estímulos, pero F. Went ha demostrado que elIAA afecta elcrecimiento linear de lahoja, particularmente la longitud de las nervaduras, y por lo tanto el área foliar y algunos aspectos de SU forma. Esto se fundamenta porque las plantas heterófilas generalmente muestran una progresión de formasde las hojas hacia arriba del eje sugiriendo la influencia de un gradiente de fitohormonas en el tallo (Figura 18-14). De hecho, la influencia de un gradiente de fitohormonas puede originarse en los primordios. Conforme crece el tallo, el meristem0 apical se demolla 0 ma-
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LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 18-14. Ejemplos de desarrollo heterof ilico. (A) Las primeras seis hojas de Delphinium de ajacis; (B) las primeras cinco hojas Ipomoeacaerulea; (C) las primerasocho hojas de la remolacha. (De E. Ashby: New Phytol., 47:153-76 1948. Con permiso.)
PATRONES
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dura y puede agrandarse considerablemente.Los primordios formados en un meristemo más grande o m& maduro sedn asimismom& grandes, tenddn un desarrollo inicial másrApido y responderán a su información genética de modo diferente a los que se forman m& temprano o sobre un meristemo más pequeñoo menos maduro. El tamaño del ápice afecta probablemente a las cantidades relativas de citocinina y auxina presentes afectandoasí la división celulary el patrón de desarrollo de la hoja. Estos cambios en el ápice pueden ser responsables en ciertas plantas del cambio final del estado vegetativoal reproductor. DESARROLLO FLORAL
El mecanismo de iniciaci6n floral se considerará en detalle en el Capítulo 20. La iniciaci6n floral es un evento que incluye un cambio total en las características y el patrón de desarrollo del meristemo. Los estímulos que inducen la floración son muchos y variados y pueden ser internos o externos (es decir, edad o estadio de desarrollo de la planta, así como periodicidad de la luz, temperatura, etcétera). Hay mucha discusión en la literatura sobre el florigén o los florígenes,sustancias que formarían las flores. En realidad todos los pasos del proceso de floraLo ción están programados en la totipotencialidad de las células meristemáticas. único que se necesita es un disparador o una desrepresión que ponga a desarrollar en las células el programa de floración. Unavezquehanempezado a cumplirlo, como la mayoría de los otros programas del desarrollo, el proceso es irreversible y automático. La capacidad de floración esinherente, como la capacidad de formar hojas. Lo que se requiere es la señal (una o varias de las fitohormonas ya conocidas, y quizás otras aún por descubrirse) para que cambie de un programa a otro. Parece existir la posibilidad de que ciertas células durmientesen el meristemo que son “arrastradas” hacia el &ice (parecidas a las del centro inactivo de la raíz) se activen y participen en la floración. El citólogo americano L.F. Randolph expuso granos de maíz a fuertes radiaciones ionizantes y luego las hizo germinar y desarrolló las plantas. Se detectaron ciertas anomalías en las hojas como resultado de daño por radiación a las células del embrión. Pero en las flores se encontraron otras anomalías diferentes, lo que sugiere que algunas dlulas, inicialmente presentes en las semillas, no tomaron parte en el crecimiento vegetativo sinoque tallo dondemástarde se activaron fueronllevadasalpuntodecrecimientodel para tomar parte en la floraci6n. Wetmoreobservóque la porción central del meristemo en ciertasplantas contiene grandes c4lulas durmientes, que haciael final de la inducción floral se activan y empiezan a dividirse dando células pequeñas. En otras palabras,unasdlulas que están latentes en el estado de crecimiento vegetativo del tallo se activan después de la inducción floral. Si esta ideaes correcta y las células están programadas específicamente con respectoal desarrollo floral, el estimulo para floración es redmente el estímulo para “encendido” de aquéllas. Pero esta situación realmente no involucra ningún principio nuevo: dichas células “florales” deben haberse originado inicialmente por divisiones de un zigote totipotencia] y no ha pafado m& que un aumento en la separaci6n, en el tiempo y en el espacio, entre los programas para desarrollo vegetativoy floral. Que la iniciacióny desarrollo de la floraci6n dependen del balance hormonal se ha demostrado por experimentos con yemas de Aquilegia (pajanta). Éstas pueden cultivarse in vitro y se despiertan, pero como se puede ver en la Figura 18-15,
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LA PLANTA EN DESARROLLO
PATRONES DE DESARROLLO
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Figura 18-16. Gesarrollo del ápice del tallodelpietano o banano (Musa acuminata var. Gros Michel) de (A)estado vegetativo a (C) estadode floración. Nótese c6mo en (B) el meristem0 se haagrandado y levantado. En(C) sonvisibles los primordiosflorales. (De W.G. Barker y F.C. Steward: Ann. Bot., 26:413-23 (1962). Fotografías cortesía del Prof. Steward.)
no se logra que lleguen a formar flores. Por razones desconocidas la presencia de los dpalos inhibe el desarrollo posterior: si se quitan los sépalos el desarrollo de la flor continúa. En un medio mineral fortificado con leche de coco y vitaminas ocurre cierto desarrollo, peropara que &te seamáximose necesita adicionar IAA, cinetiia y ácido giberélico. Muchos experimentos y observaciones han demostrado la naturaleza foliar al floral determide las partes florales. Sin embargo, el cambio del estado vegetativo na un cambio básico en la organización de los meristemos como se ve en la Figura 18-16. Los primordios de varios órganos-sépalos, pdtalos y carpelos- se forman
Figura 18-15. Yemas florales de Aquilegia formosa cultivadas en agar con medio artificial. A. Yemarecientementetrasplantadaenestadode iniciación de los carpelos,vistodearriba, mostrandotambien los estaminodios y los estambres; aprox. x 75. B. La mismayemade A despuesde 27 días, los sepalos se quitaron al desecar la yema, pero parte de un sepalo quedó en la parte inferior izquierda; dos petalos al frente y a la derecha; aprox. x 35. C. Yema recientementetrasplantadaenestadodedesarrollode los carpelos,mostrando los estaminodios y estambres; aprox. x 75. D. La misma yema de C despues de 19 dias; los estambres y estaminodios han abortado; los sepalos y pdtalos se quitaron al disecar la yema; aprox. x 30. E. Yema recien disecada en estado de alargamiento de los carpelos, con los sepalos cortados; aprox. x 55. F. Yema recien disecada; los carpelos jóvenes erectos, estambres y estaminodios en maduración; y losestambresdelfrente se pdtalosjóvenes; los shpalos se quitaron paramejorvisibilidad quitaron para exponer los carpelos; aprox. x 20. G. Yema recién disecadacon carpelos, estamipor la estipula; los sepalos se nodios y estambres maduros; los petalos están maduros excepto han quitado; aprox. x 20. (De S.S. Tepfer, R.I. Greyson, W.R. Craig, y J.L. Hindman: Amer. Jour. Bot., 50:1035-45 (1963).Con permiso. Fotografías cortesía delDr. S.S. Tepfer.)
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LA PLANTA EN DESARROLLO
en &pida sucesión sobre el ápice alargado. La apertura de la flor se lleva a cabo por alargamientocelular diferencial enlas diferentes superficies de los $talos. Podría ser una respuesta rdpida, y muchas flores se abren y cierran regularmente en respuesta a la luz u otros estímulos. La polinizaci6n induce cambios de trascendencia a través de toda la flor como resultado de factores hormonales producidos por el desarrollodelendosperm0 y del ovario. Comoconsecuehcia los &talos mueren, caen y empieza la formación del fruto. A lo largo de esta exposición han reaparecido muchas veces dos puntos principales: se sabe muy poco sobre cómo está programado el desarrollo o cómo toma el programa una realidad física. Est& claras, sin embargo, estas respuestas: la iniciación, crecimiento y desarrollo de los órganos o el inicio de nuevas secuencias de éste se deben rara vez, si es que alguna, a la acción de una sustancia morfológicamente activa actuando aislada. Lo que se requiere es un balance entre dos, tres o aúnmás sustancias diferentes con diversos tipos de actividad, diversas fuentes y diferentes propiedades física y fisiológicas, actuando todas juntas sobrecélulas específicas localizadas también específicamente en el interior del organismo. Sin duda se entenderá mucho mejor el desarrollo cuando se tenga un conocimiento más claro dela acción precisa de estos factores morfogenéticos en sus diversas permutaciones y combinaciones sobre las cdlulas que se encuentran en diversas situaciones en el organismo.
LECTURAS ADICIONALES Ver la lista del Capítulo 16. Una exposición de la estructura y desarrollo de la planta se puede encontrar en los libros de anatomia y morfología vegetal. Clowes, F.A.L.: Morphogenesis of the Shoot Apex. Oxford University Press. Londres. 1972. Maksimowich, R.:Analysis of Leaf Development. Cambridge University Press. Cambridge, Inglaterra. 1973. Norhcote, D.H.: Differentiation in Higher Plants. Oxford University Press. Londres. 1974. Sachs, R.M.: Stem elongation. Ann. Rev. Plant Physiol. 16:53-72. 1965. Street, H.E.: The physiology of root growth. Ann. Rev. Plant Physiol. 17:315-44. 1966. Wain, R.L. y C.H. Fawcett: Chemical regulation of plant growth; y F.W. Went y L.O. Sheps: Environmental factors in regulation of growth and development. Ambos en F.C. Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise, Vol. VA. Academic Press. Nueva York. 1969. Williams, R.F.: The Shoot Apex and Leaf Growth. Cambridge University Press. Cambridge, Inglaterra. 1975.
Capítulo 19
ORGANIZACIóN EN EL ESPACIO
DIRECCI6N DEL CRECIMIENTO
Como hemos visto, las plantas responden a diversos estímulos externos o ambientales y también a las instrucciones geneticas que poseen. Gran parte de la orientación de una planta en el espacio se deriva de su reacción a los estímulos direccionales, particularmente la luz y la gravedad. Puedenreaccionar por movimientos de crecimiento, que son cambios plásticos o irreversibles resultantes del crecimiento; o por movimientos reversibles, que son cambios ekisticos que generalmente son causados por cambios de turgencia en ciertas cdlulas. Adem&, la reacción puede estar relacionada con la dirección del estímulo (es decir, ir en su dirección, en la opuesta, o en un hgulo específico con respecto a aquél); tal reacción se denominarespuesta trópica. Porejemplo: el geotropismo(respuestaa la gravedad), el fototropismo (a la luz), el tiirnotropismo (al tacto), el hidrotropismo (al agua). Las respuestasqueno se relacionan con la dirección del estímulo se llaman abajo), hiponastia(curvarse násticas y comprendenlaepinastia(curvarsehacia hacia arriba), nictinastia (movimientosde dormición o sea el rítmico abrir y cerrar de las hojas), seismonastia(respuesta al shock mecánico) y las reacciones devarios tipos detrampas enlas plantascarnívoras. Se examinaránprimero los tropismos. RESPUESTAS TR~PICAS GEOTROPISMO. Las plantaspueden crecer haciaarriba(geotropismonegativo), opuesto a la dirección de la fuerza de la gravitación) o hacia abajo (geotropismo positivo), horizontalmente en ángulo recto a la gravedad (diageotropismo), o en algún otro dngulo fijo con respecto a la vertical (plagiotropismo). Evidentemente lp plantas pueden sentir la gravedad y tienen un mecanismo para responder a ella. Esta no se percibe a través de toda la planta. La cofia de la raíz o pilorriza parece ser el área de percepci6n de la raíz; si se cortan las puntasno hay reacci6n geotrópica. De modo similar el ápice del tallo es esencial para la respuesta geotrópica del tallo. Se han efectuado muchos experimentos usando la gravedad natural dela tierra; &a se puedevariar experimentalmente poreluso de la centrífuga que puede aumentarla, o por el clinóstato (Figura 19- 1). Este es un artefacto que da
ón
DESARROLLO 484
EN
PLANTA
LA
c /I CENTRíFUGA lenta
Rotación
Gravedad omnilateral Gravedad omnilateral Gravedad a
Fuerza centrífuga sin importancia
lo largo del eje principal Fuerza centrífuga alta Fuerza resultante como en el diagrama
Figura 19-1. Diagramas mostrando las técnicasdel clinóstato y dela centrífuga paraestudiar el geotropismo. (De L. Jaudus: Geotropism en M.B. Wilkins (ed.): The Physiology of Plant Growth 2nd Development. McGraw Hill. Londres, 1969. p. 214. Con permiso.)
rotación a una planta al derredor de su eje, por lo general estando la planta horizontal para neutralizar el efecto direccional de la gravedad. Se puede concluir que la respuesta a la gravedad es inductiva porque pueden separarse en el tiempo el sentir la gravedad y el responder a ella. Si una planta se coloca horizontalmente durante un corto tiempo y luego se vuelve a poner vertical, “se curvará’’ posteriormente como si todavía estuviera horizontal; posteriormente retornará a la vertical. Otros factores tales como luz y temperatura tambi6n afectan la respuesta. Por ejemplo, los estolones (tallos subterrheos) de ciertos pastos normalmente sondiageotrópicos (crecen horizontalmente) si lashojas reciben luz. Pero si las hojas se mantienen continuamente en la oscuridad el estolón adquiere geotropismo negativo y crece hacia arriba. Esta respuesta asegura quela planta se extienda horizontalmente sobre la superficie e impide que en un suelo muy disparejo se entierre al crecer accidentalmente hacía abajo del suelo o contra la ladera de una colina. PERCEPCIóN DE LA GRAVEDAD. El hecho de que la percepción del estímulo y la reacción a &te estén separadas en eltiempo significa que toman parte dos procesos distintos: percepción y reacción. Una c6lula puede percibir la gravedad de dos maneras: por la percepción de una presión diferencial sobre ella o como resultado de la distribución de partículas más o menos ligeras o pesadas que podrdn hundirse o flotar en el citoplasma. Es muy improbable medir la presión diferencial porque la ejercida por el peso del contenido celular es de magnitud muy inferior a la ejercida por la turgencia de la célula. Además, aun las fluctuaciones de la presión interna que resulte del cambiante estado hídrico de la cdlula excederían mucho a las presiones causadas por el peso del contenido celular. De aquí que la existencia de un mecanismoquepuedamedirlapresión diferencial a lo largo de lacdlula y detectar su desplazamiento lateral con alta precisión sea extremadamente dudosa.
ORGANIZACION E N EL ESPACIO
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La hipótesis de que la gravedad se percibe por medio de estatolitos es mucho más atractiva. Los estatolitos son cuerpecillos de alta gravedad específica que se asientan en el fondo de la célula. Los cuerpos que tienden a sedimentarse en el citoplasma incluyen elnúcleo, los dictiosomas, las mitocondrias y los granos de almidón (o, más exactamente, los amiloplastos, porque los granos de almidón van en plastos y libres en la célula). Por otra parte, los cuerpos más ligeros y que tienden a flotar incluyen las vacuolas y los glóbulos de grasa. Un buen número de evidencias indican actualmente que los gránulos de almidón o amiloplastos son, normalmente, los estatolitos en las células que perciben la gravedad. En primer lugar, son las únicas partículas que pueden reaccionar a un estímulo de sólo 1 / 2 a 1 minuto de duración (la duración del estímulo se denomina tiempo de presentación). En segundo lugar, los granos de almidón están presentes en casi todos los tejidos sensitivos al geotropismo. A principios del siglo XX los fisiólogos alemanes C. Zollikiffer y E. Stahl experimentaron privando de alimento a raíces y advirtieron que conforme iba desapareciendo el almidón en la cofia por la falta de alimento, iba tambidn desapareciendo la sensibilidad a la gravedad. Hay unos pocos tejidos que no pierden la geosensibilidad cuando se les priva de alimento. Pero se ha notado que aunque los gránulos de almidón desaparecen fhcilmente en la mayoría de los tejidos cuando falta alimento, es muy difícil que el almidón de los estatolitos desaparezca por esta razón. Hay un notable paralelismo entre la velocidad de asentamiento de los granosde almidón y el tiempo requerido para la percepción del estímulo gravitacional, como se muestra en la Figura 19-2. El examen microscópico de células bajo estímulo gravitacional muestra que los granos de almidón se asientan en su interior, sin duda en el fondo, como se ve enla Figura 19-3. El fisiólogo americano A.C. Leopold, cuya investigación se muestra en la Fimra 19-3, ha experimentado con un mutante de maíz que tiene menos amiloplastos, y son más pequeños que los de tipo común. Tal como podría
I
3c
.-P e a
E a
.-8 lo al
E J
Figura 19-2. Efecto de la temperatura enlatasade caída de los gránulos de almidón estatolitos comparada con el tiempo requerido para la percepci6n de un est ímulo gravitacional. ( Recalculado de datosde Lillian E. Hawker: Ann. J. Bot, 47:503. 1933.)
U
a
i" E
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" 10
20
30
Temperatura, "C
40
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LA PLANTA EN DESARROLLO
..
Figura 19-3. Estatolitos en celulas de coleóptilo de maiz (Zea mays). Las c4lulas a la derecha están "derechas", lasdela izquierda estendescansandosobre un lado. Las flechas muestran la dirección del campo gravitacional.
esperarse si los granos de almidón fuesenestatolitos, este mutante muestra una respuesta más lenta y m á s débil al estímulo mvitacional. Esta investigación junto con estudios sobre geotropism0 hecho con raíces decaPitadas y en proceso de regeneración dela cofia, llevados a cabo por los fisiólogos B.E. Juniper y P.W. Barlow, demuestran muy claramente que los amiloplastos con almidón son normalmente los estatolitos a través de los que la planta percibe un campo gravitacional. Como se mencionó previamente, ciertos tejidos no pierdensu sensibilidad a la gravedad aun despuds de s u f r i r privación de alimento. El fisiólogo americano K.V. Thimann encontró que el tratamiento con &ido giberdlico a coleóptilos de trigo determina la pérdida de todo el almidón, pero éstos siguen siendo geosensibles. En este caso quizá otras partículas subcelulares, en lugar de los amiloplastos, actúan como estatolitos de modo temporal o normalmente. Se ha sugerido que los dictiosomas o las mitocondrias podrian actuar de este modo, pero la evidencia expuesta anteriormente muestraquees d s probablequesean los amiloplastos los que normalmente funcionen como estatolitos en la mayoría de los tejidos geosensitivos. MECANISMODE RESPUESTA A LA GRAVEDAD. El fisi6logo F. Went, que trabaja ahora en Estados Unidos, descubrió hacetiempo que el crecimiento está promovido por la auxina. La curvatura deltallo se determina porlas diferencias en las tasas de crecimiento entre sus lados; de aquí N. Cholodny y F. Went pensaron que las respuestas de curvatura de los tallos u hojas se debían a una distribucih asim6trica de la auxina. Aden&, las raíces responden a la auxina de modo opuesto al tallo, es decir, la adición de auxina disminuye el crecimiento de las raíces en lugar de aumentarlo. Cholodnyy Went postularon un mecanismo común paralasrespuestas
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geotrópicas basado en un aumento del contenido de auxina en el lado inferior del tejido estimulado gravitacionalmente, que se aplicaría tanto a la raíz geotrópicamente positiva como al tallo geotrópicamente negativo. El aumento en el contenido de auxina en el lado inferior determinaría un aumento en el crecimiento en ese lado del tallo, lo que causaría que se curvara hacia arriba, y una disminución en el crecimiento en el lado de la raíz, lo que causaría que se curvara hacia abajo. Este mecanismo se ilustra en la Figura 19-4. Hay bastante evidencia sobre este mecanismo con respecto al tallo, pero no con respecto a la raíz. Es posible medir la existencia de un gradiente de auxina a tallo estimulado gravitacionalmente, pero no en una raíz. En lugar lo largo de de ello, seha encontrado que la cofia es fuente de una sustancia inhibitoria del crecimiento. Si se quita parte de la cofia, la raíz se curva hacia el lado al que se adhiere la porción restante de aqudlla. Esto sugiere que la cofia produce inhibidores del crecimiento. Además, la remoción de &e causa una breve aceleración del crecimiento de la raíz demostrando que es una fuente de inhibidores más que de promotores del crecimiento. En la cofia se ha encontrado ácid0 abscísico y se considera posible (pero no ha sido probado) que el estímulo geotrópico sobre el crecimiento esté mediado por la producción asimétrica de ABA en las cofias que hayan recibido el estímulo geotrópico. * u n
Figura 194. Diagramaquemuestra c6mo un mecanismocomún de redistribuci6n lateral de la auxina puede mediar las respuestas geotr6picas y fototr6picas en los tallos y la respuesta geotr6pica opuesta en las raíces.
G ra
Crecimiento de
la rafz
Nivel enddgeno normal de auxina
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10-10
I
I
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I
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Concentraci6n aproximada de ¡AA. M
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La situación respecto al tallo es diferente. Experimentando con hipocótilos de girasol, los fisiólogos alemanes L. Brauner y A. Hager colocaron el tejido en la oscuridad para disminuir su contenido de auxina; despues de esto los hipocótilos se tornaban insensibles a la gravedad. Pero si después delestímulo gravitacional se añadía un poco de auxina, los hipocótilos se conducían respondiendo normalmente, curvándose en dirección contraria al campo gravitacional.Dichos investigadores encontraron que los hipocótilos no reaccionan a un campo gravitacional si se someten a baja temperatura, pero si se sube la temperatura después del periodo de estímulo empiezan a reaccionar a las 12 horas de la estimulación. Se encontró que el oxígeno es necesario para la reacción demostrando así que en la respuesta están involucradas reacciones metabólicas. Usando IAA radioactivo, Leopold y sus colegas han demostrado recientemente que las auxinas se transportan lateralmenteen los coleóptilos de maízbajo la influencia de un campo gravitacionalcomo se ve en la Figura 19-5.Parece probable que la respuesta a la gravedad est6 mediada por ladistribuci6n lateral asimbtricadel IAA en los tejidos, causada porla polarizaci6n gravitacional de las cblulas sensitivas. Pero aún queda la pregunta: ¿cómo puede un estimulo gravitacional afectar la redistribución de las hormonas enlos tejidos, sean ABA o IAA, por medio de los estatolitos? Parece probable que la distribución polar de la auxina en los tallos se deba tanto al transporte lateral como a un aumento en la producción de IAA en el lado inferior del tejido estimulado. Se ha sugerido quela mayor concentración de organillos celulares en el lad0 inferior de la cClula, por influencia de la gravedad, reduce la eficiencia de su metabolismo al decrecer el acceso a los metabolitos y aumentar los productos de aquel en el medio interno. La mayor lentitud del metabolismo en el lado inferior de la cklula podría aumentar, de alguna manera, la síntesis de IAA o favorecer su transporte. Los tejidos bajo estímulo gravitacional desarrollan un potencial elkctrico perpendicular al campogravitacional.Pero se ha encontrado que los tejidos en que se induceun gradiente de IAA artificial también desarrollan dicho potencial; parece entonces probable que el potencial elkctrico sea el resultado del gradiente de IAA y no su causa. La situación en la raíz ha sido examinada críticamente hace poco por Juniper, quien propuso un modelo hipotbtico conforme al cual los movimientos de los estatolitos determinarían una redistribución lateral de la hormona. Su modelo se basa en la capacidad de los estatolitos de bloquearlos plasmodesmos que conectan las células, quizás por obstrucción de los orificios de los plasmodesmos al preFigura 19-5. Experimento parademostrar el transportelateraldelaauxinaenseccionesde cole6ptilo de maíz bajo el estímulo de la gravedad. (De datosde P. Hertel, R.K. de la Fuente y A.C. Leopold: Geotropism and the lateral transport of auxin. Planta, 88:204-14. 1969.) 14C-IAA 731 cpm
1718 cpm
3123 cpm
27.1- transportado hacia horizontalmente
48'10 transportado abajo
arriba
19 ' l o transportado hacia
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sionar sobre ellos las membranas del retículo endoplásmico. Como se pude ver en estala Figura 19-6, cuando las c6lulas se hacen rodaro voltear sobre sus bordes los tolitos tienden a aglomerarse en los ángulos. Como resultado quedan pasajes libres que pueden utilizarse para el transporte de inhibidores o estimulantes permitiéndoles moverse en dirección lateral. Sin embargo, debe enfatizarse que actualmente este modelo es hipotético y su comprobación aún espera más experimentación. Así es que todavía no se sabe en realidad cómo se utiliza la acción de los estatolitos para causar la curvatura del tallo o de la raíz. Sin embargo, parece muy probable que se aplique a las hormonas que estaban en movimiento polarizadoun desbalance lateral, hacia arribao hacia abajo. Estetransporte polarizado debe mantenerse enérgicamente; debe recordarse que sise voltea un tallo con la punta hacia abajo sigue reteniendo su orientación basipdtala original y no responde a un estímulo gravitacional “intercambiando susextremos”.
FOTOTROPISMO. La comprensión del mecanismo de la reacción fototrópica se remonta a los experimentos deWentquellevaronal descubrimiento dela auxina (Capítulo 16, página 419). Se encontró que si un coleóptilo se ilumina por unlado, ocurre una distribución asimétrica de la auxina, de modo que se acumula en el lado oscurecido de aqu61. El que haya más auxina causa que dicho lado se alargue más que el lado iluminado y el crecimiento asimétrico hace que el coleóptilo se curve hacia la luz. El esquema de Went y Cholodny en la Figura 19-4 ilustra cómo funciona la reacción. Antes se pensaba que la distribuci6n desigual de la auxina era causada por una combinación de tres mecanismos diferentes: fotodestrucción de la auxina en el lado iluminado, aumento en la síntesis de ésta en el lado oscuro y transporte lateral de la misma del lado iluminado hacia el oscuro. Pero actualmente hay abundante evidencia de que no ocurre fotodestrucción de la auxina y las investigaciones del fisiólogo americano W.R. Briggs demuestran claramente que el mecanismo Figura 19-6. Diagramaquemuestra un modelo hipot6tico de la acci6nde los estatolitos. (A) Los estatolitos (bolas negras) ocluyen los plasmodesmos cuando yacen contra la pared celular, el tejido estd desorientado quiz3por oprimir al retículo endopldsmicocontraella.Cuando como (B) caen a traves de la que ahora es la pared inferior celular permitiendo (o forzando) así el movimiento lateral de las sustancias como lo muestran las flechas. Las sustanciasde crecimiento pueden moverse al lado inferior como resultado de un modelo de transporte hacia arriba (como se muestraen B) o al lado superior si el transporte principal es hacia abajo en la orientaci6n normal del tejido. (Arriba)
.............. ................ e e e o o o ooeoeo (Fondo)
A. Tejido en posici6n normal
B. Tejidos dados vuelta a un lado trotados 90°)
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490 14C-IAA
Oscuridad
14C-IAA
Oscuridad
23% Transporte lateral total 20"/.
31%
Transporte lateral total 28.5'/.
Transporte lateral total 40*/.
Figura 19-7. Experimento paramostrar el efecto delaluzen el transportelateraldel IAA en secciones de cole6ptila de maiz. El transporte lateral aumenta al alejarse de la luz y se inhibe ddbilmentecercadeella. (De datosde R.K. de la Fuente y A.C. Leopold: Lateralmovement of auxin in phototropism.Plant Physiol., 43: 1031-36. 1968.)
importante es el transporte lateral de ésta. Experimentos recientes de Leopold y su grupo demostraron que el transporte lateral de 14C-IAA ocurre del lado iluminado hacia el lado oscuro en el coleóptilo de maíz, como se muestra en la Figura 19-7.Al parecer el movimiento lateral normal de la auxina no es impedido por la presencia de luz, pero su movimiento alejándosede ella es altamente estimulado. La respuesta fototrópica de tallos con hojas depende de la iluminación desigual de lashojas que quedan viendoo no a la luz. Se ha sugerido enconsecuencia que la desigual síntesis y transporte de la auxina tienen lugar como resultado de la desigual iluminación de las hojas. De acuerdo con este punto de vista se exporta más auxina de unahoja oscurecida que de una iluminada,determinando un mayor crecimiento del tallo bajo la hoja oscurecida. El grupode Leopold mostró que, como era de esperar, el crecimiento del tallo era mayor cuando los cotiledones del girasol quedaban en la oscuridad; cuando uno de ellos se oscureció, el lado del hipocótilo que estaba bajo ese cotiledón creció más que el lado que estaba bajo el cotiledón iluminado, dando una curwFigura 19-8. Efecto delsombre0deuno o amboscotiledones el periodo deextensi6ndel hipocotilo depldntulasdegirasolen durante un periodo de 24 hr.(Redibujado con permiso de S. Lam y A.C. Leopold: Role of leaves in phototropism. Plant Physiot., 41:847-51. 1966.)
33%
Extensi6n
30%
13%
Extensi6n Extensibn
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tura en el tallo como se ve en la Figura 19-8. Más aún, cuando se extrajo auxina difusible por debajo de los cotiledones, la prueba de la curvatura del coleóptilo de Avena mostró resultados positivos mucho más enérgicos cuando laspldntulasse colocaron a la luz que a la oscuridad (Figura 19-9). Los resultados de estos experimentos están acordes con los conocidos efectos de la auxina sobre el alargamiento de los tejidos del tallo. No obstante, recientemente se ha sugerido que el Acido giberélico podría actuar junto con elIAA o en lugar de 61. Las investigaciones de Leopold y otros demuestran que los cotiledones son necesarios para que haya respuesta fototrópica: los tejidos del tallo no reaccionan si se suprimen los cotiledones. Por otra parte, experimentos hechos recientemente en Holanda por J. Bruisma y otros, parecen indicar que lo que sucede no es que los cotiledones oscurecidos produzcan un promotor de crecimiento, sino que los cotiledones iluminados producen un inhibidor. La conclusión debe esperar más investigaciones. Hay algunas preguntas sobre la localización exacta del fotorreceptor de la luz fototrópica. Las plántulas a las que se les cubre uno o ambos cotiledones con papel negro siguen mostrandofototropismo positivo, sin importarla orientación de la luz ni los cotiledones cubiertos. Al cubrirlos se reduce la intensidad de la respuesta, pero no su dirección. Pero cubrir el hipocótilo impide la respuesta fototrópica aunque los cotiledones queden expuestos a la luz. Esto sugiere que los cotiledones iluminados actúan primariamente como fuente de fitorreguladores. La distribución lateral del IAA (u otros estímulos) que imponen crecimiento asim6trico parece imponersea través de la acción de un fotorreceptor en el hipocótilo. Algunos investigadores han pensado, en base a la economía del trabajo, que los estímulos geotrópico y fototrópico deben estar mediados por el mismo mecanismo operativo, pero en direcciones opuestas. Este argumento es paraleloa la idea (inherente a la hipótesis de Cholodny-Went) de que el mismo mecanismo operando en direcciones opuestas controla tanto al tallo como a la raíz. No obstante que la economía del trabajo pueda ser un principio biológico operante, es muy peligroso aplicarlo en esta forma. Las respuestas geotrópicas y fototrópicas y los patrones de crecimiento de raíces y de tallos pueden ser muy similares. Sinembargo, proba-
Auxina difusible
Figura 19-9. Evidencia del incremento en la exportacidn de auxina de los cotiledones del girasol a la luz en comparaci6n con la oscuridad.(Dibujado de datosde s. Lam Y A.C. Leopold: Plant Physiol., 41:847-51. 1966.)
Curvatura promedio del cole6ptilo 5.1 o
11.7"
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blemente evolucionaron en épocas muy apartadas y pueden estar mediadas tanto por los mismos como por diferentes mecanismos. PERCEPCIóN FOTOTRÓPICA DE LA LUZ. El mecanismo de percepción de la luz que da origen al fototropismo es todavía un tópico de discusión. Hace mucho se descubrió que la luz más efectiva para la respuesta fototrópica es la de onda corta; la luz roja no es efectiva. El espectro de acción del fototropismo, al ser contrastado con el espectro representativo de los carotenos y de la flavina, muestra similaridades con ambos, pero no es idéntico a ninguno (Figura 19-10). El pigmento responsable puede estar presente en cantidades extremadamente pequeñas y ser, por lo tanto, difícil de detectar, Ciertos mutantes que tienen menos del 20% de la cantidad normal de caroteno siguensiendo fototrópicos, esto no excluye la participación de un carotenoide particular o de una fracción específica entre los carotenos de la planta. Actualmente se desconoce la identidad del pigmento. Presuponiendo que un pigmento específico o una asociación de pigmentos sea responsable de la recepción de luz, el mecanismo para traducir la percepción de una reducción de la auxina producida y exportada es otro problema igualmente difícil. Como en el geotropismo, enlas plantas estimuladas fototrópicamente se forma un potencial eléctrico transversal, que parece seguir a la inducción de desél. De hecho, la situación es mucho balance auxínico, y puedesercausadopor más compleja que lo que sugiere esta exposición. La luz fototrópica es medida acumulativamente por la planta. Es decir que, dentro de ciertos límites, una luz débil
Espectro de acci6n del fototropismo
300
Figura 19-10. Espectro de acción del fototropismo comparado con el espectro de absorci6n de una flavina y un caroteno. Adaptado de diversas fuentes.
I
300
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t
400 Longitud de onda, r n r n
5
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prolongada produce el mismo efecto queunabreveluz fuerte. Sin embargo, la reacción a un estímulo creciente no es sencillamente una respuesta creciente en forma continua. Despues de recibir cierta cantidad de luz el tejido empieza a responder cada vez menos y finalmente ocurre un fototropismo negativo. Luego, con más luz, aún puede haber una segunda respuesta positivaque muestra ciertas diferencias con la primera. Falta una interpretación clara de estos efectos. Es posible que la estimulación del pigmento fototrópico pueda llevar, de alguna manera, a cambios en la permeabilidad celular que darían por resultado un aumento en el transporte de auxina, pero esto se ignora.
La reacción de una parte de la planta, como por ejemplo un zarcillo, al estímulo del tacto se llama tigmotropismo si la reacción es de tipo direccional y tigmonastia si no lo es. Al parecer los zarcillos son capaces de distinguir superficies, pues responden con mucho mayor efectividad a las rugosas o ásperas que a las lisas o suaves. La respuesta es rápida y puede involucrar parcialmente cambios en turgencia producihdose contracciones o expansiones celulares diferenciales en lados opuestos del órgano. Pero tambibn toma parte cierto crecimiento diferencial y muchas respuestas tigmotrópicas son movimientos permanentes o de crecimiento. Las respuestas rápidas delos zarcillos probablemente se llevan a cabo por movimientos de electrolitos o sales. Experimentos recientes muestran que cuando hay un estímulo táctil en los zarcillos del chícharo ocurren cambios rápidos en el contenido de ATP y de fosfato inorgánico. Tal parece que tienen lugar cambios rápidos en la permeabilidad de las membranas que causan movimientos del agua o bien ocurre un transporte activo de iones estimulado por el ATP con los mismos resultados. Se sabe que la auxina afecta el retorcimiento de los zarcillos y si esta se aplica en un solo lado el zarcillo se curva. Sin embargo, esto podría no estar relacionado directamente con la respuesta normal. No se sabe cómo la planta percibe la sensación táctil.
TIGMOTROPISMO.
OTROSTROPISMOS, Las plantas reaccionan poniéndose en concordancia con otros estímulos a través del crecimiento. A veces se dice que las raíces crecen hacia la región del suelo con mayor contenido de agua. Tal hidrotropismo, si ocurre, debe estar mediado directamente por un mecanismoquepermita a la raíz detectar y reaccionar a las diferencias en concentración hídrica. Pero unaalternativa más probable es sencillamente que las raíces crecen más rápidamente en las zonas con mayor humedad. Ciertas enredaderas, particularmente lasdeorigen tropical, trepan por el tronco de los árboles. Cuandogerminansussemillas crecen directamente hacia los &boles que son un soporte potencial; no lo encuentran por azar. Al parecer esta búsqueda es por crecer hacia el sector más sombrío de su horizonte que está dado por los troncos oscuros de los árboles grandes. Este fenómeno fue denominado escototropismo (búsqueda de la oscuridad) por doscientíficos norteamericanos, D.R. Strong y T.S. Ray, los que primero informaron sobre 61 en 1975. Después de establecerse en su huésped y empezar a crecer, la plántula se vuelve fototrópicamente positiva, lo que asegura unanutrición fotosint4tica adecuada. Raíces, tallos y coleóptilos tienden a tomar un orden al crecer en campos eléctricos. Esto nos hace preguntarnuevamente si la distribución desigualdela auxina se debe al desarrollo de un gradiente de potencial el6ctrico 0 bien si &te es el efecto de aquélla. Los experimentos sobre fototropismo y geotropism0 SU-
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gieren que el gradiente es resultadode la asimetría dela auxina. Sin embargo, es posible que un gradiente de potencial eltSctrico aplicado externamente pueda polarizar el movimiento de la auxina resultandouna distribución asimétrica y causando movimiento direccional o trópico. Los estudios hechos son insuficientes para un análisis crítico de estas respuestas de crecimiento.
LA FORMA EFECTOSCORRELATIVOS. La forma deun órgano o de un organismo resulta de su crecimiento en distintas direcciones a diferentes velocidades. Generalmente el desarrollo deunaplanta se correlaciona estrechamente con su crecimiento. Por ejemplo, en el trigo los macollos (tallos secundarios) no se desarrollan hasta que el tallo principal ha casi completado su crecimiento; las yemas axilares de muchas dicotiledóneas como el frijol o el tomatero no empiezan a crecer hasta que el tallo aumenta en tres o más entrenudos por encima de ellas. En otras palabras, hay una correlación o interrelación en el desarrollo de las diferentes partes de la planta. Estos efectos de correlacibn pueden operar en el tiempo, como en el caso de la dominancia apical (que se estudia posteriormente con mayor detalle en esta sección). Otros efectos correlativos operan en el espacio, relacionando el tamaño que alcanzan las diferentes partes de la planta. Otros relacionan la tasa de crecimiento de sus partes. En el crecimiento alométrico las diferentes partes de la planta pueden tener diferentes tasasde crecimiento, peroestán estrechamente relacionadas de modo que hay una relación constante entre el crecimiento de una parte con respecto a la de otra. La mayoría de estas correlaciones son controladas por los hormonas o por el establecimiento de gradientes o patrones de distribución de los alimentos. A menudo la forma se establece por un campo o gradiente de una sustancia morfológicamente activa, pero al parecer no ocurre así en todas las plantas. Un mecanismo simple de este tipo puede determinar la forma de un tejido anatómicamente simple como el cuerpo fructífero de un hongo, pero la compleja organización de los tejidos en la planta superior no se explica así excepto en limitadas circunstancias. En lugar de ello, las diferentes partes de la planta muestran un crecimiento esencialmente indeterminado, pero se interrelacionan y controlan por efectos correlativos para producir una forma o contorno característico. Un ejemplo es la forma de las hojas que está determinada en buena parte por el patrón de vascularización. Así, el contorno de una hoja de arce o de encina parece generarse por intermedio de la acción o interacción de fitohormonas (y quizá también de alimentos) transportados por las nervaduras principales. La forma final de la hoja está, por lo tanto, muy afectada por el patrón de tejido vascular que se contiene en la hoja embrionaria. No obstante, el meollo del problema subsiste: no se sabe cómo se traduce la información genética en un patrón anatómico específico en la hoja embrionaria. OTROS FACTORES. Ademh de los efectos de correlación, las limitaciones físicas pueden imprimir una forma especifica. Por ejemplo, las copas aplanadas de muchos árboles pueden deberse a la incapacidad de las ramasguía de sobrepasar cierta altura por problemas en el transporte del agua. En lugares muy desprotegidos las plantas crecen enanas o mal formadas, impedidas de alcanzar su forma normal por los factores ambientales adversos.
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La temperatura tiene gran efecto tanto sobre la tasa de crecimiento como sobre el tamaño final de la planta u órgano. Esto se ilustra en la Figura 19-11 que muestra las curvas parael coleóptilo de avena segúndatos ya antiguos del fisiólogo alemán E , Vogt. Puede verse que la longitud final, el tiempo de crecimiento y la tasa promedio de este crecimiento en el coleóptilo variaron con la temperatura de modo complejo y diferente en cada uno. Entre otros factores ambientales que afectan al crecimiento esid la luz (el efecto de la reducci6n de la luz o etiolación se desarrolló en el Capítulo 18, página 460. Uno de los resultados característicos de la reducción de la luz es el incremento del crecimiento en longitud. El suministrode agua ejerce un profundo efecto sobre el crecimiento y la forma de las plantas. La falta de agua o su demasía afectan no sólo el tamaño sino la forma y expresión de características xerofíticas que pueden cambiarla enormemente. Se ha observado que la especie Ulex sp. pierde su característica apariencia espinosa cuando crece en suelos bien regados y casi no se la puede reconocer. Se ha demostrado que en varias especies la falta de agua causa un aumento tremendo en la cantidad deh hormonainductoradel letargo, el ácido abscísico (ver Capítulo 22). Esto puede relacionarse con el desarrollo de características xeromórficas en ciertas plantas. DOMINANCIA APICAL. Uno de los efectos de correlación más importante y mejor estudiado es la dominancia apical. Los primeros fisiólogos alemanes consideraban que podía deberse a una “lucha por la existencia’’ entre las ramas de la planta en Figura 19-11. Efecto de la temperaturasobre las tasasdel crecimiento, la duración del crecimiento, y el tamañofinaldelos coleóptilos deavena (Avena sativa). (Recalculado dedatosde E. V w t : Z. Bot., 7~193-270.1915.)
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Tiempo requerido para alcanzar el tarnafio mdximo
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la que la rama central principal “vencía”. Conforme a esta teoría la dominancia apical se establece por la dirección del flujo de los alimentos y se conoce como la teoría alimenticia. Posteriormente, los experimentos de fisiología de K.V. Thimann y F. Skoog, y los elegantes experimentos de poda de R. y M.Snow, demostraron que la dominancia apical está causada por la auxina que se difunde a partir de la yema apical e inhibe el crecimiento de las ramas laterales. La supresión del ápice libera a las yemas laterales de la dominancia apical, pero se restablece si se aplica auxina al tallo decapitado. La secuencia se ilustra en la Figura 19-12. Las dificultades experimentales que presenta la teoría de que solamente la auxina causa ladominancia apical se resolvieron en gradoconsiderable al descubrirse que la auxina y las citocininas interactúan. El aumento en las citocininas libera a las yemas laterales de la dominancia apical a pesar de la presencia de auxina. Este efecto se veen forma extrema en la enfermedad de las coníferas llamada escoba de bruja (ver página 668), en la cual un exceso de citocinina producida por el patógeno causa el desarrollo de muchas yemas laterales y adventicias. El concepto de interacción de dos fitohormonas provee de una explicación a la principal objeción a la teoría auxínica, de por qu6 la yema apical no se inhibe por su propia provisión de auxina. Una teoría alternativa que se relaciona con la conocida capacidad de las hormonas de afectar el transporte de nutrientes (ver Capítulo 21, página 562) es esencialmente una combinación dela teoría alimenticia y la teoría hormonal. De acuerdo con esta teoría alimenticia-direccional la dominancia apical se mantiene porque la corriente de alimentos que asciende por el tallo se dirige a la yema Figura 19-12. Dominancia apical. A. La dominancia apical impide que lasdos yemas laterales terminales se desarrollen. La inferior ha escapado a la dominancia del ápice y se empieza a desarrollar. B. El ápice se ha cortado y todas las yemas han iniciado el desarrollo. C. El ápice se ha cortado siendo reemplazado por pasta de lanolina con auxina. Se impide el desarrollo de lasyemas laterales (excepto la de la yema inferior que ya había roto el letargo y empezado a crecer). (Según P.M. Ray: The Living Plant. Holt, Rinehart and Winston, Nueva York, 1965.)
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apical y no a las ramas laterales, debido al gradienteauxínico que resulta de la producción de auxina en el ápice. A s í que las hojas y cualquier rama que escapena la dominancia apical tendrán asegurado el suministro de alimentos, una vez que empiecen a crecer y a producir auxina. La aplicación de citocininas causará el inicio de divisiones celulares y la producción de auxina, a la que seguirá automáticamente la liberación de la dominancia apical. La dominancia apical funciona en mayor o menor grado en la mayoría de las plantas. En forma extrema determina el hábito de crecimiento columnar, excurrente o monopódico, característico de las coníferas. Muchas plantas caracterizadas por formas arbustivas o por denso crecimiento de las ramas laterales tienen una dominancia apical muyescasa. Esta tambih afecta la forma del sistema radical causando el desarrollo de una raíz pivotante, y en su ausencia, de una raíz fibrosa o fasciculada. Se ha sugerido recientemente que, de hecho, el efecto de la auxina está mediado por el etileno. De ser así no se alteraría la concepción general sino que simplemente se insertaría otro eslabón en la cadena de reacciones que correlacionan el crecimiento enlas diferentes partes dela planta. Aún no se conoce el mecanismo por el que la auxina, o el etileno, causan la supresión de las yemaslaterales ya sea en forma directa o por influencia de los alimentos. RESPUESTAS NÁSTICAS
Las respuestas nkticas son los movimientos en respuesta a los estímulos que no se orientan en relación con la dirección delvectordel estímulo. Puedensermovimientos de crecimiento que son plásticos y por lo tanto permanentes o movimientos de variación que son reversibles. Hay diversos movimientos característicos de las plantas. Muchos deellos son rápidos, vigorososy llaman fuertemente la atención, como la respuesta de la planta sensitiva Mimosa. Otros parecen relacionarse directamente con un marcador endógeno rítmico o reloj biológico que ayuda a marcar el paso de los eventos del desarrollo. Esto se estudiará en detalle en el capítulo siguiente. Algunos de los patrones de movimiento, aunque no parecen ser de importancia en la vida de la planta, se han estudiado extensamente pues se espera que entendihdolos se llegará a conocer algo de los mecanismos que regulan el desarrollo. Los movimientos devariacióngeneralmenteinvolucranmovimientodel agua.Un movimiento de variación importante y típico esla apertura y cierre de los estomas descritos en detalle en el Capítulo 14. Los movimientos de hojas, folíolos e incluso ramillas son causados a menudo por un brgano especial llamado pulvinus que se muestra en la Figura 19-13A y B. Esta masa de c6lulas parenquimatosas en forma de bulbo se localiza en la base de la hoja, folíolo o rama. El agua semueve bruscamente hacia dentro o hacia fuera de las células motrices (Figura 19-13C) que se localizan en lados opuestos del pulvinus y la rdpida contracción o expansión resultante de dichos lados hace que la hoja o rama se muevan hacia arriba o abajo. Al parecer el agua se mueve en el pulvinus como resultado depotenciales osmóticos. Probablemente &tos se generan, igual que en las c4lulas oclusivas, por el rapidísimo transporte de iones de potasio que se mueven por medio de mecanismos de transporte con energía del ATP. El transporte de potasio puede ser activado por una variedad dediferentes clases de estímulos y por lo tanto tambidn se activa el movimiento de los órganos. Algunos de estos estímulos se describen posteriormente. También se examinarán en el capítulo siguiente los movimientos
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Figura 19-13. Ilustraci6n de pulvinus de Albirzia. A. Una micrografía al microscopio de barrido delas columnas de celulasmotorasen forma de acordeh. B. Corte transversaldel pulvinus mostrando celulas motoras turgentes en la base de cada foliolo. C. Tejido similar a (B)pero con las células motoras fldcidas y los foliolos cerrados. (Micrografía electrónica y fotografías por ia Dra. Ruth L. Satter. Fotografías originalesgentilmente proporcionadas por el Profesor Arthur W. Galston, Yale University, New Haven, Conn.)
rítmicos diurnos en conexión con el problema de los ritmos endógenos o "relojes" que afectan a la floración. EPINASTIA. La epinastia es el encorvamiento hacia abajo que ocurre comúnmente en los pecíolos y permite que las hojas tomen una posición tal que sus ápices se inclinan hacia el suelo más que hacia arriba. No parece que Bsta sea una respuesta gravitacional, ya que las plantas muestran epinastia cualquiera sea su orientación respecto al campo gravitacional o incluso colocadas en un clinóstato; parece que secausa porque se transportan diferentes cantidadesde auxina del limbo de la hoja hacia los lados superior e inferior del pecíolo lo que provoca un crecimiento diferencial encorvándose el pecíolo. Muchas respuestas deldesarrollo (por ejemplo la apertura de la flor, el desenrollamiento de las frondas de los helechos) son respuestas epinásticas. Es una respuesta común al tratamiento con exceso de auxina o con etileno (ver Figuras 16-14 y 16-19). El efecto inverso, denominado hiponastia, también puede ocurrir; puede ser inducido por aplicación de ácido giberhlico. TERMONASTIA.Algunas plantas, como los tulipanes, muestran movimientosrepetidos de apertura y cierre de las flores en respuesta a los cambios de temperatura. La
respuesta es de alta sensibilidad y se ha notado que sigue a un cambio de temperatura de tan sólo una fracción de grado. A pesar desu reversibilidadestos movimientos termonásticos son movimientos permanentes de crecimiento que resultan de un crecimiento diferencial entre los tejidos superiores e inferiores dela flor. El mecanismo se desconoce. El arbusto Rhododendron es un interesante indicador de temperatura. Sus hojas siempre verdes sufrenunapronunciadarespuesta termonástica en invierno: las hojas cuelgan junto al tallo casi verticalmente cuandola temperatura se aproxima a los -15"C, y se extienden horizontalmente a los 0°C. La respuesta puede implicar cambios en la tensión del agua del pecíolo, pero no se conoce.
NICTINASTIA. Las hojas de muchas plantas sufren movimientos de dormición, un rítmico abrir de las hojas por la mañana y cerrar o bajar al anochecer, llamado nictinastia. Este fenómeno se ha estudiado mucho en el frijol que exhibe marcados movimientos nictinásticos. Por cuidadosos análisis con el microprobador electrónico (ver página 363) el fisiólogo americano A.W. Galston y sus colegas, particularmente la Dra. Ruth Satter, han sido capaces de detectar un movimiento apreciable de iones de potasio del lado superior del pulvinus al inferior y viceversa. El movimiento de los iones de potasio causa un gran cambio en el potencial osmótico de las cBlulas motrices del pulvinus determinando que las hojas estdn erguidas o caídas. Los análisis mostraron que los azúcares no pueden tener parte en ello, pues representan tan sólo una pequeña fracción de las sustancias osmóticamente activas en las células motrices .
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Se ha sugerido que las auxinas juegan un papel en esta respuesta. Al parecer las hojas producen gran cantidad de IAA durante el día que se transfiere primordialmente a la base del pecíolo; los iones de potasio se mueven hacia el área con mucha auxina; el agua entra al lado inferior del pulvinus, y la hoja se yergue. Por la noche el transporte de auxina se reduce y tiene lugar un proceso inverso. Cuando se apiican auxinas a los lados superior o inferior del pulvinus las hojas se inclinan o cierra, se yerguen o abren, respectivamente. Pero el problema no es tan sencillo. Los fisiólogos vegetales han estado fascinados durante mucho tiempo por el hecho de que los movimientos de dormición de muchas hojas continúan regularmente por un periodo de días aunque la planta semantenga bajo condiciones constantes, como semuestraen la Figura 19-14. Esto significa que la nictinastia en las plantas intactas guarda sus fases y su horario por un ritmo interno. Este ritmo puede ser desfasado cambiando el patrón normal de luz y oscuridad por periodos cortos de iluminación con luz rojo lejano, lo cual indica que la respuesta está mediada por el fitocromo. Este pigmento está involucrado en muchas respuestas delas plantas a la luz, incluso la floración, y se explican en detalle en el siguiente capítulo. Los experimentos con pulvinus in vitro demuestranque reaccionan a la luz y también sufren una redistribución del potasio y las reacciones de turgencia que muestran cuando están en la hoja intacta. Esto quiere decir que los pulvinus no sólo son fotorreceptivos, sino que contienen todo el aparato para reaccionar al estímulo lumínico así como la fuente de energía parallevar a cabo la reacción. Como se considerará en el siguiente capítulo, parece probable que la respuesta del fitocromo esté mediadaporuna combinación de varios efectos de membrana; afecta lapermeabilidadde éstos y es también capazde controlar o modularlas actividades de las enzimas ligadas a la membrana como la ATPasa que actúa en el transporte activo de los iones. A trav6s de esta acción y otras similares, el fitocromo puede causar o afectar la redistribución de iones, particularmente del potasio, y causar así cambios en la turgencia osmótica y por tanto movimientos. SEISMONASTIA. Seismonastiasignificarespuesta a la agitacibn. Diversas plantas, de las que la sensitiva Mimosa pudica es el mejor ejemplo, responden cuando se les toca o se les sopla, cerrando los folíolos y bajando las hojas. Su respuesta es muy rápida, pudiendo empezar 0.1 de segundo posterior a la estimulación y completarse en pocos segundos. Estas plantas responden a una variedad de estimulos, además del tacto o maltrato mecsinico, incluyendo calor y estimulación eléctrica o química. Otra peculiaridad es la propagación del estímulo. No reacciona tan sólo la hoja o el folíolo estimulado, sino casi toda o toda la planta. La reacción se generaliza hacia arriba o hacia abajo dela planta muy rápidamente, a tasas de 4050 cm/seg. Cuando una planta de sensitiva reacciona al tacto o maltrato, los pulvinus sufren dos clases de reacciones; en los folíolos los lados superiores se encogen de modo que aquéllos se cierran hacia arriba; en los pecíolos los lados inferiores se contraen de modo que toda la hoja se inclina. En cualquier caso la reacción sigue a una rápida eyección o pérdida de agua que las células motrices ceden a los espacios intercelulares. No está claro cómo es expelida el agua. Una sugerencia es que los rápidos cambios en permeabilidad determinan el escape del agua. Otra teoría se asienta en la presencia de vacuolas muy pequeñas que se han advertido en el citoplasma en las células turgentes de los pulvinus y que desaparecen después de la reacción del pulvinus. Esto lleva a pensar que la pérdida deaguase deba a la
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Figura 19-14. Gráficas del movimiento nictinástico de C0leu.sbajo diferentes condiciones lumínicas. Las lineas verticales marcan 24 hr e indican las 2,400 a la hora Este esthndar. Cada gráfica es representativa de un grupo de cinco plantas. A. Bajo ciclos luz-oscuridad de12hrde luz (barras blancas) y 12 hr de oscuridad (barras negras). B. Planta inducida bajo 12 hr de luz y 12 hr de oscuridad y luego puesta bajo oscuridad constante. C. Planta en oscuridad constante; se añadió sacarosaal recipiente. D . Planta bajo luz d6bil constante de 10 bujías-pie. E. Planta bajo luz d6bilconstante de 30 bujías-pie. F . Planta bajo luz brillante constante de 1,300 bujías-pie. (De Ruth Halaban: Plant Physiol., 43:1883-86. 1968.Con permiso.)
eyección del contenido de dichas vacuolas, una especie de pinocitosis a la inversa. Pero los cálculos demuestran que no hay bastante espacio en la superficie celular para que un número suficiente de estas pequeñas vesículas descargarabastante agua en el tiempo requerido. Recientemente se ha retomado la antigua explicación de que la acción del pulvinus depende de la hidratación y deshidratación de las proteínas. Es posible que el diámetro de la cblula cambie por la contracción y la expansiónde los coloides celulares al adicionarse o suprimirseagua.Laspequeñas vacuolas que se han observado podrían tener parte en el almacenaje del agua usada en este proceso. La energía para el proceso probablemente venga del ATP que
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disminuye en cantidad rápidamente durante el movimiento y aumenta nuevamente durante la recuperación. La transferencia del estímulo es un punto interesante. El fisiólogo hindú J.C. Bose consideró que la sensitivatransmitía el estímulo por medio de un sistema nervioso. La idea no tuvo mucha aceptación pero las recientes investigaciones Sobre la propagación de los potenciales de acción la ha hecho atractiva. Al parecer el potencial de acción se transmite a travds del tejido del xilema de los pecíolos y del tallo. Como sucede en el geotropism0 y el fototropismo, también las hormonas estimulan un potencial elbctrico en los tejidos de Mimosa. Pero la naturaleza del potencial es diferente y al menos en este caso parece más probable que sea el potencial el que estimule la producción de hormonas y no viceversa. Existe cierta confusión porque los experimentos ya antiguos del fisiólogo italiano U. Ricca mostraban claramente que el estímulo puede transportarse por una sustancia química, probablemente hormonal a travds de cdlulas especializadas del floema. Sin embargo, las tasas de transporte conocidas en Mimosa no son lo bastante veloces como para atribuirse al rdpido movimiento de las hormonas. Otra sugerencia es que el estímulo pueda propagarse a travds de sucesivas pbrdidas de turgencia en células especializadas. Puede ser que la explicación final involucre a todos los tipos demecanismos interrelacionados dealgún modo. Comoseaque funcione, parece que la reacción de la sensitiva que ha desarrollado la planta es la analogía m& cercana a la reacción neuromuscular. Pero tal analogía no debe llevarse al extremo.
TRAMPAS.Varias plantas insectívoras están equipadas con trampas que reaccionan con rapidez suficiente para atrapar insectos vivos. Son interesantes porque combinan los rápidos movimientos de la sensitivacon un disparador especial queacciona a la trampa. La “vejiguilla” o utricularia sp tiene pequeñas vejiguillas con un ingeniososistema de atrapamiento. Cuando un insecto pequeño u otro organismo nada hacia la vejiga, toca un pelo disparador y el orificio de entrada de la vejiga rápidamente se abre hacia dentro; el insecto es arrastrado hacia dentro por el movimiento de apertura y por el agua que entra por el orificio de la vejiga cuyo interior est6 bajo presión. Una ilustración del funcionamiento de la trampa se ve en la Figura 19-15. Más estudiada aún es latrampa constituida por la hoja de la “atrapamoscas”, Dionaea sp. mostrada en la Figura 19-16. Es una hoja aplanada con una orla de pelos en su borde y dos o tres pelillos disparadores en la superficie de la hoja. Si uno de los disparadores es tocado dos veces o bien dos de ellos son tocados sucesivamente, la hoja se cierra rfípidamente plegándose al girar sobre la nervadura central hasta que los pelos de los bordes se entremezclan, atrapando a cualquier insecto que se encuentre caminando por la hoja y reteniéndolo hasta que lo digiere. El requerimiento de accionar dos veces sucesivas al disparador previene que la trampa se dispare innecesariamente a causa de un insecto pasajero o un objeto que roce o caiga sobre la hoja. Otro grupo de plantas carnívoras pertenece al gdnero Droseru. Tienen hojas cubiertas con tentáculos pegajosos que atrapan insectos pequeños. Los movimientos rápidos de los tentáculos, que son estimulados por la lucha del insecto capturado, retiene y fuerza a éste hacia el centro de la hoja. La hoja se cierra con movimientos más lentos envolviendo al insecto y hace que la punta de los tentáculos que secreta enzimas digestivas,entre en contacto con él. La operación de todas estas trampas sugiere señales o potenciales de acción
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Figura 19-15. Operaci6n de una trampa de Utricularia. En (A)el insecto toca un pelo disparador y armala trampa que se abre y engloba al insecto (B,C). Luego la trampa vuelve a quedar lista (D).
similares a los nerviosos. Tales potenciales de acción fueron demostrados, de hecho, por Charles Darwin y por otros en el siglo pasado. Recientemente se fijó la atención sobre ellos por las investigaciones del fisiólogo americano S.E. Williams, quien señala que los rápidos movimientos trópicos ir-iciados por estímulos m e d nicos son mediados por potenciales de acción producidos por los pelos o tentáculos disparadores. La naturaleza del mecanismo que requiere dos estímulos en la trompa de la Dionaea es desconocida. La posesión de potenciales de acción neuroides hace muy interesante a estas plantas desde un punto de vista evolutivo, ya que está claro que deben haber evolucionado de un modo completamente independiente al de los animales. Los lentos movimientos násticos (como el plegamiento de la hoja y de los tentáculos en Drosera) parecen estar mediados por un estímulo hormonal o químico. MOVIMIENTOS FOLIARES RAPIDOS. Además de los movimientosde dormición, epinastia y otras respuestas similares, las partes de una planta están en constante movimiento. La filmaci6n a cdmara acelerada, muestra un constante torcimiento y temblor de las hojas. Se ha demostrado que las hojas del frijol sufren movimientos de rotación que levantan o bajan los bordes hasta 2 cm. Estos movimientos son periódicos con un ciclo algo menor a l hr y ocurren solamente durante el día cuando la hoja no está en posición durmiente. Además, la hoja ondula arriba y abajo en un ángulo de unos 10" en un periodo aproximado de 1 hora. Estos movimientos se sobreponen a los normales, nictinásticos, y se muestran
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Figura 19-16. El atrapamoscas (Dionaeamuscípula). Los pelillos disparadores son visibles en la hoja (A) en que se para la mosca. En (E) la trampa se suelta y atrapa al insecto.(De W.H. Mueller: Botany, 3aed. Macmillan PublishingCo., Inc., Nueva York. 1974. Con permiso.)
en la Figura 19- 17. Son rápidos y no están sincronizados entre las plantas adyacentes, por lo que probablemente no se deben a una fluctuación del ambiente; se ha sugerido que están causados por fluctuaciones rítmicas del contenido de auxina o en el transporte de las hojas, pero no existe evidencia. N U T A C I ~ NGeneralmente . sepiensaquelasplantas crecen mtis o menos"derechas hacia arriba", pero la proyección a ritmo rápido muestra que el ápice del tallo
Figura 19-17. Movimiento de las hojas primarias de dos plantas separadas de Phaseolus angularis desarrolladas simultáneamente. (a) Rotación del limbo en millmetros tomadasegún la medida de la distancia entre los márgenes laterales de la hoja como aparecía en la imagen proyectada. (b) Movimiento hacia arriba y hacia abajo en grados angulares. (De D.K. Alford y T.W. Tibbitts: Plant Physiol., 47:68-70 (1971). Con permiso. Fotografía cortesía del Dr. W.T. Tibbitts.)
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describe una espiral continua, pues se inclina de uno a otro lado conforme va creciendo. Tales movimientos se llaman nutaciones. La amplitud de la nutación varía de casi cero hasta 1.50 m según observó Charles Darwin en la Ceropegia gurdnerii, una especie de la familia Asclepiadaceae. La tasa de la nutación varía de un ciclo al día hasta un ciclo porhora y essensible a la temperatura. Muchoszarcillos ondulan alrededor de modo sorprendente; quizás esto aumenta la oportunidad de hacer contacto con un soporte potencial. La nutación es un movimiento de crecimiento y está causada por crecimiento desigual en los lados opuestos del tallo. Se ha sugerido que está provocado por un equilibrio inestable en el ápice del tallo y de alguna manera se determina una oscilación en la producción de fitohormonas. Por otra parte, podría ser una oscilación “de búsqueda” en derredor de la vertical en una respuesta geotrópica. El crecimiento no es un proceso regular, ininterrumpido, sino que ocurre en una serie de pasos discretos. Hay así breves periodos de extensión seguidos de periodos de fijación durante los cuales las c4lulas que previamente se habían agrandado sufrlm un engrosamiento de su pared celular o cdpsula de secreción. La periodicidad de este proceso serige por un oscilador interno que parece ser sensible a la temperatura, a diferencia de los osciladores internos involucrados en la floración y en los procesos rítmicos diarios. Los movimientos de nutación de balanceo hacia los lados podrían resultar del hecho de que los lados opuestos del tallo esun desfasadoseluno respecto al otro. En la circumnutación las oscilaciones describen aparentemente un círculo alrededor del ápice en crecimiento.
LECTURAS ADICIONALES Ver la lista al final del Capítulo 16. Downes, R.J. y H. Hellmers: Enuironment and the Experimental Control ofplant Growth. Academic Press. Londres. 1975. Goldsmith, M.H.M.: The polar transport of auxin.Ann. Rev. PlantPhysiol. 28: 4 3 9 - 7 8 . 1 9 7 7 . Juniper, B.E.: Geotropism. Ann. Rev. Plant Physiol. 27: 385-406.1976. Phillips, I.J.D.: Apical Dominance.Ann. Rev. Plant Physiol. 26: 341-67.1975. Sibaoka, T.: Physiology of rapid movements in higher-plants. Ann. Reu. Plant Physiol. 20: 16584.1971, Torrey, J.G.: Root hormones and plant growth. Ann. Rev. Plant Physiol. 27: 435-59. 1976. Williams, S.E.: Comparative sensory physiology of the Droseraceae - The evolution of a plant sensory system. Proc. A m . Phil. Soc. 120: 187-204. 1976.
Capítulo 20
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LA IMPORTANCIA DE REGULAR EL TIEMPO. La importancia de regular el tiempo queda clara en los dos casos siguientes: no seríabeneficioso para una Planta florecer antes de haber desarrollado suficientes hojas y raíces para poder soportar el desarrollo nutricional de los frutos, y sería definitivamente dañino florecer tan tardíamente que no se alcanzara a completar el desarrollo de sus frutos y semillas antes de la llegada del invierno. El primer caso ilustra la importancia de la correlación de los eventos en una secuencia apropiada para que el desarrollo seaun proceso ordenado y no ocurra al azar. Esta correlación está en gran parte determinada por el hecho que el desarrollo se organiza de manera linear al nivel genético. Muchos procesos del desarrollo se basan en la finalización completa de lospasos previos, para entonces iniciarse, o bien se relacionandirectamente (a menudo por mensajes hormonales)conel progreso deprocesos paralelos. Esto representa la regulación del tiempoque resulta de una programación innata como se desarrolló en los Capítulos 17 y 18. El segundo caso señala la importancia de la medición absoluta del tiempo, particularmente en las plantas que viven en climas donde se alternan las estaciones de buen tiempoconotrasenqueelcrecimiento es imposible.Lasplantas anuales deben vivir su ciclo vital completoentre dos inviernos y eltiempo de floración es de la mixima importancia para su supervivencia. Las plantas bianuay recién lesresisten el invierno en forma de órgano dealmacenajesubterráneo florecenel segundo año.Tanto la regulación del tiempo para tomar la forma invernal como para florecer son de gran importancia. Las plantas perennes como los árboles deben entrar en letargo antes que se establezca el invierno; más aún, para no salir del letargo demasiado pronto(porejemplo durante un deshielo particularmente tibio en enero) deben poseer un mecanismo que regule el tiempo delperiododeletargo. Por último, las plantas perennes también deben florecer en una época del año apropiada para el desarrollo del fruto y de la semilla, Las semillas de muchas plantasnecesitan algún artificio regulador para impedir SU germinación prematura en un tiempo tal (por ejemplo durante un respiro de buen tiempo o a finales del otoño) que no podrían alcanzar un desarrollo apropiado para resistir el invierno. Así pues, cada tipo de planta tiene necesidad de un mecanismo que mida
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el tiempo durante uno u otro de los estadios vitales. El más universal y probablemente el más estudiado de los aspectos de regulación esel de la floración. En este capítulo se examinarán la regulación del tiempo y los relojes biológicos, primordialmente con respecto a la floración. En el curso de este desarrollo se hará referencia a la regulación del tiempo en ciertos procesos rítmicos, como nictinastia, descritos en el capítulo precedente. Ciertos procesos regulatorios relacionados con el letargo se estudiarán en el Capítulo 22. MANERAS DE MEDIR EL TIEMPO. Las diversas clases deartificios para medir el y el tiempoentran en doscategorías: el acumulativocomo el relojdearena rítmicou oscilador (pendular). Los artificiosacumulativosincluyen el reloj de arena, el basto reloj de candela o bujía del rey Alfredo, la clepsidra o reloj de agua de los antiguos y cualquier artefacto que mida el tiempo como el intervalo requerido para completar la operación de un mecanismo o reacción que procede auna velocidad esencialmenteconstante. Se puedenidearfácilmentesistemas químicos de este tipo. Esta clase de reloj normalmente es afectado por la temperatura,asíqueporlo general no es muy exactoexcepto bajo condiciones constantes. El reloj rítmicodependede la oscilación regular de un sistema o de un objeto de un periodo fijo, tal como el péndulo o la rueda del volante en un reloj. Pero a menos que el péndulo sea muy largo, su periodo es corto y el reloj requiere que “se le dé cuerda” si se quiere usar para medir periodos de tiempo largos. No es fácil diseñar sistemas biológicos o químicos de este tipo; pero es posible que un sistema cíclico de reacciones enzimáticas “busque”, o sea que las concentraciones de los intermediariospueden oscilar entre sus puntosdeequilibrio; un sistema tal podría constituir un marcapasos para medir el tiempo de modo rítmico. Un mecanismo hipotético para un oscilador con un periodo relativamente largo podría diseñarse en base a un par de reacciones cuya operación fuese mutuamente exclusiva (por ejemplo, porque el substrat0 de una inhibiera a la otra y viceversa). Tal modelo seria sensible a la temperatura porque depende de las tasas de las reacciones. Es muy difícil diseñar un modelo insensible a la temperatura para un regulador o marcador biológico. Sin embargo, parece que existen.
CbMO FUNCIONAN LOS RELOJES BIOLdGICOS ACUMULATIVO.El medidor de tiempo acumulativo más simple eslavida de la planta. El fisiólogo alemán C. Klebs desarrolló hace mucho el concepto de madurez para la floración, que expresa la idea de que debe alcanzarse cierto estadio del desarrollo para que se pueda iniciar el procesodefloración. El tomatero, por ejemplo, generalmente florea cuando se han desarrollado cinco nudos con hojas en el talloprincipal. Una alternativa es el mecanismo por el cual diariamente se restablece el reloj químico. Por ejemplo, se sabe que el pigmento fitocromo exislo menos,quepuedeninterconvertirseporiluminación te en dosformas,por con luz de longitud de onda específica. Tal sistema podría constituir la base de un sistema medidor del tiempo que midiera la longitud del día. OSCILADOR. Seconocennumerososejemplosdeeventosquetienenuna oscilación rítmica. Incluyen la apertura y cierre de las flores, el movimiento de las hojas, las tasas de crecimiento, las tasas de varios procesos metabólicos, etc. Una
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de las características de estos procesos rítmicos es que continúan en un ambiente artificial en el que se hayan eliminado todas las fluctuaciones rítmicas (como luz y temperatura). Esto indica que hay un ritmo intrínseco u oscilación interna en la planta. Bajo condiciones constantes el ritmointrínseco es deaproximadamente 24 hrs, generalmente entre 21 y 27 hrs. Ya que no es exactamente de 24 hrs la oscilación rítmica se denomina ritmo circadiano (cerca de diario) y no ritmo diario. Tales ritmos son de libre ocurrencia, o sea que tienen un periodo natural que no necesita ser reestablecido en cada ciclo. Además, generalmente están subordinados al ciclo normal de 24 hrs del día y la noche. Es decir, se reestablecen cada día o cada noche, o por latransicióndel unoal otro. Tales ritmos son porlo general esencialmente insensibles a la temperatura. Pueden ser refasados (es decir, reestablecidos para oscilar en el mismo periodo pero teniendo su máxima a diferentes horas del día) de varias maneras. Estos conceptos se presentan en esquema en la Figura 20-1. Posteriormente se examinarán evidencias adicionales que refuerzan la idea dequeexiste enlas plantas algún mecanismo cíclico intrínsecoque regulael tiempo con un periodo aproximado de 24 hrs. No se conoce su naturaleza ni si Figura 20-1. Osciladores.
A. dos osciladores circadianos que están casi en fase. B. Dos osciladores circaC. Un oscilador circadiano con un periodo de dianos que esten fuera de fase. 28 hr es ordenado y vuelto a poner a punto cada día al mediodía. Si se dejara proceder libremente se conduciría como lo muestra la I ínea punteada.
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la oscilación básica es circadiana o relativamente rápida con un mecanismo para amplificar o "desmultiplicar" su periodo. Sin embargo,estaúltimaposibilidad existe definitivamente. Se ha visto que muchas oscilaciones rítmicas de procesos metabólicos o conjuntos de reactantes tienen periodos que van de menos de un minuto a varias horas. Se ha pensado que varias de ellas son una parte o una reflexión de un marcador oscilante básico responsable de los ritmos circadianos. No obstante la comprobación no es concluyente. INTERACCIONES. Ciertos fenómenos periódicos parecen indicar que hay más de un oscilador intrínseco enalgunas plantas, pues parecen operar frecuencias diferentes, y la interacción de las fases de dos osciladores bien podría regular ciertos eventos como se ilustra en la Figura 20-2A. Los movimientos de ciertas algas que se mueven con la marea parecen obedecer a un reloj lunar así como auno diurno. La periodicidad de su conducta continúa en un ambiente constante, así que los ritmos EO resultan directamente de fenómenos lunares o diurnos, sino de algún mecanismo rítmico interno. Es posible que los ritmoscircadianos puedan ser el resultado de doso más procesos rítmicos rápidosligeramente desfasados. de modo tal Figura 20-2:Interacción de procesos rítmicos.
A. Dos ritmos circadianos de periodo ligeramente diferente que van dentro y fuera de fase. B. Ejemplo de c6mo puede establecerse una periodicidad de 24 hr por dos procesos rítmicos que entran enfasecada 24 hr. C. Cómo puede ponerse a tiempo cada día un cronbmetro de tipo acumulativo o reloj dearena flechas) por un proceso rítmico diario.
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que su frecuencia de toque (frecuencia en entrar y salir de fase) sea de cerca de 12 ó 24 hrs, como se muestra en la Figura 20-2B. Un concepto interesante es que estas oscilaciones de periodo largo pueden resultar de las interacciones de varios osciladores de periodo corto (quizá de naturaleza bioquímica). Sin embargo, falta evidencia concluyente. Es posible que interacthen sistemas acumulativos y oscilantes como se muestra en la Figura 20-2C. El oscilador aportaría el marcador de tiempo absoluto para algún conteo repetitivo, en tanto el sistema acumulativomarcaría el tiempo de duración del evento. En un sistema así el oscilador, siendo insensible a la temperatura,funcionaríacomo un marcapasos efectivo; el sistema acumulativo, siendo dependiente de la temperatura, compensaría automáticamente las variaciones en las condiciones ambientales. Tal interacción sería ventajosa para marcar el tiempo o controlareventosmetabólicosperiódicos o eventosque requieren una concentración mínima de algún reactante para completarse debidamente.
RITMOSEXTR~NSECOS. Numerosos factores geof ísicos poco conspicuos sufren ciclos rítmicos de intensidad o polarización. Existe la posibilidad de que las plantas puedan percibirlos y registrar el paso del tiempo por uno u otro de tales factores,como radiacionescósmicas,radiacioneselectromagnéticasdébiles,geomagnetismo o flujo de radiación solar (resultado de la actividad de las manchas solares; el periodo de rotación del sol es de cerca de 27 días). Se han ideado muchosexperimentos ingeniosos para contrarrestar o eliminar los efectos de tales factores.Se ha probadola capacidad de las plantas para medir el tiempocolocándolas en cajas construidas especialmente, aplicando camposmagnéticos para contrarrestar el magnetismo terrestre, dentro de profundas minas para estar libres de la influencia de las radiaciones extraterrestres; en aviones a reacción en vuelo; en cápsulas espaciales e incluso en mesas rotatorias en el Polo Sur, rotando contra el reloj a razón de un ciclo por día de modo que e s t h estacionarias con respecto a la rotación de la tierra. Lasplantas midieron eltiempo en todas esas circunstancias. Hasta ahora no hay evidencia concluyente de que las plantas estén subordinadas o impulsadas por ninguno de esos ritmos extrínsecos, excepto por el ritmo diario de día y noche que probablemente sea el responsable del ritmo circadiano. Los experimentos sobre la percepción del tiempo son muy difíciles: uno de ellosfracasóporquea las plantas bajo oscuridad continua se les regaba diariamente al mismo tiempo bajo la iluminación de una débil luz de seguridad roja. En un laboratorioocurrencambios diarios en el nivel del ruido,en las radiaciones electromagnéticas (por ejemplo, generadas por una luz fluorescente en un cuarto vecino), en las vibraciones mecánicas (gente que camina o máquinas que operan), así que incluso en un ambiente supuestamente constante las plantas pueden estar influenciadaspor algún artefacto insospechado que trabaje rítmicamente cooperando en el establecimiento o en el mantenimiento de los ritmos internos. MEDICIdN DEL TIEMPO PARA FLORACI6N
FOTOPERIODO Y VERNALIZACI6N. Los dos mecanismos más importantes que determinan el tiempoquedebe transcurrir hasta lafloraciónmiden,ambos, el avance de la estación del año. Uno es el fotoperiodo, un mecanismo que capacita a la planta a responder a la longitud del día de manera que florece en una época
PLANTA
51 2
EN DESARROLLO
LA
del año específica, determinada por las horas de luz de los días. El otro es un requerimiento de frío que poseen muchas plantas, las cuales no florecen si carecen de él. Muchas de estas plantas, o sus semillas, pueden tratarse con frío artificialmente de modo que florezcan en un año sin el periodo de liberación requerido. Este tratamiento se denomina vernalización. El término (que significa “primaverización”) se debe a que las variedades invernales de los cereales (trigo o centeno) que se siembran en otoño y pasan el invierno en el campo pueden ser forzadas a desarrollarse como variedades de primavera por tratamiento con frío, de modo que florecen el mismo año en que se siembran. El resto de este capítulo se dedicará a estudiar el fotoperiodo y la vernalización con el objetodedeterminar, hasta donde sea posible, cómofuncionan estos mecanismos y qué clase de relojes (acumulativo o de oscilador) están involucrados en la medición del tiempo.
DESCUBRIMIENTO DEL FOTOPERIODO. En 1920, siguiendo las investigaciones previas del fisiólogo francés J. Tournois, W.W. Garner y H.A. Allard, que trabajaban en loslaboratoriosde Investigación del DepartamentodeAgriculturade Estados Unidos en Beltsville, Maryland, efectuaron una observación crítica que los llevaría al descubrimiento de medición del tiempo de los organismos. Notaron que cierta variedad de tabaco, la Maryland Mammoth, crecía vegetativamente bien en verano pero en el invierno sólo floreaba en invernadero. También advirtieron que la soja sembrada en fechas diversas durante la primavera floreaba toda al mismo tiempo a fines del otoño sin importar cuánto tiempo había estado creciendo. En la Figura 20-3 estos experimentos se ilustran por un diagrama. Garner y Allard experimentaron con diversas variables que pudieran afectar la floración, incluyendo temperatura y calidad o tipo de luz, y descubrieron que el factor crítico era la longitud del día. El tabaco Maryland Mammonth no florea sila longitud del día (o de la iluminación artificial en una cámara bioclimática) excede de 1 4 hrs. Las diferentes variedades de soja también tienen una longitud del día crítica: durante el verano los días son demasiado largos y no se acortanbastantey ocurreIloración;después del 10. deseptiembrelosdías tiene lugar la floración. Figura 20-3. Diagrama que representa un experimento de Garner Y Allard en el cual la soyasembradaen diferentes fechas floreció más o menos al mismo tiempo en el verano tardío. r--
I
It I
Variedad Tokvo
’
I
Varledad B ~ l o x t
I
Mayo Julio
Junio
Ago.
Sept.
ORGANIZACION EN EL TIEMPO
513
Las plantascomo el tabaco Maryland Mammoth quesolamenteflorecen cuando la longitud del día es menor a un determinado máximo crítico se llaman plantas de días cortos. PosteriormenteGarner y Allard demostraron que hay plantas de días largos que florecen sólo cuando la longitud del día excede un determinado mínimo crítico y plantas indeterminadas c) neutras que no son afectadas por la longitud del día. En la Figura 20-4 se muestran ejemplos de estos tipos. Debe advertirse que la longitud crítica del día para una planta de días cortos no es necesariamente muy corta. El punto importante es que cuando se la excede la planta no florea. De manera similar, las plantas de días largos pueden tener un día crítico bastante corto, pero para que florezca debe excederse este punto. Actualmente la mayoría de las plantas se han clasificado de acuerdo a su sin exigencia fotoperiódica; en la Tabla 20-1 se presenta una lista parcial. Hay, embargo, muchas variantes y situaciones intermedias. Algunas plantas tienen una exigencia absoluta de día corto o largo en tanto que en otras la floración sencillamente es promovida o inhibida. Unas pocas especies exigen días de longitud especial solamente al principio de su desarrollo y luego se tornan neutras. Otras pocas florecen solamente en días de longitud intermedia y no en días muy cortos o largos; otras cuantas presentan interrelaciones con otros factores como temperatura: la flor de navidad o poinsetia (Euphorbia pulcherrirna) y la correhuela o gloria (Ipomoea purpurea) son plantas de días cortos en alta temperatura y de días largos en baja temperatura. Algunas plantas se ligan estrechamente con las estaciones: las que son de días largos-cortos florecen tan sólo en otoño durante los días corFigura 20-4. Fotoperiodicidad enlosvegetales: 1) especiede día corto (Perilla nankinensis); 2) especieneutra o indeterminada (Nicotiana tabacurn);3) especiede día largo (Rudbeckia bicolor). La ausenciade floración en Perilla bajo condiciones de día!: largos ( D L ) y en Rudbeckia bajo condiciones de días cortos (DC) son adapatacionespara la supervivenciabajo condiciones ambientalesdesfavorables: sequía estivalen el casodelasespeciesde días cortos y heladas invernalesen el casodelasespeciesde días largos. (De M.Kh. Chailajyán. Reproducido con permiso del National Research Council of Canada, del Can. J . Bot., 39:1817-41. 1961,)
7)
2
DL
DC
DL
3
DC
DL
DC
LA PLANTA EN DESARROLLO
514
Tabla 20-1. Lista parcial de plantas de días largos, de días cortos y neutras. cortos
De días
De días largos
Neutras
Monocotiledóneas Arroz
Cebada
(Oryzasativa)
Pasto
(Hordeum vulgarel Pasto
(Poa annua) Maíz
(Agrostis palustris)
( l e a mayz)
Pasto bromo
(Bromus inermisl Alpiste (Phalarisarundinacea) Avena
( Avena sativa) Pata de gallo (Dactylisglomerata) Rye grass
ILolium spp.) Timoty (Phleum spp.) Triguillo (Agrospyron smithii) Trigo (Tritrcum aestivum)
Dicotiledóneas Briofilum
c oI
(Bryophyllum pinnatum) Crisantemo
(Brassica spp.)
(Chrysanhemum spp.) "Coneflower Cadillo o cardo
(Trifolium pratense)
(Xanthium strumarium) Cosmos
(Rudbeckia brcolor)
Beleño negro
(Chenopodium rubrum) Gloria japonesa
(Hioscyamus niger) Hibisco
(Kalanchoeblossfeldiana) Flor de navtdad o poinsettia (Euphorbia pulcherrima)
(Anethumgraveolens)
(Hibiscus syriacus) (Sinapis alba) Petunia (Petunia sp.)
Fresa (fragaria chiloensis) Tabaco Maryland Mammoth (Nicotiana tabacum)
Rábano (Raphanussativus)
Violeta
Betabel (Beta vulgaris)
( Viola papilionacea)
Correhuela o manto Uoomoea ournurea)
(Phaseolus spp.) Trigo sarraceno (Fagopyrum rataricum) Algodón
(Cosmossulphureus) Quelite o bledo
(Pharbitis n i l ) Kalanchoe
Bálsamo (Impatiens balsamina) Frijol
Espinaca Bpinacea oleracea)
hirsutum) (Gossypium Pepino
(Cucumissatrvus) Té paraguayo (Ilex aquifolium) Alcachofa de Jerusalem (Helianthus fuberosus) Papa (Solanum tuberosum) Rododendro (Rhododendron spp.) Fresa (Fragaria chiloensis) Tabaco* (Nicotiana tabacum) Tomate (f. ycopersicon esculen rum 1
"Las diferentes variedades de estas plantas tienen distintos requerimientos de longitud del día
EN
ORGANIZACIdN
BL TIEMPO
515
tos que siguen a los largos del verano. Las plantas de días cortos-largos lo hacen solamente en los días largos del verano que siguen alos cortos de la primavera temprana. Es claro que el fotoperiodo es un mecanismo que condiciona la época de floración a una estación del año. La peculiar adaptabilidad de este proceso queda de manifiestoporque en varias especies cosmopolitas,cuyo rango se extiende grandemente de norte a sur, la longitud crítica del día varía con la latitud en que crece la planta. Cuanto más al norte, tanto más largo el día, ya se trate de una planta de días cortos o de días largos. Esto va de acuerdo con el hecho de que las de días largos se encuentran más comúnmente en las latitudes altas mientas que las de días cortos tienden a ser tropicales o subtropicales. Es evidente que la vernalización es un fenómeno que ocurre en latitudes altas donde hay un periodo frío en invierno. Por lo tanto, la existencia de la vernalización se encuentra en las plantas de días largos con mayor frecuencia que en las de días cortos. Otros factores, como la intensidad y la calidad o tipo de luz, el abastecimiento de minerales, la humedad del suelo, la humedad relativa, etc., pueden interactuar de diveras maneras para modificar la expresión de las características de día corto o largo en muchas plantas. INTERRUPCI6N DE LA NOCHE Y MEDICI6N DE LA OSCURIDAD. Al principio se creyó que las plantas miden laduracióndela luz diurna,perolosexperimentos de losfisiólogosamericanos K.C. Hamner y J. Bonnerdemostraron que locrí-
tico es la longitud de lanoche.Encontraronqueel cadillo o abrojo (Xunthiurn strurnuriurn), planta de días cortos, florececuandoen su ciclo diario el periodo de oscuridad excede de 9 hrs sin que importe la longitud del día, como se muestra en la Figura 20-5. Posteriormente,losexperimentosde Hamner y sus colaboradoresdemostraronqueuna breve interrupción del periodo oscuro,iluminándolo,nulificaba el efecto de la noche larga demostrando así, sin lugar a dudas, que la planta mide la duración de la oscuridad. Este efecto funciona tanto para las plantas de días largos como de días cortos; sin embargo, un periodo de oscurecimiento durante las horas de luz no tiene efecto sobre la floración. Está claro que lo importante es la duración de la oscuridad sin interrupciones, y no la de la luz. Estos experimentos se resumen en la Figura 20-6. Debe advertirse quela intensidad lumínica del flash que interrumpe el periodo de oscuridad no necesita ser grande; Figura 20-5. Diagramaquemuestra los efectos de días o noches largos y cortos sobrela floración del cadillo o abrojo (Xanthium strumarium). Día 16Nhor c h e
////''// 8 hr
4
No florece
////////
"--L
Florece
516
LA PLANTA EN DESARROLLO Planta de d í a c o r t o ~~
No florece
-- No florece
Florece
.- No florece
" Un d i a
Figura 20-6. Diagrama que muestra los efectos de días largos y de días cortos de una interrupción con oscuridad de un día largo y de una interrupción con luz de una noche larga.
en algunas plantas es suficiente con la luz de la luna si es brillante, y ciertas plantas de días cortos evitan los efectos de esta luz cerrando o plegando sus hojas durante la noche de modo que queden paralelas a la luz incidente y no en ángulo recto. Otras de días cortos requieren un periodo crítico de luz de baja intensidad (comparable a la de la luna) en lugar de un periodo de oscuridad. SITIO DE LA PERCEPCION. Una pregunta que interesó desde el principio es qué parte de la planta percibe la longitud de la noche. Pronto se encontró que las hojas son los únicos órganos receptores. Si se quitan todas las hojas de una planta se vuelve insensible alfotoperiodo. Los experimentosdel fisiólogo ruso M.Kh. Chailajyán" sobre este punto se muestran en la Figura 20-7. La observación más importante es que si una hoja de una planta se mantiene en la longitud de día correcta, ésta florecerásin que importen las condiciones ambientales en el resto de la planta (debe advertirse que la pressencia de otrashojas bajo condiciones de longitud de día inadecuadas, reduce la sensibilidad del sistema). Puedeconcluirse que la hoja es el órganodepercepcióndel fotoperiodo. Estos experimentos indican además que el resultado de la percepción es crear un estimulo que sale de la hoja y va a los meristemos para iniciar la floración. Antes de pasar a revisar la naturaleza del estímulo y su acción en la floracih se considerará la naturaleza del mecanismo de percepción.
EL FITOCROMO. El descubrimiento de que un flash de luz a la mitad de un periodo largo de oscuridad impide la floración de las plantas de días cortos abrió un nuevo campo a la investigación. El flash de luz debe ser absorbido, lo cual quiere decir quedebeestarinvolucradounpigmento. El descubrimientoposterior de que un periodo largo de baja iluminación funciona más o menos igual que un periodo corto de iluminación brillante, hizo posible el análisis del espectro de acción del pigmento. Este análisis fue efectuado por los fisiólogos norteamericanos S.B. Hendricks y H.A. Borthwick que, como Garner y Allard, trabajan en el Departamento de *Otras transliteraciones de este nombre sonChailakhyan, Cajlakjan o Cajlakhjan.
ORGANIZACI6N EN' EL TIEMPO
517
A
Figura 20-7. El papel de la hoja en la fotoperiodicidad. A. Perilla nankiniensis, especiede día corto. A la izquierda (la hojabajo condiciones de días largos) el tallo quedavegetativo; a la izquierda (la hoja bajo condiciones de días cortos) el tallo está en floración y fructificando. B. Rudbeckia, especiede día largo. A la izquierda (la hojabajo condiciones de días largos) el tallo está floreciendo; a la derecha (la hoja bajo condiciones de días cortos) los tallos no florecen y solamente forman hojas pequeñas. (De M. Kh. Chailajyán, reproducido con permiso del National Research Council of Canada, del Can J. Bot., 39: 1817-41. 1961.)
DESARROLLO 518
EN
PLANTA
LA
Agricultura de Estados Unidos en Beltsville, Maryland. En un espectrógrafo muy grande se colocaron hojas de varias plantas de modo que cada hoja estuviera iluminada con luz de diferente longitud de onda, comose muestra en la Figura 20-8. Las plantas (soja, una planta de días cortos) se expusieron a días cortos pero el periodo nocturno se interrumpió con un flash de luz de varias longitudes de onda. Las longitudes de onda más activas en impedir la floración estaban en la zona roja del espectro, como se ve en la Figura 20-9. Pero a diferencia de la fotosíntesis la luz de longitud de onda corta (azul) no era efectiva. También ocurrió un rápido descenso en eficiencia en la región del rojo lejano. EntoncesHendricksyBorthwickreiniciaron una investigación anterior sobre el efecto de la luz en la germinación de las semillas de lechuga, efectuada por los fisiólogos norteamericanos L.H. Flint y E.D. McAllister. Estos investigadores encontraron que la germinación era promovida por la luz roja pero no por la azul o por la rojo lejano, como se ve en la Figura 20-10. Hendricks y Brothwick trataron de determinar experimentalmente si la luz rojo lejano inhibitoria podría revertir los efectos promotores de la luz roja y viceversa, con los resultados mostrados en la Tabla 20-2. Entonces intentaron un experimento similar sobre la floración de una planta de días cortos: la interrupción de la noche larga con flashes de luz roja o rojo lejano inhibió o permitió, respectivamente, la floración. Más aún, un flash de luz rojo lejano a continuación de otro deluz roja nulificó el efecLos resultados t o del flash y la planta floreó como si nohubierarecibidoluz. se muestran en la Figura 20-11. Estos experimentos demostraron que hay un pigmento receptivo de la luz y sugirieron aHendricksy Borthwick queexisteendosformas. Una absorbe Figura 20-8. Plantasdesojaarregladasen el rayo de un espectrógrafo paraser irradiadas con luz devarias longitudes deonda.(De S.B. Hendricks y H.A. Borthwick: Fotoperiodicidad en las Plantas. Proc. Inst. Int. Photobiol. Congr., 1954, pp. 23-25. Utilizado con permiso.)
519
ORGANIZACIdN EN EL TIEMPO
fotoperiodo,
nm
Longitud de onda,
luz roja y al hacerlo se convierteenlaotra.Esta otraformaabsorbe luz rojo lejano y como resultado retorna a la forma original. La que absorbe el rojo se ha La relación entre denominado P, y la que absorbe el rojo lejano se ha llamado Pfr. ellas se pensó en un principio que era
p*
-
luz roja luz rojo-lejano
-
Pfi
Los experimentos que confirmaron esta hipótesis se hicieron con la asistencia de W . Butler, usando un espectrofotómetro especial de extrema sensibilidad.
I /
,
i
Promoci6n de la germinaci6n
Inhibici6n de la germinacibn
I :
550
600
650
700
750
t O
Longitud de onda
Figura 20-10. Efecto devarias longitudes de onda lumínicas enla promoción o supresión de la germinación desemillas de lechuga Grand Rapids (Curvas dibujadas según datosde H.A. Borthwick et al.: Proc. Nat. Acad. Sci., 38:662-66.1952.)
520
LA PLANTA EN DESARROLLO
Tabla 20-2. Germinación de la semilla de lechuga Grand Rapidsdespuésde la exposición secuencia1 a la luz roja ( R ) o rojo lejano ( F R ) . Luz
Germinación,
% Ninguna R R, FR, R, R FR, R, FR, R, R, FR. R F R R , F R , RR,, F R , FR,R,FR,R,FR,R,
8.5 98 54 1 O0 43 99 54 98
R
Fuente: Adaptado de H . A . Borthwick e t a l . : Proc. Nat. Acad. Sei., 38:662-66,1952.
Se desarrollaron con tejido etiolado para minimizar la interferencia de la clorofila y otros pigmentos. Cuando el tejido fue irradiado con luz roja (660 nm) la densidad o absorción de la luz en la región del rojo lejano (730 nm) aumentó, en tanto que la absorción de luz roja decreció. De igual modo, cuando la planta fue irradiada con luz rojo lejano la absorción de ésta decreció, mientras que la absorción en la región del rojo aumentó. Es claroque el pigmentoqueabsorbeal rojo se convierte a la forma que absorbe al rojo lejano por la luz roja y viceversa. El aislamiento del pigmento fue muy difícil porque está presente en cantidades extremadamente pequeñas. Sin embargo, un grupo de científicos enlos laboratorios de Beltsville pudieron finalmente identificar y purificar parcialmente un pigmento que tenía las propiedades deabsorcióndetectadas “in vivo”. Este pigmento,denominado fitocromo fuepurificadoycaracterizadoulteriormente. Es un complejoglucoproteína-pigmentocon un peso molecularaproximadamente de 125,000. Contiene una molécula tetrapirrólica de cadena abierta similar a la de los pigmentos de la ficobilina (ver Capítulo 7 , página 165). Al principio se encontraron considerables dificultades para conocer el peso molecular del fitocromo por medio de técnicas que exigían su sedimentación o su equilibrio de flotaciónpor la centrifugación. Estofue resuelto al encontrarquelamayoría de las preparacionesestabancontaminadascontrazas de enzimas proteasas
D í a largo
/N//////’/
Noche corta
-
N o florece
-
Florece
-
~oflorece Florece Florece N O florece
/////////
Noche larga interrumpida por u n flash de:
ROJO[ R ) R o j o lejano R, FR
.’.
-
R. F R . R, F R -
Florece
Figura 20-11. Efecto de un flash de luz roja ( R ) O rojo lejano (FR) O desecuenciade R y F R durante la inducción nocturna de una planta días cortos. de
ORGANIZACION EN EL TIEMPO
521
30 Longitud de onda, nm
Figura 20-12. El espectro de absorci6n del fitocromo. (De H.W. Siegelman y W.L. Butler: Ann. Rev. Plant Physiol., 16:383-92.1965. Con permiso.)
que degradaban la molécula del fitocromo dando resultados demasiado variables. Su química es muy compleja y parecen existir varios pasos intermedios entre P, y Pfr; el Pfr es algo inestable y parece que in vivo sufre una lenta descomposición y posiblemente una reversión a la forma P, en la oscuridad. Los espectros de absorción de P, y de Pfr se muestran en la Figura 20-12. Se deben mencionar dos características. Ambas formas del pigmento absorben la luz azul y evidentemente ésta tiene actividad en el sistema aunque en mucho menor grado que el rojo lejano y afectando solamente ciertos eventos. La segunda característica es que los espectros de absorción de P, y Pf, se superponen en la región de 650-690 nm, así que la irradiación con luz roja (o luz de día) no causa una completa conversión de P, en Pfr sino que produce una mezcla de dos pigmentos. Estos factores tendrán importancia al desarrollar la acción del fitocromo. MECANISMO DE ACCIóN DEL FITOCROMO REACCIONES MEDIADAS POR EL FITOCROMO. El fitocromo parece estar involucrado en una amplia variedad de respuestas. El criterio para adscribir una respuesta al control del fitocromo es que puede ir en uno u otro sentido, o afectada en direccionesopuestas, alternando los flashes deluzrojayrojolejano. Muchas de estas respuestas también son afectadas porla luz azul. El espectro de acción de una respuesta puede determinarse usando flashes de luz monocromática de diferentes longitudes de onda, el cual puede compararse con el espectro de acción de respuestas al fitocromo ya conocidas y con el espectro de absorción del fitocromo. Aunque el estímulo de floración solamente es percibido por la hoja, hay otras reacciones al parecer medidas por el fitocromo que son percibidas por varias partes de la planta. Una rápida revisión de algunas de estas reacciones, muchas de las cuales se han mencionado en el capítulo anterior, ayudará a clarificar la exposición del funcionamiento de fitocromo en la floraci6n. El fitocromo interviene no sólo en la floración, sino en otros fenómenos tales como el crecimiento (alargamiento del tallo), la orientación de las hojas y tallos en dirección a la luz
DESARROLLO 522
EN
PLANTA
LA
(fototropismo), movimientos de dormición (nictinastia) y la orientación de los cloroplastos en el interior de las células. Se ha considerado que es posible que sea el mismo mecanismo de acción del fitocromo el que controla todo esto (pero no está comprobado deningún modo). La primera característica es la extrema rapidez de algunas de estas reacciones. Los movimientos de la hoja pueden empezar antes de los 5 minutos de haber sido iluminadas, los movimientos del cloroplasto dentro de un término de10 min. El despliegue de la hoja, que está afectado por la luz roja y la rojo lejano, se sensibiliza en 1 min (es decir, basta 1 min de iluminación para que la hoja se despliegue poco después). La segunda característica es que al parecer el fitocromo está disperso en toda la planta. Los movimientos de dormición de las hojas se sensibilizan por la luz percibida por el pulvinus; en muchas plántulas el cayado de la plúmula se endereza al sensibilizarse por luz que recibe el epicótilo; la germinación de las semillas de lechuga se sensibiliza por la luz percibida por el ápice embrionario en crecimiento. Aun las raíces, si bien normalmente no expuestas a la luz, tienen ciertas respuestas típicamente fitocrómicas. LOCALIZACIdNCELULARDEL FITOCROMO. Diversas clases de experimentos han hecho posible localizar al fitocromo en la célula con precisión. Las investigaciones hechas por el fisiólogo alemán W. Haupt sobre el movimiento de los cloroplastos en el alga Mougeotia son interesantes. Cuando la célula se ilumina con luz roja los grandes cloroplastos aplastados se orientan en ángulo recto al rayo luminoso. Haupt encontró que un rayo microscópico de luz roja de solamente 3 p de diámetro podía inducir dicha reacción y pudo demostrar que el cloroplasto se mueve si el rayo se dirige a otra parte de la célula incluyendo el extremo distal, bastante lejos del cloroplasto y del núcleo. Haupt concluyó que el fitocromo se localiza en la membrana celular o plasmalema. Usando luz polarizada demostró que las moléculas del pigmento están orientadas de modo específico en el plasmalema y que la dirección de la orientación cambia 90" cuando el pigmento pasa el fitocromo tenga la de P, a Pf, y viceversa.Por supuesto esto no prueba que misma localización en todas las células, pero da algunas pistas sobre su posible mecanismo de acción. En otros experimentos los organillos subcelulares se han separado por centrifugación midiéndose en ellos y en la fase soluble del citoplasma la distribución del fitocromo. Se ha encontrado que especialmente el Pf,está asociado con varios sistemas de membranas, celulares y de los organillos. El P, se puede encontrar soluble en la célula pero al convertirse en Pk (por absorción de luz roja) rápidamente queda ligado a las membranas.
INTENTOSDE EXPLICACI~NDE LA ACCIdN DEL FITOCROMO. El planteo original de la acción del fitocromo es el siguiente: luz roja
-
pr ,luz . rojo lejano,pf, ,
"+
acción biológica
'."""~~' oscuridad
Sin embargo, la naturaleza de la acción biológica, los intermediarios y procesos de las reacciones, y la manera de operar de los productos de la reacción inicial permanecen en la oscuridad. El fisiólogo alemán H. Mohr sugirió que ocurre una
EN
ORGANIZACION
523
reacción que determina cambios a nivel genético: la activación de uno o varios genes o la síntesisde enzimas. Un buen ejemplo esla inducción de la enzima fenilalanina-amonia-liasa (que produce ácido cinámico, requerido para la síntesis de lignina) por la luz blanca o roja. Los efectos de la luz roja y rojo lejano pueden prevenirse por adición de inhibidores de formación de proteína o de RNA, como la actinomicina D, la puromicina o el cloramfenicol. Pero esto no prueba que la acción primaria del fitocromo sea a nivel genético ya que las reacciones de síntesis de proteína o de RNA podrían ser secundarias. Además, la rapidez de algunas reacciones es tal (por ejemplo, los movimientos de las hojas, la rotación de los cloroplastos, etc.) que dicha inducción enzimática parece quedarfuera de de discusión. Parece que en los tejidos que reaccionan a la estimulación por el fitocromo se pueden establecer potenciales eléctricos; pero tales reacciones por lo general se relacionan con la auxina, y en todas las reacciones que la involucran, aun cuando se aplica externamente, aparece un potencial eléctrico. Parece muy probable que el potencial se deba a la presencia de auxinas y no al revés; parecería pues improbable que la acción del fitocromo resultara de unageneración directa de potencial eléctrico. FITOCROMO ACTIVO E INACTIVO. Las mediciones del contenido total de fitocromo en las plantas después de la iluminación con luz roja o rojo lejano han creado más problemas al modelo simple de acción fitocrbmica.Primero, se encontró que solamente las plántulas etioladas contenían cantidades grandes de fitocromo; los tejidos normales tienen cantidades tan diminutas que rara vez pueden detectarse por las técnlcas actuales aun en tejidos que muestran la respuesta rojo-rojo lejano. Segundo, parece que en algunos tejidos la conversión completa de P, a Pf, nodeterminauna respuesta morfogenética,y algunas respuestas solamente ocurrencuando hay una interconversión parcial de las formas del pigmento. Tercero, parece que la interconversión de P, y Pf, no es tan simple como se había pensado. No hay duda de que P, pasa a Ph bajo la influencia de la luz roja. Pero la reacción inversa no es tan clara. Las mediciones espectrofotométricas sugieren que el Pf, pueden romperse por la luz rojo lejano más que revertir a P,. Esta idea proviene del descubrimiento de que los incrementos en P, no parecen relacionarse cuantitativamente con los decrecimientos en Pb.Deigual modo, el Pfr parece convertirse en otros derivados desconocidos que son inactivos fotoquímicamente. Finalmente, se tienen informes de ciertasparadojas difíciles de explicar. En Pisurn se obtiene respuesta a la luz rojo lejano aun en ausencia de Pf, detectable; en contraste, en Zea la respuesta a la luz roja se satura con una cantidad de luz suficiente para convertir no más de una pequeña fracción deP, y Pb. Estos hechos han llevado a los fisiólogos americanos W.R. Briggs y W.S. Hillman a proponer independientemente, que la mayor parte del fitocromo detectado por espectrofotometríaestápresente en forma inactiva; puedesufrir una fotoconversión, pero solamente una fracción "activa" pequeña y quizás orientada especialmente podría causar consecuencias morfogenéticas alfotoconvertirse. Esta idea se fortalece porque en las plantas se han encontrado varias formas físicas del fitocromo; todas ellas son capaces en mayor 0 menor grado de reacciones fotoquímicamente pero tienensutiles diferencias.
ALGUNASIDEASRECIENTES. Como resultado de tdes evidencias, se han presentado varias revisiones de la teoría simple sobre la operación del fitocromo. En el
524
LA PLANTA EN DESARROLLO
presentenosabemosconexactitudcómofunciona. La siguientemodificación del esquema original hecha por el fisiólogo alemán K.M.Hartmann,
Pf,X -+ acción biológica
sugiere que algún derivado desconocido de Pfr es la forma biológicamente activa. Es posible que este derivado sea una forma de fitocromo ligada a la membrana. De acuerdo a este esquema la síntesis del derivado no dependería de la cantidad relativa de P, y Pf, presente sino de la cantidad absoluta de Pf, que se está formando a partir de P,. Esto se debe a que Pfr puede sufrir dos o más reacciones de las cuales solamente una lo lleva a tener reacción biológica. Este esquema explica varias situaciones experimentales en las que una mezcla balanceada de luz roja y rojo lejano, o luz de longitud de onda intermedia, tiene el efecto biológico más intenso porque mantiene una concentración óptima de Pf, en el tejido. Bothwick y Hendricks han elaborado un modelo más complejocon varias alternativas de transformaciónquepodrían seguir tanto P, corno Pfr 10 queexplicaríamuchas de las observaciones aparentemente contradictorias. Sin embargo, no ha surgido aún una imagen clara. Una hipótesis que relaciona la localización del fitocromo en la membrana con su actividad ha sido dada por el fisiólogo H. Smith. Su modelo, representado en la Figura 20-13, explica que el pigmento parece estar ligado a la membrana y que muchas de sus actividades parecen asociarse con cambios súbitos e importantes en la permeabilidad de las membranas. Las observaciones sobre los efectos de los productos que pueden inhibir la síntesis del RNA y de las proteínas puede interpretarse en base a procesos secundarios que siguen, pero no se asocian directamente, a las reacciones del fitocromo. Una reciente observación de interés, hecha recientemente por el fisiólogo norteamericano M.J. Jaffe, sugiere cómo el fitocromo puede inducir cambios en la permeabilidad de la membrana. Jaffe y sus colaboradores encontraron que la acetilcolina (AC) puede imitar los efectos de la luz roja y que la AC media en diversas respuestas del fitocromo en las raíces, que parecen involucrar a las membranas celulares (la AC actúa sobre las membranas de animales). Esto sugiere que la iluminación con luz roja induce la síntesis de AC, la cual afecta tanto a la membrana celular como a la de la mitocondria, aumentando el transporte de iones, absorción de oxígeno y utilización de ATP. Se piensa que la iluminación con luz rojo lejano inducedestrucciónde la AC o impide su síntesis. Debe enfatizarse que esta hipótesis solamente es especulativa; no se ha encontrado AC en muchas situaciones donde se sabe que ocurren reacciones mediadas por el fitocromo, y no se ha probado a la AC con amplitud como agente morfogenético. Sin embargo la hipótesis da una pista interesante que vale la pena seguir. Muchos análisis de eventos controlados por el fitocromo han dado la idea de que el Pfr ( O el Pfr X) puede de algún modo “controlar el flujo de sustancias reactivas en varias vías de síntesis interconectadas y competitivas”, como dijo el fisiólogoaustraliano L.T. Evans. Algunas reaccionespuedenrequerir Pf, alto,
525
ORGANIZACI6N EN EL TIEMPO Compartimiento externo Membrana Compartimiento interno
Precursor -
+ Acción biológica
Figura 20-13. Un modelo hipot6tico de la acción del fitocromo propuestopor H. Smith. (Redibujado con permiso de Nature 227:665-68. 1970.) P*r y PWfrrepresentan fotoproductos intermediarios. El esquema no indica que P, o Pf, se mueven dentro de la membrana sino que los sitios de enlace de X son anisotrópicos, por lo que se ligan con X en un lado de la membrana y son liberados en et otro.
otras bajo. Además, los requerimientos del Pf, pueden relacionarse con los requerimientos o la magnitud del conjuntodeintermediarios, el abastecimiento de carbono y otras consideracionessimilares. Así es que la diferencia entre plantas de dia largo y de día corto puede estar relacionada con las tasas relativas de interconversión de Pf, y P,. Parece que las plantas de días cortos requieren un mantenimiento alto de Pfrpor un periodo de oscuridad considerable porque la floración se inhibe con un flash de luz roja en la noche. Por otra parte, la floración de las plantas de días largos es estimulada por la luz rojo lejano después de la oscuridad. Parece que hay procesos que requieren alto Pf, y otros querequieren bajo Pf,. En las plantas de días cortoslos procesos de alto P, necesitan mucho tiempo para completarse y que la inducción se produzde bajo Pfr.Pero la natuca. En las plantas de díaslargos los procesos críticos son los raleza de los procesos no se conoce y naturalmente no se puede explicar la diferencia entre plantas de días cortos y plantas de días largos en base a la acción del fitocromo solamente. Hay actualmente tres hipótesis principales sobre la acción del fitocromo: 1) por activación genética; 2) por activación enzim$tica, y 3) por modulación de las propiedades de la membrana. La activación de genes o incluso de enzimas es muy posible y puede explicar algunas respuestas del fitocromo; pero no explica las respuestasrápidasqueson muchas. Las respuestas del fitocromo afectan la permeabilidad de la membrana y muchas respuestas rápidas dependen de un rápido transporte de iones para que se establezcan respuestas osmóticas. Así, el fitocromo (el Pfr,la forma activa) puede afectar la actividad de las enzimas ligadas a la membrana (incluyendo las ATPasas transportadoras de iones) o de otras moléculas reguladoras (particularmente ácido giberélico). La respuesta a estas preguntas no son claras pero actualmente hay una investigación masiva atacando este problema y es de esperarse que pronto se llegue a resolverlo. REACCIONES DE ALTA ENERGfA. Muchas respuestas morfogenéticas requieren de una iluminación de intensidad superior a la que necesita la interconversión de P, y Pfr. Se ha encontrado que algunas tienen un espectro de acción similar al de la fotosíntesis y que la exigencia de alta energía lumínica se puede reemplazar por
526
LA PLANTA EN DESARROLLO
el suministro de azúcares. Así, después de un periodo oscuro largo, interrumpido por cortos intervalos de luz para prevenir la inducción, una planta de días cortos no florecerá al darle un periodo de oscuridad de inducción, a menos que también se le dé un intervalo de luz prolongado o se le suministre azúcar. Evidentemente para la inducción floral se necesita la intervención de reacciones metabólicas que consumen energía. Existen otras exigencias de alta energía que están relacionadas, al parecer, con la acción básica del fitocromo: el mantenimiento de una pequeña concentración crítica de Pf, durante un largo periodo. El espectro de luz óptimo de estas exigencias de alta energía es tal que generalmente causa destrucción del Pfr, pero también causa su continua formación a partir del P,. Esto se ha interpretado, en base al esquema mostrado en la Figura 20-13, como la operación continua de la interconversión cíclica de P, y Pf, para sostener un abastecimiento continuado del intermediario desconocido X en el lugar clave de la reacción. Pero nuevamente debe enfatizarse que el mecanismo mostrsdo en la Figura 20-13 es hipotético y que el verdadero modo de acción de P, y Pf, aún no se conoce. Muchos laboratorios en todo el mundo investigan este problema clave en la fisiología vegetal.
LA RELACI6N ENTRE LA FLORACION Y LASRESPUESTASRAPIDAS. Como se describió en el capítulo anterior, diversos movimientos rápidos en las plantas, incluso fenómenos como la nictinastia, el plegamiento o enrollamiento de las hojas y el movimiento de los cloroplastos en los experimentos con Mougeotzu descritos anteriormente,estánmediadospor el sistemadel fitocromo. Estas reacciones se caracterizan por periodos de inducción extremadamente cortos, desde unos pocos minutos hasta menos de un minuto. Sin embargo, la respuesta de floración es mucho más lenta tomando por lo menos varias horas. Además, todas las respuestas rápidas son percibidas por el tejido reactor; sin embargo en la floración la hoja es el receptor y el ápice del tallo el reactor. Otra diferencia más es la permanencia de la respuesta de floración y la naturaleza efímera o rápida reversibilidad de las respuestasdemovimiento. Estas diferenciasprobablementeson ventajosas para la vida de la planta. Estas diferencias también puntualizan la posibilidad de que las respuestas de floración y las rápidas no estén mediadas necesariamente por el mismo mecanismo. Parece indudable que la percepción se hace por el fitocromo. En el movimiento rápido la percepción es seguida rápidamente por una respuesta que incluye fenómenos de membrana y energía metabólica y que resulta en el flujo de iones que cambia la turgencia y causa movimientos. El cambio es efímero y puede revertirse velozmente. Sin embargo, a la floración no se necesita explicarla recurriendo a fenómenos de membrana ni a flujos de iones (aunque de hecho pueden estar involucrados). Los cambios ocurren con mayor lentitud y son permanentes. Como resultado del cambio en la hoja, se presenta un metabolismo que lleva a la formación de algún estimulante que promueve la floración y se transporta al &pice en crecimiento donde tiene lugar la respuestafinal, Se puedencomparar ambos procesos en la forma indicada en la tabla de la página siguiente. Aunque puede haber similitudes en el mecanismo de la reacción inicial que lleva a las transformacionesen la floración y a la respuestaen el movimiento rápido, no es necesario que así sea. Es evidente que la inducción de la floración es una secuencia de eventos más compleja. La coincidencia en el mecanismo de
ORGANIZACIdN EN EL TIEMPO
Floración
1. Percepción (fitocromo) 2 . Reacción
3. Transformación(paracrear permanencia) (formación del 4. Reacción estímulo de floración) 5. Transporte 6. Respuesta (floración)
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Movimientos rápidos 1 . Percepción (fitocromo)
2. Reacción 3. Respuesta (flujodeiones)
percepción puede ser no más que esto, una coincidencia.Actualmenteno suficiente evidencia para pronunciarse definitivamente.
hay
INDUCCIóN FLORAL INDUCCIdN Y DESARROLLO FLORAL. La inducción no ocurre de golpe. El hecho
de que ciertas plantas puedan ser inducidas a florear por medio de una noche crítica (larga o corta según el caso) sugiere que se trata de un proceso tipo “todo o nada”. Sinembargo, el fisiólogo norteamericano F.B. Salisburydemostróquela transformación del ápice vegetativo en flor depende de la intensidad del esímulo. Es decir, un fotoperiodo inductivo determina que los ápices vegetativos de unas pocas plantas se desarrollen lentamente; varios fotoperiodos inductivos determinan que más plantas se desarrollen más rápidamente. una respuesta cuantitativa así puede ser medida. Salisbury describe ocho estadios en el desarrollo de las flores estaminadas del cardo o cadillo (Xunthium) como se describe en la Figura 20-14. Es por lo tanto posible, sumando y sacando lospromedios de los valores obtenidos de losestadios del desarrollo de varias plantas, tener una medición cuantitativa del promedio de la respuesta floral. Hay otros métodos de cuantificar esa respuesta (dependiendodelaplanta) como el número de flores o botones de cada una, la altura del tallo floral o el tiempo requerido para la floración. Salisbury mostró, usando la técnica de cortar los ápices florales como se ve en la Figura 20-14,que el desarrollo floral de Xanthium ocurre con mayor rapidez cuando el tratamiento inductivo es más vigoroso como lo muestra la Figura 20-15. Estefenómeno y elhecho de quediferentesplantasrequierendiferentes fotoperiodos de inducción para su completafloración indica que su inducción inducida, involucra promover un cambio más o menospermanenteenlaplanta queresulta en un estímulo de floración aplicado continuamente. Si el estímulo inductor es muy débil algunas plantas pueden revertir a la forma vegetativa después de un corto periodo de floración. Esto indica que la inducción puede revertirse y entonces el estímulo para florecer deja de operar. PERCEPCIdN Y TRANSPORTE DEL ESTfMULO FLORAL. Ya sedescribió elhecho de que la hoja es el sitio de percepción de las señales lumínicas que inducen 0 impiden la floración de la planta, lo cual implica que algo debe transportarse de la hoja al ápice en desarrollo enelquese formará la flor. Chailajyán ha puntuali-
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LA PLANTA EN DESARROLLO VEGETATIVO
Estadio O
Estadio 1
Estadio 2
Estadio 3
Estadio 6
Estadio 5
Estadio 4
Estadio 8
Estadio 7
0.0
w 0.5
1.Omm
Figura 20-14.Estadios del desarrollo de un primordio de inflorescencia estaminada de Xanthium. El gradodepubescenciavaría un tanto, dependiendo delas condiciones experimentales. ( D e F.B. Salisbury: Plant Physiol., 30:327-34. Utilizado con permiso.)
.
zado que la respuesta de floraciónrequiere cuatro pasos: 1) la percepción del estímulo; 2 ) la transformación del órgano perceptor (a un nuevo esquema metabólico); 3 ) el transporte del estímulo resultante, y 4) una respuesta del ápice en desarrollo que resulta en la floración. La percepción se hace a través del fitocromo, como ya se ha vista. La transformación es algún cambio en el metabolismo, mediadopor el fitocromo o porunderivadodeéste.Ahoradeben hacerse las preguntas siguientes: ¿cómo ocurre la transformación?, ¿qué es lo que se trans-
529
ORGANIZACI6N EN EL TIEMPO
Días despues de la inducci6n
Figura 20-15. Tasa de desarrollo de la yema floral.Lainducción continua se inició el 3 de junio de 1953. En junio 6 y 7 se dieron dosnoches de 12 hr. (De F.B. Salisbury: flant. fhysiol., 327-34. 1955. Con permiso.)
porta (o es que se interrumpeeltransporte de alguna sustancia inhibidora)?, ¿cómo se determina la floración? Si se transportara un estímulo debería ser posible medir su tasa de transporte. Una técnica es quitar a intervalos las hojas a una planta después de una noche de inducción.Salisbury encontró que si aquéllas se quitaninmeditamente después de la noche de inducción no hay floración, pero si se quitan después de varias horas sí la hay. El estímulo, cualquiera que sea, se ha movido afuera de la hoja y puede iniciar la floración. Evans dirigió experimentos para medir las tasas de transporte del estímulo de floración; encontró que son muy diferentes en las plantas de días cortos y en sondiferentes de la tasa de transporte las de días largos, y que, en todo caso, de los productos de la fotosíntesis como se ve en la Tabla 20-3. Esto sugiere que tal vez son sustancias diferentes las que se transportan en las plantas de días cortos y en las de días largos. Evidentemente, el transporte de estas sustancias, como el del IAA, tiene lugar por caminos diferentes al del movimiento de los productos deasimilacióndelcarbono. Al parecer las sustancias inductorasdelafloración son transportadas por el floemaporquelosexperimentos de injerto demuestran Tabla 20-3. Tasasdetransportedel estímulo de floraci6n y de los productos de la fotosíntesis en rye grass (Lolium, planta de días largos) y manto japonés (Pharbirisnil, planta de d ías cortos). Tasa de transporte, cm/hr Estímulo de floracibn Fotosíntesis 33-37
Rye grass
Manto japonks
2
24-33
77-105
Fuente: Datos de L.T. Evans: Ann. Rev. Plant Physiol., 22:365-34.1971.
530
LA PLANTA EN DESARROLLO
Todas las plantas florecen aunque todas ellas están bajo f o t o p e r i o d o no inductor
Figura 20-16. Diagramaque ilustra el experimento de injerto de Chailajyán, el cualdemuestra el transporte o transmisión del estímulo floral de una hoja inducida a cinco plantas injertadas.
que debe haber una unión patrono-injerto. De igual modo, el anillado impide la transmisión del estímulo de floración. El transporte del estímulo floral recibió mayor apoyo con los experimentos de Chailajyán, quien llegó ainjertar hasta cincoplantas de cardo o cadillo entre sí, como se ve en la Figura 20-16. Si se induce una hoja de una planta sometiéndola al fotoperiodo correcto (días cortos), todas las plantas florecen aunque estén sometidas a días largos, lo que normalmente las mantendría en estado vegetativo. Más aún, se puedeinjertaruna hoja inducidaa una planta no inducida mantenida en el fotoperiodo no inductor, y la planta florecerá. Este experimento ha tenido éxito incluso con una hoja inducida por el fotoperiodo correcto estando desprendida de la planta. Evidentemente la hoja inducida es capaz de exportar a la planta no inducida algo que la lleva a florecer. El problema de la transformación de la hoja inducida se aclara gracias a unosinteresantesexperimentosconinjertoshechospor el fisiólogo holandés J. Zeevart que ahora trabaja en Estados Unidos. Encontró que las hojas inducidas de la planta de días cortos Perilla podían injertarse en plantas vegetativas después de periodos de más de 3 meses y aun podía hacerlas florear demostrando que el estado inducido es permanente en lo esencial. En Perilla se pueden inducir aun partes de hojas (por exposición de la mitad de la hoja a día corto) y solamente ésta causará la floración de la planta. Esto indica que el estado inducido tal vez involucre una transformación permanente y no la mera formación de una sustancia difusible. El estadodeinducciónconfiere la capacidad deexportar un estímulo de floración. Un problema interesante es la diferencia entre plantas de días cortos y de días largos: ¿existen sustancias especiales para cada una de estas clases de plantas? Muchos experimentos con injertos han demostrado que si se injertan entre sí una planta de días cortos y una de días largos, la inducción de una de ellas lleva a la otra a florear. Es claro que tanto en las de días cortos como en las de días largos la floración se determina después de inducir a las hojas por días corser el mismo, o tos o por días largos. Así es que el estímulo de floración debe bien dos sustancias diferentes produceniguales resultados. El fisiólogo holandés S.J. Wellensieck ha estudiado la Silene armeria. En esta planta se puede inducir la floración por diversas condiciones: días largos, vernalio ácido giberélico. Cualquier planta zación,díascortosconaltatemperatura inducida, no importa cómo lo haya sido, puede actuar induciendo a otras, a las
ORGANIZACIdN EM EL TIEMPO
53 1
que se injerta.Todosestospuntos sugieren la posibilidad de que la inducción inicial (como quiera que se haya logrado) es seguida por una reacción secundaria que conduce aluna hormona de floración universal:
días largos días cortos vernalización
\ " +
inducción----+hormonadefloracióntransportable
/
No es ésta la única explicación posible, también puede ser que diferentes sustancias actúen de modo similar o que varias de ellas pudieran estar actuando juntas. Podría ser, por lo tanto, que la diferencia entre las plantas de días cortos y las de días largos se debiera a la concentración normal de uno u otro de los compuestos requeridos. Estas posibilidades se examinarán posteriormente en este capítulo. Se ha acuñado el término genérico florigén para designar a las sustancias estimulantes de la floración u hormonas de floración. Debe enfatizarse que hasta hoy el florigén es un concepto, no una sustancia. Se han llevado a cabo muchos experimentos haciendo extractos de plantas u hojas inducidas, probándolos para ver su actividad florigénica. Unas pocas pruebas han sido positivas, como se muestra en la Figura 20-17, sugiriendo que realmente existe el florigén como sustancia. Pero no ha sido posible aislar ninguna sustancia con acción florigénica; es decir, una sustancia que al ser aplicada a las hojas de una planta se transporte al ápice y estimule ahí al meristem0 no inducido previamente para que desarrolle la flor. Pudiera encontrarse que el florigén sea un grupo de compuestos quizá ni siquiera relacionados entre sí. Hay cierta evidencia, como se verá, de que algunas de las hormonas ya conocidas actualmente tienen propiedades florigénicas aunque ninguna de ellas posee todas las características requeridas para que se la considere el florigén. Los experimentos recientes del fitofisiólogo norteamericano W.L. Wardell demuestran que el DNA extraído del tallo de tabaco inducido para florear causa la floración de los botones no inducidos. ElDNA desnaturalizado por calor es más efectivo, pero los extractos tratados con DNAasa son inactivos. Los extractos de tallos no inducidos también son inactivos. No se conoce la naturaleza del estimulo que determina la formación del principio activo en el extracto. INHIBIDORES. Ciertos experimentos indican la existencia de inhibidores de la floración, sustancias que actúan en forma opuesta al florigén. En algunas plantas la floración se suprime parcialmente si una o más hojas se mantienen en estado no inducido. Dado que la iniciación floral a menudo se lleva a cabo por sólo una hoja inducida,elefecto negativo de las no inducidas sugiere la presencia de un inhibidor. Algunas plantas como Hyosciumus niger (beleño negro, una planta de días largos) florecen si se cortan todas las hojas, cualquiera sea la longitud del día; esto también hace pensar que las hojas no inducidas ejercen una influencia represora sobre el ápice en desarrollo que impide la floración. Los experimentos del fisiólogo norteamericano G.D. Fratianne con la cúscuta, planta parásita, también indican la presencia de un inhibidor de días largos. Cuando la cúscuta crece en un huésped de días cortos, florece solamente en días cortos. Si el huésped se mantiene bajo días largos la floración se inhibe; pero si aquél se defolia en días largos la inhibición queda suprimida. Cuando dos plantas
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L A PLANTA EN DESARROLLO
ORGANIZACI6N EN EL TIEMPO
533
Figura 20-17. Efecto de extractos dehojasde tabajo Mammoth sobreel crecimiento (A) y floración (B) de Rudbeckia. ( A l ) Giberelina 0.02% , (A2) extracto delashojasdeuna planta de días largos; (A31 extracto delashojasde una planta de días cortos; (A41 testigo, agua. ( B I ) Extracto de lashojas de una planta de días largos; (B2) extracto de las hojas de una planta de días cortos; (B3) testigo, agua. (De M. Kh. Chailajyán. Reproducido con permiso del National Research Council of Canada del Can. J. Bot.,39:1817-41. 1961.)
de días cortos se unen por medio de la cúscuta la floración de una de ellas (que se tienebajodíascortos) seinhibe cuando laotra se coloca en días largos. Estos experimentos indican un inhibidortransmisible o transportable producido por las plantas de días cortos cuando están bajo días largos. Pero no se sabe si es un fenómeno general. También es posible que el inhibidor afecte más al crecimiento que a la floración y que el efecto sobre ésta sea secundario. Que en los experimentos de injertos hechos en Perilla, Xanthium u otras plantas baste una hoja, o aununa parte de ésta, para causar la floración de toda la planta bajo condiciones no inductoras, sugiere firmemente que en éstas no intervienen inhibidores. Silohicieran,los efectos estimulantes de un inductor tan débil como lo es un pedazo de hoja probablemente serían contrarrestados por el efecto inhibitorio de todas las hojas no inducidas de la planta patrón. SUSTANCIASDECRECIMIENTO, Ladificultad en aislar al florigén trae consigo el problema de si existe realmente una sustancia especial, el florigén, o si éSta es realmente la expresi6n de los efectos de una sola hormona o de una combinación de las hormonas ya conocidas. Una respuesta de floración notable es el efecto de la auxina sobre la piña; la auxina seusa comercialmente para asegurar la floración uniforme del cultivo en las plantaciones. Pero la piña parece ser un caso aislado, pues en la mayoría de las plantas la adición de IAA inhibe la floración, en lugar de estimularla. Hay evidencia de que las citocininas están involucradas en la floración, pero sus efectos parecen limitarse a muy pocas especies de plantas. Por otra parte, elácidogiberélico tiene efectos enérgicos en lareducción del tallofloraly de las flores en muchas plantas, y se encontró que reemplaza tanto a la vernalización como a la inducción fotoperiódica en muchas plantas de días largos como seve en las Figuras 20-18 y 20-19. Variosexperimentos han demostradoque las giberelinas naturales,extraídas de plantas de días largos inducidas, causan la floración en otras no inducidas. Una revisión de la literatura reciente muesta queelácidogiberélico causa lafloración en muchas plantas de días largos pero no en todas (Lolium, rye-grass, es una excepción). Virtualmente, todas aquéllas de hábito de roseta que se han probado responden al ácido giberélico. Sin embargo, éste causa floración en unas pocas plantas de días cortos como Impatiens balsamina; en la mayoría de ellas no es efectiva. Hay dos explicaciones posibles alternativas: 1 ) queelácidogiberélico es efectivoprincipalmente en las plantas de días largos y sólo ocasionalmente en las de días cortos; por lo tanto, aunque pueda ser esencial para todas, enla mayoría de las de díascortos se encuentraresente con anterioridad en cantidades Suficientes, y 2 ) que el ácido es esencia %n la estimulación del crecimiento del tallo floral, requisito para la flor&clc)ll e11 muchas plantas de días largos. En todo caso parece claroque el ácidogiberélico es parte de un complejoestimulo floral en
P
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LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 20-18. El efecto de giberelina en una planta de día largo, Samolus parviflora, mantenida bajo dlas cortos. Izquierda a derecha: las plantas recibieron O, 2, 5, 10 y 20 pg de giberelina diariamente. (De A. Lang: Proc. Nat. Acad. Sci., 43:713.1957. Con permiso. Fotografía original cortesía del Dr. A. Lang.)
muchas o quiz$ todas las plantas, y tal vezé1 sea el florigén. Además ninguna combinación de las hormonas conocidas parece capaz de funcionar como un estímulo de floración demanera general a todas las plantas. Actualmente, la evidencia experimental parece requerir un florigén, pero los esfuerzos por extraerlo y aislarlo han fracasado; la solución de este problema aún es un reto para los fitofisiólogos. ANTESINA. El término
antesina, acuñado por el fisiólogo ruso N.K. Cholodny, ha sido usado por Chailajyán para denotarunahipotéticahormona iniciadora de la floración que funcionaría junto con la giberelina para producir la formación de la flor. Sugirió que la giberelina casi siempre está presente en cantidad suficiente para hacer florecer a las plantas de días cortos; pero las de días largos carecen de la suficiente por lo que se les debe adicionar, ya sea artificial o naturalmente por los días largos inducidos para que florezcan. Pero las plantas de días cortos solamenteflorecenendíascortosaunquecontengansuficiente giberelina; por ello Chailajyán sugirió que se necesita otro factor de floración, la antesina, además de la giberelina. De acuerdo a esta teoría la antesina se forma en las plantas de días cortos como resultado de los días cortos inductivos, pero probablemente está presente en suficiente cantidad en las plantas de días largos cualquiera sea la longitud del día (como la giberelina en las plantas de días cortos). Las plantas indeterminadas o neutras tienen suficiente cantidad de antesina como de giberelina para florecer sin inducción. Este concepto se resume en la Figura 20-20. Desafortunadamente, este concepto exige otra sustancia hipotética que aún no se ha aislado, así que no es una ventaja sobre el concepto del florigén. Chailajyán ha encontrado que el extracto metanólico de las plantas de día largo muestra una débil actividad inductora de la floración, pero no se ha encontrado un compuesto identificable. Chailajyán hace notarque para la floración no sólo se necesita la presencia de antesina y de giberelina, sino que también el ápice de la planta
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ORGANIZACION EN EL TIEMPO Figura 20-19. Efecto dela giberelina en el crecimiento y desarrollo de Rudbeckia bajo condiciones de días cortos: a la izquierda una planta tratada con solución de giberelina ( 4 5 0 ~ durante 1 1/2 meses)ha formado el tallo y florecido; a la derecha la planta testigo en estado de roseta. (De M. Kh. Chailajyán. Reproducido con permiso del National Research Council of Canadadel Can. J. Bot., 39:1817-41. 1961.)
debe estar receptivo o en la condición correcta, para que actúen dichas hormonas. Muchas plantastienen un periodo juvenilduranteel cual no pueden ser inducidas aflorecer. Puede durar por pocosdíasen algunas especies de maduración rápida o muchosaños en algunos árboles. En ciertas plantas la duración de la juventud depende del estadio de desarrollo más que del tiempo; por ejemplo, la correhuela o manto (Pharbitis) florece normalmente en cuanto se forman tres o Figura 20-20. La hipótesis dela antesina, elaborada por M.Kh. Chailajyán. Los días cortos promuevenla formación de antesina; los días largos promueven la formación de giberelina.Las plantas de días cortos tienen giberelina; las plantas de días largostienen antesina; las plantas neutras tienen ambas. Las dos se necesitan para la floración. ~
Días cortos
+ antesina
=florece
~
~
~~-
Días largos
Plantas de días cortos
Giberelina
Plantas neutras
Giberelina+antesina=florece
Gibereiina
+ antesina =florece
Plantas de días largos
Antesina sola
Giberelina
+ antesina =florece
=florece no
Giberelina sola
=no florece
DESARROLLO 536
EN
PLANTA
LA
cuatro hojas, en tanto que Eupatorium adenophorum florece cuando se forman 30 ó 40 hojas. También interactúanfactoresnutricionalesy la fotosíntesis es esencial para la inducción floral. CAMBIOSENEL APICE DELTALLO. En el Capítulo 18 (página 479) se describieron los cambios en la conversión del ápice vegetativo en floral. Los cambios morfológicos que llevan a la producción de primordios florales están precedidos por cambios en la actividad meristemática del ápice en desarrollo. Unas células que estaban previamente en reposo entran en actividad mitósica aumentando el indice de mitosis de toda el área meristemática. Puede verse que la inducción floral activa la síntesis de RNA y DNA. Parece pues posible que el estímulo de floración (o algún metabolito producido como resultado de su acción) depriman un operón policistrónico de modo que los genes para la floración se hacen operativos. Una alternativa posible es que las partes florales no se produzcan por activación de nuevos genes sino comoresultadode cambios en la actividad del meristemo. Wardlaw demostró (ver Capítulo 18, página 473) que la naturaleza de un primordio -sea de hoja o de flor- puede depender del espacio utilizable y de la organización del meristemo. Es posible, por lo tanto, que actúe el estímulo de floración haciendo que el meristemo se agrande y cambie su actividad de tal modo que la geometría resultante permita automáticamente el desarrollo de las partes florales, en lugar del desarrollo de una hoja. Actualmente no tenemos evidencia para distinguir entre estas posibilidades. El hecho de que puedan cultivarse ápices inducidos de caña de azúcar durante 6 meses y lleguen a florecer afirma la primera idea, ya que es evidente que ha ocuo estableen el meristemo que puede expresarse rridouncambiopermanente mucho más tarde. No parece probable que una geometría específica del meristemo pudiera tener tanta permanencia. No se sabe qué cambios meristemáticos den por resultado su conversión del estado juvenil (no inducible) al estado de madurez, capaz de florecer. Hay ciertas indicaciones de que puede deberse a un lento aumento en diámetro a través del tiempo, pero el meristemo de algunas plantas es capaz de ser inducido y convertido al estado de floración siendo aún muy joven y pequeño, así que esta hipótesis no tiene una base general.
EL FITOCROMO COMO C R O N ~ M E T R O“RELOJ DE ARENA”. Se volverá ahora al problema con el cual se abrióestaexposición: la naturalezadel mecanismo que cronometra la floración. El sistema del fitocromo parece proveer el medio por el que la planta puede medir la longitud de la noche por el método acumulativo como un reloj de arena; puesto que el P, se convierte en Pf, durante el día, o revierte a P, o decae lentamente durante la noche en tanto que se forma un nuevo p,. Se hanhecho diversas objeciones a esta teoría, simple yaparentemente elegante. La primera es que la medición de la longitud de la noche es, en muchas plantas, casi insensible a la temperatura, pero las interconversiones de P, y Pf, son reacciones químicas y por lo tanto dependen de la temperatura. La segunda es que en muchas plantas de días cortos el Pf, decae por completo en unas pocas horas: una fracción del mínimo periodo de inducción en la oscuridad. Esto fue demostrado por Salisbury en el siguiente experimento. Se interrumpiócon un flash de luz roja el periodo nocturno de inducción de una planta de cardo o cadillo, 10 que convertiría al P, en Pf, impidiendo así la floración. Pero si al flash rojo seguía un flash rojo lejano, el Pf, volvería a convertirse en P,. Sin embargo, cuando el flash rojo lejano se separó del flash rojo por 35 min ya no fue efectivo, lo que
L
ORGANIZACION
537
demuestra que el efect,o del Pf, se completa enese lapso. El tiempo era más o menos largo o corto en diferentes plantas, pero siempre inferior al periodo de inducción nocturna. Finalmente, se advirtió que la efectividad de los flashes de luz respecto a impedir la floración de la planta de soja Biloxi, de días cortos, quese había desarrollado en oscuridad continua, variaba de manera peculiar. Los flashes inhibían la floración durante el periodo "nocturno" pero no la impedían durante el periodo "diurno, aunque la planta realmente se mantenía en oscuridad continua. Así que la planta podía distinguir, en alguna forma, entre el tiempo de día y el de la noche aun en oscuridad continua. Evidente.mente, tiene un mecanismo de cronómetro que no es del tipo acumulativo o de reloj de arena, pues este tipo de cronómetro solamente puede medir un intervalo y luego debe ser devuelto a la posición o forma inicial. Debe pues postularse uno tipo oscilador o pendular. Como se verá, la floración es medida por la interrelación de dos tipos de cronómetros: oscilador y acumulativo, involucrando al fitocromo. PROCESOS R~TMICOS
RITMOS CIRCADIANOS. El fisiólogo alemán E. Biinninginvestigó los movimientos dedormición de las hojas del frijol (ver Capítulo 19,páginas 497-98) y encontró que se correlacionaban con ciertos eventos fotoperiódicos que se habían observado. Primero, teníanunritmo circadiano que persistía aun en condiciones constantes. Segundo, el ritmopodía reiniciarse por medio deun flash de luz durante el periodooscuro,perono por un intervalo de oscuridad durante el periodo iluminado, como se ve en la Figura 20-21. Si las hojas se colocaban a la oscuridad continua, el ritmo podía reiniciarse por un flash en el periodo que hubiese correspondidoa la noche sila planta hubiera estado en su ambiente natural, pero no era reiniciado por un flash durant'e el periodo correspondiente a lo que debiera haber sido día. Biinning sugirió que el ritmo circadiano tiene una fase fotófila correspondiente a las horas de luz diurna y una fase escotófila correspondiente a las horas de oscuridad (fotos, luz; scotos, oscuridad). Postuló que la respuesta a la luz en el fotoperiodo se relaciona co'n estas fases en el ritmo endógeno diario de la planta. El fisiólogo norteamericano K.C. Hamner puso a prueba experimental esta hipótesis. Como se recordará, un flash de luz durante el periodo oscuro de inducción impide que floreen las plantas de días cortos. Hamner puso plantas de soja Biloxi, de días cortos,bajo un periodo de 72 hrs de oscuridad lo que normalmente induciría una floración bastante profusa, aunque tal vez no tanto como bajo tres días normales de 1 2 hrs de luz y 12 hrs de oscuridlad. Luego interrumpió el periodo largo de oscuridad iluminando por 4 hrs a diferentes tiempos y usando diferentes plantas en cada tratamiento. El plan del experimento y los resultados que obtuvo Hamner se muestran en la Figura 20-22. La iluminación en el periodo en que la planta debería estar normalmente en noche -la fase escotófila- inhibió la floración; pero cuando la iluminación se dio en el periodo que la planta debiera normalmente estar en día -el periodo fotófilo- la floración se estimuló en gran medida. Esto indica claramente que la respuesta a la longitud del día que parece estar mediada por el fitocromo, interacciona con un ritmo diurno que persiste por lo menos varios ciclos en condiciones constantes. Muchos estudios adicionales ligan claramente la respuesta del fitocromo con
to
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LA PLANTA EN DESARROLLO
Arriba (día)
A b a jo (noche)
7" R i t m ov u e l t oap u n t op o r
I
la luz
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A b a jo (noche)
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(día)
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A b a jo (noche) V
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V
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24 hr
Figura 20-21. Movimiento rítmicos de las hojas, mostrandocómopuedeponerse a punto el ritmo por la luz ( A y C)pero no por un intervalo oscuro (C)o por oscuridad continua (B).
un ritmo endógeno circadiano. El efecto de los flashes rojo o rojolejano varía dependiendo del punto del ritmo endógeno en el cual se dan. Enel rye grass, Lolium temulentum, de días largos, la luz roja es inhibitoria y la rojo lejano es promotora sise aplican durante el principio del periodo oscuro; más tarde, la situación se invierte. En la planta de días cortos Chenopodium rubrum la adición de luz rojo lejano inhibe la floración durante el día en tanto que, como se ha visto, la luz roja inhibe la floración durante la noche. Estos resultados demuestran que la respuesta del fitocromo seliga estrechamente y , de hecho, depende deun ritmo endógeno circadiano. El caso inverso noocurre: es decir,lamedición del tiempo por elritmo endógenonoestáafectado por lainterconversión del fitocromo. Salisbury ha demostrado que varios factores que afectan claramente la interconversión del fitocromo no alteranelmecanismo de cronómetro. Así, si la floración se inhibe en un 50% por una luz débil continua, la cual decrece considerablemente la pérdida
53 9
ORGANIZACI6N EN EL TIEMPO
80
Condiciones reales a las que se expusieron las plantas (8 hr de luz seguidas p o r 64 hrde oscuridad).
1
2 Tiempo, hr
Alternancia"normal"de y oscuridad la aque no expusieron las plantas.
luz se
Figura 20-22. Respuestade la soja Biloxi a flashesde 4 hrde luz durante un periodo prolonse les da un flash durante la fase fot6fila pero gado de oscuridad. Las plantas florecen cuando son inhibidas cuando el flash ocurre en la fase escotófila (Redibujadode datos de K.C. Hamner: En L.T. Evans (ed.): Environmental Control of Plant Growh. AcademicPress,Nueva York, 1963. Con permiso.)
de Pf, en la oscuridad, la medición del tiempo (determinada por el efecto de un flash de luz a diferentes tiempos) no es afectada. Debe recordarse que el ritmono esrealmente diario o sea queno es un oscilador con un periodo preciso de 12 o de 24 hrs. En cambio, generalmente se encuentranritmoscircadianosque varían de 20 a 27 hrs. No obstante, aquél se restablece cada día, por lo general por una señal (delamanecer o del atardecer, o ambas, y es lo suficientemente preciso para medir el tiempo durante el periodo de 24 hrs siguiente.
RITMOS CIRCADIANOS Y FOTOPERIODO. Pareceque la respuesta de floración y los movimientos rápidos comolosde dormiciónde las hojas dependen tanto de un oscilador interno como del sistema del fitocromo. Es pues necesario considerar cómoestos mecanismoscronométricos pued.en interactuar y si verdaderamenteambos sistemas están presentes. Desafortunadamente hay muy poca evidencia clara. El sistema del fitocromo parece ser muy general y en la mayor parte de las plantas estudiadas se le pueden atribuir las respuestas que se encontraron. El cronómetro oscilador está también generalizado: en muchos organismos se ha detectado un "reloj biológico". Parece tomar parte no solamente en simples mediciones de tiempo sino también en actividades tales como el vuelo de las aves migratorias y de otros animales de este tipo. Algunas plantas no muestran ninguna respuesta rítmica o alguna otra evidencia de un reloj biológico. Peroesto no quieredecir que carezcan de capacidad para medir el tiempo. Se puede concluir que tanto el cronómetro acumulativo como el oscilador están, con toda probabilidad, ampliamente distribuidos incluso entre los organismos primitivos.
DESARROLLO 540
EN
PLANTA
LA
Aún no se conocecómo interactílanlosmecanismoscronométricos. Como se sugirió, pareceque la naturaleza del fitocromo depende hasta cierto punto de la fase del osciladorcircadiano.Tambiénestá claro que el ritmocircadiano se establece por la respuesta a la luz mediada por el fitocromo. Es posible mantener una planta bajo un fotoperiodoesquemático, o sea dándole un flash de luz al iniciarse y al finalizar cada “día”. Los flashes corresponden a la aurora y al crepúsculo y establecenefectivamenteelritmocircadiano.La luz roja eseficiente; si esseguida por un flash rojo lejano se nulifica el efecto. Si se retarda el flash “crepuscular” debe reestablecerse todo el ritmo, pero si se retarda más allá de cierto tiempo crítico (generalmente alrededor de la mitad de la “noche”), el ritmo es refasado súbitamente en 180”; es decir la planta seconducecomo si el flash fuera de aurora en lugar de crepúscu!o y el ritmo se restablece de acuerdo aello.Éste se establecey se determinaclaramente por cambios luz-oscuridad mediados por el fitocromo, y las respuestas de la planta al estado de interconversión del fitocromo dependen igualmente del ritmodiario, al menos en algunas de aquéllas. Se han encontradociertas evidencias que sugieren que notodas las plantas requieren o responden en su floración a procesos rítmicos. En algunas plantas (soja, por ejemplo)lafloración puede inhibirse por tratamientos de luz que no afectan el movimiento rítmico de las hojas. Sin embargo, aquí el efecto del flash de luz puede actuar en aquellaparte de lainducción de floración en la que es esencial la respuesta del fitocromo, aunque el ritmo diario no quede afectado o reiniciado. Se ha sugerido que el ritmo en la floración es una cuestión pertinente a la respuesta del ápice del tallo al estímulo de floración que se genera en las hojas. Sin duda se arrojará más luz sobre este fascinante problema cuando se conozca más sobre la naturaleza de la respuesta rítmica. LA NATURALEZADEL CRONOMETROOSCILADOR. Lanaturaleza del oscilador que establece el ritmo cronométrico es aún muy misteriosa. Es relativamente insensible a la temperatura y su periodono es afectado por losinhibidores de la respiración (aunque pueden impedir las manifestaciones del ritmo en la planta). En algunas plantas el periodo del ritmocircadiano se alarga por eltratamiento con agua pesada, D 2 0 , sugiriendo pasos químicos. Hay cierta evidencia deque está involucrada la síntesis de proteínas ya que su inhibición parece abolir el proceso rítmico, pero los datos son difíciles de interpretar. Se ha investigado el lugar del oscilador usando el alga Acetabularia de células gigantes, que posee diversos procesosrítmicos.Lostransplantes de núcleo entre células que están en fases opuestas de su ritmo diario indican que el núcleo e5 el responsable de fijar la fase, porque el ritmo de evolución de oxígeno por la fotosíntesis en la célula transplantada es el que corresponde al núcleo y no el de la célula receptora. Sin embargo, el ritmo continúa sin disminuir durante 40 días en una célula a la que se le extrae el núcleo al igual que en una intacta. Así que, si bien el oscilador es puesto a tiempo por el núcleo, parece residir en el citoplasma. La actinomicina D, que es un inhibidor de la transcripción, interfiere con el ciclo después de 2 semanas, sugiriendo la existencia de un RNAm de largavida, quetoma parte en elestablecimiento o enelmantenimiento del ciclo. No obstante, el inhibidor cloramfenicol que interfiere con su traducción, afecta al ciclo después de 48 hrs,loque sugiere un mecanismo proteico que necesita ser renovado continuamente. Sin embargo, se sabe que en ciertos organismos el ritmo de
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la fotosíntesis es resultado de las variaciones rítmicas en las enzimas fotosintéticas, así que los resultados en Acetabularia pueden simplemente reflejar la capacidad de una enzima de reaccionar al oscilador. La pregunta de qué es lo que causa que la enzima varíe rítmicamente aún no puede ser contestada. Se han hecho muchas sugerencias sobre la naturaleza del oscilador. Se ha propuesto la posibilidad deque un mecanismo cíclicoderetroacción oscila o “busca” en su derredor un puntonulo.Existen varios sistemas metabólicos que tienen oscilaciones periódicas que van desde unos pocos minutos hasta una hora o más, Se ha pensado que es posible que un conjunto de osciladores pueda, por la combinación de sus fases, dar lugar a un ritmo de 12 hrs o circadiano. Esta es una de las hipótesis más atractivas respecto a “engranar” las oscilaciones rápidas para que produzcan un ciclo de periodo largo (análogo al engrane o escapeque transforma las rápidas oscilacionesdelvolante de un relojenelrecorridopor hora o por día de las manecillas). Pero los detalles de un mecanismo así, aunque podrían imaginarse, no se han demostrado. La existenciaderitmosendógenospareceincontrovertible. Los investigadores del grupo de Hamner cultivaron frijol pinto a partir de la semilla en luz continua invariable y demostraron que la planta tenía fuertes movimientos foliares rítmicos circadianos hasta las 4 semanas. La intensidad del ritmo, pero no el periodo, dependía de la intensidad lumínica bajo la que crecían las plantas. Más aún, en tanto que en una planta ambas hojas primarias mostraban ritmos de igual periodo, las dos hojas estaban a menudo fuera de fase entre sí; así que los osciladores estaban claramente relacionados con las hojas y probablemente localizados en ellas, y no con otras partes de la planta y, lo que es más, no podían haber sido originados o influenciados por ningún evento rítmico del ambiente. El fisiólogo canadiense B.G. Cumming y sus colaboradores han demostrado que aun las células y tejidos cultivados provenientes de plantas c m plrocesos rítmicos marcados, tienen ritmos endógenos en su metabolismo;esto sugiere que la conducta rítmica es un fenómeno celular más que de los tejidos. La resolución de esteproblema y otros relacionados con el efecto del fitocromo en la floración son algunos de los avances serios que faltan por hacer en la fisiología vegetal.
INDUCCrdN POR FRfO. Muchas plantas requieren un tratamiento por frío en alguna etapa de su desarrollo para que puedan florecer. Muchos cerealesexhiben esterequerimiento y el trigo es un buen ejemplo. Algunas variedades detrigo, conocidas como de hábito vernal o primaveral, se siembran en primavera y espi-
gan en una estación. Otras variedades, llamadas de hábito invernal deben sembrarse en el otoño, germinan y quedan en el campo durante el invierno para espigar al año siguiente. El tratamiento de frío del invierno les es esencial; si no lo sufren no espigan o su floración se reduce mucho. Los fisiólogos rusos experimentaron con este requerimiento porque a menudo el trigo de hábito invernal es más rendidor que las variedades de hábito vernal. Pero en muchas partes de Rusia el invierno es demasiado severo para que pueda sobrevivir. El genetistaruso T.D. Lysenko encontró que el tratamiento artificial con frío de las semillas de trigo de hábito invernal al iniciarse su germinaciónlespermitíaconducirse como trigos de hábito vernal al sembrarse en la primavera. Esteproceso se llama vernalización (“primaverización”).
LA PLANTA EN DESARROLLO
542
Muchas plantas requierenvernalización.’ Entre ellas se incluyenloscereales de hábito invernal, la mayoría de las bianuales y cierto número de perennes. Muchas bianuales quedan en estado vegetativo durante un periodo de años cuando se las protege del frío invernal. Las perennes que requieren vernalización (o termoperiodo) deben recibir tratamiento de frío cada invierno para florecer al siguiente año. La vernalización representa esencialmente otro tipo de cronometraje acumulativo, con una larga duración, que debe reiniciarse cada año. La vernalización puede ser absoluta como en el caso de muchas bianuales que no pueden florecen sin ella. Pero muchas de las anuales de hábito invernal como el trigo y el centeno Petkus (Secale cereale), responden cualitativamente a la vernalización. Enestas plantas la respuesta de floraciónes más eficienteal aumentar la longitud de la vernalización. L a vernalización completa requiere unos 50 días de tratamiento entre -2°C y +12”C como se ve en las Figuras 20-23 y 20-24. Sin embargo, después de un periodo largo aun sin tratamiento de frío florecen un poco. INTERACCIONES CON OTROS FACTORES. Chailajyán hizonotarquesolamente las plantas de climas templados que sufren tiempo invernal pueden presentar un requerimiento termoperiódico y que es probable que sean plantas de días largos. Por lo general las plantas de días cortos son subtropicales (con excepción de unas pocas como Chrywnternurn que florecen en el otoño tardío). El resultado es que N. del T. : el autor usa el término “vernalización” para indicar la exigencia de un periodo de frío previo a la floración. Es más usual en espaiíol llamar “termoperiodo” a esta exigencia y “vernalización” el proceso de satisfacerla artificialmente.
Figura 20-23. Efecto de la longitud del termoperiodo en la subsecuente floracidn del centenoPetkus. (Redibujado dedatosde O.N.Purvis y F.G. Gregory: Ann. Bot. (N.S.) 1:569. 1937.)
01.1___1___1___1____1_ 10 20 30
40
Duración del tratamiento de fr(o, d(as
50
ORGANIZACION EN EL TIEMPO
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la mayoría de las plantas que requieren termoperiodo son también plantas de días largos o indeterminadas (días neutros). Hay varias interacciones extrañas. En el centeno Petkus la exigencia de termoperiodo puede sustituirse hasta cierto punto por tratamiento con días cortos; pero después de ser vernalizada la planta requiere días largos para florecer. De manera similar, el beleño (Hyoscyamus niger) requiere termoperiodo cuando está en estado de roseta; el desarrollo del tallo floral y la floración ocurren más tarde, solamente bajo días largos. Las interrelaciones de la respuesta de floración y el termoperiodo no son necesariamente complejas; de hecho, puede ser que no exista una interconexión directa entre estos procesos, pero hasta ahora ninguno de ellos se conoce lo suficiente como para asegurarlo. SITIO DE PERCEPCIdN DEL ESTfMULO. Las semillas decentenoPetkus (Secale cereale) que se han hidratado un poco pueden vernalizarse. Los fisiólogos británicos F.G. Gregory y O.N. Purvis demostraron cultivando embriones “in vitro” que pueden ser vernalizados fuera del grano e incluso a los Spices en medio de cultivo. Pero no todas las plantas se pueden vernalizar como semillas. Muchas requieren la exposición al frío de partes vegetativas y es muy variable qué porción debe ser expuesta. Las bianuales que pasan el invierno en estado vegetativo responden al tratamiento de frío en la porción vegetativa de la planta, aun las hojas. Pero en Chrysanthemum la parte perceptiva de la planta es el ápice del tallo; si se tratan con frío las hojas en tanto que el ápice del tallo se mantiene caliente no ocurre vernalización. Otrasplantasestánmenos especia.lizadas.El fisiólogo holandés S.J. Wellensiek hademostradoque las hojas e incluso las raíces in vitro de Lunaria biennis son capaces de sufrir vernalización de modo que las plantas procedentes de las porciones vernalizadas están inducidas y van a florecer. Por lo tanto, actualmente no hay una visión clara del lugmarespecífico donde se encuentra el mecanismo receptor para la vernalización; parece estar presenteendiferentes partes dela planta. VERNALINA Y GIBERELINAS. La vernalización es un
proceso complejo y de hecho puede constituirse por varios procesos. En algunas plantas, como el centeno Petkus, puede tener lugar en la semilla, y todos los tejidos derivados en línea Figura 20-24. Efecto dela temperatura durante un termoperiodo de 6 semanassobrelasubsecuente floraci6n del centeno Petkus. (De H. Hansel: Ann. Bot., 17:417-32. 1953. Con permiso.) Centeno Petltus de hábito invernal
Tratamiento de termoperiodo, OC
LA PLANTA EN DESARROLLO
544
celular directa de los meristemos vernalizados quedan inducidos. En otras, como Chrysanthemum, solamente se puede vernalizar el meristemo y, como en el centeno Petkus, queda vernalizado sólo el tejido proveniente de un meristemo vernalizado. En otras plantas, como el beleño (Hyosciamus niger), bianual, el estímulo puede transportarse por unión de injerto induciendo a una planta no vernalizada. Este último resultado llevó al fisiólogo alemán G. Melchesrs a postular una sustanciaresponsable de la transmisióndel estímulotermoperiódicoa la cual llamó vernalina. Sin embargo, ésta es una sustancia hipotética y no ha sido posible aislarla. Más tarde, A. Lang, hoy en los Estados Unidos, demostró que la aplicación de giberelina podría sustituir a la vernalina en muchas plantas que requieren frío. Sin embargo, la giberelina no es la vernalina pues la respuesta a ella es diferente de la respuesta a la vernalización. En las plantas de roseta tratadas con ácido giberélico, primero se alarga el tallo y produce un órganovegetativo; más tarde aparecen los botones. Cuando se vernaliza, los botones florales aparecen antes de que se alargue el tallo. Además, el ácido giberélico no induce a muchas especies. Chailajyán ha extendido su hipótesis de la antesina para explicar la vernalización en las plantas de días largos de la siguiente manera. Sugiere que en baja temperatura se produce una vernalina que se convierte en giberelina por los días largos. Ésta, con la antesina ya presente en las plantas de días largos, causa la floración (ver páginas 534-35). Bajo días cortos la vernalina no se convierte en giberelina y no ocurre la floración. Sin embargo, las plantas de días largos no vernalizadas pueden ser inducidas a florecer en días largos adicionando giberelina porque ya contienen antesina; en días cortos la adición de giberelina no tiene efecto porque no hay antesina presente. La hipótesis de Chailajyán se ilustra en la Figura 20-25. Desafortunadamente aún no hay evidencia firme sobre la vernalina ni sobre la antesina. Parece probable que las hormonas tengan parte en la inducción floral pero nose sabe cómose relacionan con el proceso de vernalización. NATURALEZADEL PROCESODE TERMOPERIODO. La vernalización es un proceso aerobioporquenoocurrecuando las plantas o semillas se someten al frío en atmósfera de nitrógeno. Es un proceso acumulativo ya que las plantas se vernalizan gradualmente más y más efectivamente conforme pasa el tiempo hasta alcanzar unos 2 meses. En sus primeros estadios puede revertir por tratamiento con calor. Todos estos puntos indican un proceso químico. Pero debe ser poco común pues tiene uncoeficientedetemperatura negativo o sea que marcha más rápido (o mejor) a temperaturasbajas. Figura 20-25. Papelde la giberelina,vernalina y antesinaenel termoperiodo delasplantasde día largo, según M. Kh. Chailajyán. Nótesequecomo se consideraquelaantesina está presenteen las plantasde día largo,la adición de giberelina causará la floración de plantas sin termoperiodo. Vernalina +glberelina=floración ' a r g y (antesina presente)
+ -
Invierno
/
Vernalina
Azucares+ bala temperatura
;i;zw;;bn
florece de vernalina= no
cortos (antesina ausente)
ORGANIZACION EN EL TIEMPO
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Predomina el producto activo
I \
I
Predomina el producto inactivo
m
m
Figura 20-26. Diagrama dela hipótesis de O.N. Purvispara explicar elaparente coeficiente negativodela temperatura del proceso de vernalización.
" O
I 10
I 20
Temperatura, OC
La fisióloga británica O.N. Purvis ha tratado 'de resolver esta paradoja, sugiriendoque hay involucradas dosreacciones de las, que una tiene un coeficiente de temperatura mucho más alto que la otra como se ve en la Figura 20-26. Puede verse que si
precursor
-
9producto activo
intermediario producto inactivo
el Q ,, de la reacción B es más alto queel de A, entonces a altas temperaturas predominará un producto inactivo en tanto que a bajas temperaturas será el producto activo el que predomine. La reacción parecer;á tener un coeficiente de temperatura negativo particularmente si la reacción inicial que precede al compuesto o si el producto inactivo de hecho es inhibitorio. Esta es intermediarioeslenta una explicación hipotética solamente, no basada en evidencia directa. Se ha advertido que en plantas como el centeno Petkus el estado inducido puede pasar dispersándose entre muchas células hijas sin que se diluya (o sea, sin que pierda potencia). Por experimentación se ha demostrado que las ramas cuaternarias (ramas que vienen de otra procedente de una rama nacida en la que viene del tallo) de un tallo vernalizado están totalmente inducidas (en este experimento la ramificación se estimula quitanto el ápice del tallo). Esto ha llevado a la hipótesis de que el estímulo de floración generado por la vernalización se multiplica por sí mismo, como un gene o grupo de genes desreprimidos por la vernalización o como un organillo autorreplicable, activado por aquella, que se multiplica durante la división celular. Pero ninguna de estas ideas se han experimentado. Evidentemente el estímulo no transmisible del rye grass o de Chrysanthemum es diferente al de tipo hormonal, transmisible por injerto del beleño. Esto apunta claramente a la existencia de un doble efecto; posiblemente ambos no se relacio-
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PLANTA
LA
EN DESARROLLO
nen. Se parece, por lo tanto, a la situación que se tiene en la inducción floral por efecto de la longitud del día, en que la inducción de las hojas es un fenómeno claramenteseparadodelestímulodefloraciónen el ápicedeltallo. Quizás los estímulos de floración de ambos casos se relacionan; puede haber, igualmente, similaridades entre la inducción fotoperiódica y la vernalización. Algún principio unificador está faltando en el presente, y los procesos permanecen casi tan misteriosos como cuando se descubrieron.
RESUMEN: F L O R A C I ~ NE I N D U C C I ~ NFLORAL La floración y la inducción floral constituyen un tópico complejo y es ventajoso resumir brevemente algo de la información presentada en este capítulo. La programación genética para la floración está presente en las células del ápice (y de toda la planta) pero no se expresa sino hasta el tiempo conveniente. Esto se determina de dos maneras principales. Algunas plantas empiezan su floración cuando están “maduras para florecer” (han crecido a un tamaño suficiente o a cierto estado del desarrollo) en tanto que otras tienen artificios que determinan cuándo llega la estación de floración que corresponde. La estación se determina pordosrequerimientosimportantes: la longituddel día apropiada (fotoperiodo) y el requerimiento de frío (termoperiodo). El fotoperiodo es un mecanismo por el que se mide el intervalo de oscuridad entre dos periodos de iluminación. Esto se hace a través del fitocromo, pigmento que cambia de la forma que absorbe al rojo P, a la forma que absorbe el rojo lejano y es activa biológicamente, Pfr,por absorción de la luz. En la oscuridad el Pf, se descompone o es cambiado a otras formas y el P, se regenera. Al parecer esto constituye la base de un cronómetro de acumulación (tipo reloj de arena) que es vuelto a establecer cada día; pero actualmente no se entiende bien cómo funciona. La respuesta fotoperiódica está ligada con un ritmo endógeno circadiano cuya causa o mecanismo tampoco se conoce. Como resultado, las reacciones mediadas por el fitocromo (inducción florai, movimiento de la hoja, nictinastia, etc.) también están cronometrados en un ciclo de 24 hrs y solamente ocurren a horas específicas del día o de la noche. Las plantasfotoperiódicassondedías largos o dedíascortos(ocurren otras reacciones más complejas); es decir, florecen cuando la noche es más corta (día largo) o más larga (día corto) que una cierta longitud crítica. El fotoperiodo es medido por las hojas; cuando un periodo oscuro crítico o inductivo (o un número suficient,e de periodososcuros críticos) hasidopercibido la hoja queda inducida y un estímulo floral de naturaleza desconocida (a veces llamado florigén) se difunde o es transportado al ápice. Entonces éste se induce y florece. La diferencia entre las plantas de día largo y de día corto no está clara. Puedenreaccionarenformadiferente al sistema Pr-Pf, pero producen el mismo estímulo de floración (o sea que es universal). Otra alternativa es que existen dos tipos diferentes de estímulos para ambos tipos de plantas. Una tercera posibilidad es que la giberelina se produzca bajo días largos y una sustancia hipotética, la antesina, bajo días cortos. En este caso las plantas de días largos contendrían antesina pero carecerían de giberelina y las plantas de días cortos contendrían giberelina pero carecerían de antesina. La floración de las plantas neutras o indeterminadas dependería del estado de desarrollo de la planta (madurez para floración) que permitiría suficiente producción de ambas hormonas.
EN
ORGANIZACI6N
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El termoperiodo es, esencialmente, un requerimiento de frío que induce a las células, tanto a las del apéndice floral como alais que de ellas se desarrollan, de modoquepueden florecer cuandosonapropiadasotras condiciones (longitud del día, temperatura, madurez para floración, etc.). Muchas plantas perennes y la mayoría de las bianuales poseen este requerimiento. El estímulo puede perciha sufrido birse por los tallos o las hojas de diferentes plantas. Una vez que el tejido el estímulo (se ha vernalizado) la inducción es esencialmente permanente. Las células derivadas de células vernalizadas están ya inducidas. La naturaleza de la inducción o del estado inducido no se conoce. Tampoco se conoce qué relación existe entre la inducción por vernalización y la inducción fotoperiódica y ni siquiera si la hay.
LECTURAS ADICIONALES
Ver lista del Capítulo 16 Briggs, W.R. y H.V. Rice:Phytochrome:Chemicalandphysicalpropertiesandmechanisms of action. Ann. Rev. Plant Physiol., 2 3 : 2 9 3 - 3 3 4 . 1 9 7 2 . Chailakhyan, M. Kh: Internalfactors of plantflowering. .4nn. Rev. Plant Physiol., 1 9 : l - 3 6 . 1968.
Cumming, B.G. y E. Wagner: Rhytmic processes in plants. Ann. Rev. PlantPhysiol., 19:381-416. 1968.
Ann. Rev. Plant Physiol., Vol. 2 2 : 365-94. 1971. Evans, L.T.:Day length and the Flowering of Plants. Benjamin, Menlo Park, Calif. 1975. Hillman, W.S.: The Physiology of Flowering. Holt, Rinehart and Winston, Nueva York. 1962. Marme, D.: Phytocrome:membranesaspossiblesites of primaryaction. Ann. Rev. Plant. Physiol. 2 8 : 1 7 3 - 9 8 . 1 9 7 7 . Salisbury, F.B.: The Floweringhocess. Macmillan Publ. Co. Inc. Nueva York. 1963. Sweeney, B.M.: Biological clocks in plants. Ann. Rev. Plant Physiol., 14:411-40. 1963. Zeevaart, J.A.D.: Physiology of flower formation. Ann. Rev. Plant Physiol., 2 7 : 3 2 1 - 4 8 . 1 9 7 6 .
Evans, L.T.: Flowerinductionandtheflorigenconcept.
Capítulo 21
MODELOSDE NUTRICIóN DURANTE ELI DESARROLLO
FOrOSfNTESIS Y NUTRICIóN En la mayoría de las plantas verdes la principal fuente de alimento y energía es la fotosíntesis que se produce primordialmente en las h.ojas y otros órganos específicamente adaptados. Sus productos seusan principalmente en otraspartes de la planta de modo que deben ser transportados a los lugares donde se utilizan. Ocurre también en menor escala en otras partes de la planta,, particularmente en los tallos verdes, brácteas florales y partes de los frutos. El grado en que la fotosíntesis de estos órganos contribuye a la nutrición general de la planta puede ser sorprendentemente grande, Esto trae consigo el problema de la eficiencia integral de la planta: ¿necesita todo el fotosintetizado que elabora?, ¿o sencillamente la fotosíntesis no se detieneporque el aparato fotosintético sigue funcionandoautomáticamente? ¿O hay mecanismos de control que regulan el uso dle la energía absorbida por la planta? ¿Es ventajoso poseer mecanismos que reduzcan o controlen el uso integral eficiente de la energía absorbida? Estas preguntas se considerarán al ir examinando los modelos y el control del ir y venir de los nutrientes en las plantas en desarrollo y en la madurez. Parece muy probable que la mayoría de las plantas produzca más fotosintetizado que el requerido para su crecimiento y reproducción. Las bianuales y perennes normalmente producen y almacenan cantidades importantes de carbono reducido que sirve como fuente de energía para el clcecimiento del año siguiente. Además, en las semillas se deposita una cantidad considerable de carbohidratos u otro tipo de carbono de almacenaje. Probablemente las plantas que viven en climas extremosos(periodo de tiempoinclemente,bajatemperatura,sequía,etc.)que reducen la fotosíntesis están faltas de carbono y dependen de la máxima eficiencia fotosintética para sobrevivir. No obstante es evidente quela mayoría de las plantas efectúan más fotosíntesis de la requerida, incluso para la producción de semillas o sustancias de almacenaje. Parte del exceso sin duda se pierde durante la caída de las hojas y mucho se consume por el incremento de la respiración que acompaña a la senilidad. Si existen o no mecanismos que causen una reducción en la fotosíntesis cuando se llenan los sitios de almacenaje, no está aún claro; más adelante, en este capítulo, se examinará la evidencia sobre tales mecanismos de control de retroalimentación. La planta en desarrollo o madura tiene por lo general varias o muchas hojas distribuidas adiferentes niveles sobre el tallo, queposeenrelaciones vasculares
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LA
EN DESARROLLO
específicas con otras hojas y otras partes de la planta. Como resultado, las diversas hojas mantienen diferentes relaciones físicas entre sí, con el tallo y con la raíz. El transporte es más fluido entre partes de la planta que tienen conexión más o menos directa, así que la nutrición de carbono de las diferentes partes heterótrofas de la planta depende de la actividad fotosintética de diferentes hojas. Además, ciertos eventos metabólicos tales como la reducción de los nitratos o la fijación del nitrógeno se producen en gran proporción en las raíces de algunas plantas; estos procesos requieren nutrientes con carbono no tan sólo para abastecerse de la energía necesaria y del potencial reductor sino también para proveerse de esqueletos de carbono para desintoxicarse del amoníaco y formar compuestos orgánicos nitrogenados. Los aminoácidos formados en la raíz deben transportarse a otras partes de la planta. Algunos otros se hacen en las hojas como resultado de la actividad fotosintética; éstos también deben distribuirse por toda la planta. Las diferentespartes de éstarequierendiferentestipos de compuestosconcarbono para su metabolismo. Algunos pueden constituirse por azúcares u otros productos fotosintéticos primarios sintetizados en el propio lugar de su metabolismo. Otros pueden ser productos fotosintéticos primarios transportados como tales a donde van a metabolizarse. Así que hay un tránsito complejo de varios tipos de nutrientes que van hacia arriba y hacia abajo de la planta entre las diversas hojas y entre éstas, las raíces, el tallo y las ramas de la planta. Los tópicos que se considerarán no tienen que ver sólo con la tasa de la fotosíntesis sino con la posibilidad de mecanismos que controlen la naturaleza de sus productos, las cantidades exportadas por las hojas, la dirección del transporte y la actividad metabólíca de algunas partes de la planta en relación con las necesidades de otras. Lo que equivale a la regulación del tráfico de nutrientes de la planta de modo tal que se interrelacionen la capacidad metabólica de diversos hrganos con los requerimientos de otros. También se considerará el desarrollo de la capacidad metabólica de sus partes conforme crece y los modos de enfrentar las exigencias nutricionales hasta lograr una eficiencia metabólica. E L ESTABLECIMIENTO DE LA FOTOSfNTESISEN LA PLANTA Durante la germinación las reservas de la semilla empiezan a ser metabolizadas y transportadas hacia el ápice en crecimiento, algunas como productos inmediatos de la desintegración de los compuestos almacenadosy otras después de sufrir transformaciones en los tejidos donde se almacenan. Este proceso provee la nutrición de la plántula hasta que llega a ser capaz de sostenerse a s í misma adquiriendo nutrientes del medio. La raíz empieza a absorber nutrientes inorgánicos a edad muy temprana, en la mayoría casi en cuanto empieza apenetrar en elsuelo.Perola autotrofia del carbono empieza mucho más tarde y la plántula subsiste utilizando las reservas de carbono del endosperm0 o de los cotiledones hasta que las primeras hojas se acercan a la madurez. En algunas plantas las primeras hojas son los cotiledones modificados en órganos fotosintéticos. En otras, los cotiledones modificados en órganos fotosintéticos.Enotrasloscotiledonesno emergen o se caen, sin modificaciones esenciales, y las hojas primarias son los primeros órganos fotosintéticos funcionales. La mayoría de las hojas se vuelven verdes antes de su completo crecimiento; muchas están ya verdes en estadios del desarrollo muy tempranos. Pero por lo general carecen de fotosíntesis, o es muy poca, hasta que se despliegan casi total-
NUTRICI6N MODELOS DURANTE DE
EL D E S A R R O L L O
551
1.5
30
3
-
E,
2
Longitud de cotiledones
1
20 I
e
Fotosíntesis en
.--
plhtulas
z N
10
8
-
Longitud d e lasI
I
primarias
O .n
hojas
E,
Figura 21-1. Crecimiento, fotosíntesis y respiración de plántulas de pino rojo. (Dibujado según datos de S. Sasaki y T.T. Kozlowski: Ann. Bo?.,33:473-87. 1969.)
O
I
I
O
--.
1 I
Respiraci6n en pldntulas
, 10
I
20
30
O
eE -
-0.25 40
D (as
mente. Experimentos hechos con 14C02 han demostrado que al principio el COZ se absorbe lentamente y quegran parte del carbono' absorbido se usapara hacer proteínas estructurales y enzimáticas y otros componentes requeridos por el aparato fotosintético. Solamente cuando la hoja se aproxima a su tamaño máximo empieza una alta tasa de fotosíntesis y una pro'ducciónmasiva de carbohidratos. La síntesis de clorofila precede al establecimiento de la fijación fotosintética del carbono por un periodo que varía desde horas hasta días. Esto puede deberse a que no se han formado todas las enzimas necesarias para la fotosíntesis o a que alguna parte esencial del mecanismo, aunque ya formada, se encuentra en estado inactivo. Despu6s de la formación inicial de clorofila. puede utilizarse cierta cantidad de energía lumínica en reacciones de carboxilación conducentes sobre todo a la formación de ácidos orgánicos y aminoácidos. Éstoz; se usan, a su vez, en la construcción de la maquinaria estructural y enzimática del proceso fotosintético completo. Así que el primer paso en la nutrición autotrófica de los órganos fotosintéticos es la formación del propio proceso autotrófico principal. Está claro que previamente se forman otras enzimas catabólicas, por el hecho de que la respiración de la plántula se inicia tan pronto como empieza la germinación y alcanza una alta tasa en los cotiledones y hojas jóvenes antes de que empiece la fotosíntesis. Los resultados de los experimentos del fisiólogo norteamericano T. Kozlowski y sus asociados, que se muestran en la Figura 21 - 1 , ilustran estos sucesos. A pesar de que la fotosíntesis no empieza en cuanto emerge el hipocótilo, pronto comienza a contribuir de modo importante al desarrollo de la nueva plántula. Si se quita el tejido fotosintético en desarrollo o si no hay luz suficiente para una fotosíntesis efectiva (pero la necesaria para prevenirla etiolación) el desarrollo de la plántula se retarda mucho. Kozlowski ha demostrado que la tasa de crecimiento y diferenciación en los estadios delagermin.aciónquesiguen al establecimiento de la fotosíntesis se correlacionan con la tasa fotosintética en las plhtulas de pino rojo aunque se est& metabolizando aúnmuchasreservasde la semilla. Parece, por 10 tanto, que el desarrollo de la plántula.sehacedependiendodela producción fotosintética en cuanto se desarrolla la fotosíntesis.
LA PLANTA EN DESARROLLO
552
MODELOS DE N U T R I C I ~ NEN LA PLANTA ADULTA
MODELOS DE ASIMEACIÓN. Hay una marcha diaria de la fotosíntesis relacionada con la intensidad lumínica y la variación diaria en el estado hídrico de la planta. Muchasplantasparecenresponder solamente a estos estímulos ambientales. En estos casos la tasa de fotosíntesis aumenta o decrece según la intensidad de la luz solar, declinando un poco almedio día y poco después debido al mayor stress interno por agua. Sin embargo, las tasas fotosint6ticas en otras plantas se desvían claramente de los valores esperadosconforme a las consideraciones expuestas. En muchas algas colocadas bajo condiciones constantes la fotosíntesis continúa mostrando unaperiodicidaddiariadurantevarios días, elevándose a un máximo al medio día y cayendo en la noche. Esta periodicidad de la fotosíntesis parece depender de cambios en la actividad de enzimas fotosintdticas tales como la carboxilasa de la ribulosa-bifosfato, que a su vez podría estar en relación con los ciclos de actividad diarios que se desarrollaron en el capitulo anterior. En algunas plantas la tasa fotosintética declina un poco después de periodos prolongados, lo que sugiere que la cantidad requerida de productos fotosintéticos puede ejercer algún efecto en el proceso de fotosíntesis, pero en muchísimas plantas no es así. En algunas hojas, como en el tabaco, ese proceso puede continuar hasta que los cloroplastos se desintegran por acumulación masiva de almidón. Otros procesos ademásdela fotosíntesis muestran también una fuerte variación diaria. En muchas plantas el transporte del fotosintetizado tiene lugar principalmente durante la fotosíntesis o poco despubs que el proceso se detiene. Esto significa que durante el día están disponibles en gran cantidad fuentes de energía para la absorción de nutrientes, reducción de los nitratos, etc. Más a ~ nla, probabilidad es que la absorción del agua sea mayor durante el día así que la absorción de minerales probablemente es mayor entonces. Podemos inferir quela nutrición mineral de la planta está sujeta a una periodicidad diaria. De modo similar, ya que la energía para los procesos de síntesis se deriva en último término de la fotosíntesis, estará disponible con mucha mayorfacilidad durante el día. Esto concuer-
Intercambio de gas Fotosintesis
Respiración
.
0-
I
I
1
Transporte
O
U
1 4 0 abajo
14C arriba
’
4 (Joven) Número
7
10 de la hoja
13
16 (vieja)
Figura 21-2. Efecto edad de la de la hoja sobre lafotosíntesis neta, la respiraci6n y eltransporte de 1% consiguiente a fotosíntesis la con “ T O 2 . (Dibujado según datos de P.R. Larson y J.C. Gordon: Am. J. Bot., 56:1058-66.1969.)
NUTRICI6N MODELOS DURANTE DE
EL D E S A R R O L L O
553
Tabla 21-1. Tasas de absorción de C02 a la luz (2,500 b/p) por hojas de trigo a diferentes estados del (desarrollo de la planta. ~
~~
Absorción de COZ, mg/(dm2)(hr)
No. de hoja
Emergencia de la espiga
2 3 4 5 6
14.0 14.7 18.6 22.1 24.3
Floración
Llenado Llenado temprano medio del grano del grano
-
-
-
14.4 11.0 18.3 16.2
10.6 16.6 16.9
8.6 12.7
Fuente: Datos de H.M.Rawson y G . Hofstra: Aust. J. Biol. Sci., 1969.Utilizados con permiso.
22:321-32,
da con las observaciones de quelamayor parte de laactividad de síntesis de proteína de la planta ocurre durante el día. Adem&de las variacionesdiarias en la fotosíntesis, las hay estacionales. Muchas coníferas fotosintetizan muy lentamente en el invierno, incluso si se colocan en condiciones de calor y luminosidad en invernadero. Evidentemente el letargo invernal incluye una inactivación o pérdida1 de algunas enzimas fotosintCticas aunque el contenido de clorofila se mantiene em invierno. No todas las hojas de una planta tienen la misma capacidad fotosintCtica. 2 1 - 2la tasa de fotosíntesis que inicialmente es Como se puede ver en la Figura alta en las hojas jóvenes de un álamo, se incrementa hasta la séptima hoja y luego decrece en las hojas más viejas. Por otra parte, las tasas de fotosíntesis de todas las hojas del trigo se incrementan continuamente con la edad durante la formación y llenado de la espiga como se muestra en la Tabla 2 1 - 1. Las de las hojas del frijol aumentan lentamente con la edad pero muestran i.ncrementos súbitos y notables, que pueden ser de corta duración, cuando las yemas axilares rompen su letargo y empiezan a crecer (Figura 2 1 - 3). Figura 21-3. Efecto del rompimiento de letargo de lasyemas (flechas) en la tasa de absorción del COZ por la fotosíntesis de una hoja de frijol. (Datos de W.B. Levin y R.G.S. Bidwell.)
1
2
3
4
5
las
6
I
7
8
9
554
LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 214. Exportaci6n de carbono fijado enla fotosíntesis por hojas de una planta de chícharo o guisante. (Datos de A.J. Link. Redibujado de C.A. Swanson.En F.C. Steward (ed.): PlantPhysiology: A Treatise. Vol. I I . Academic Press, Nueva York. 1959.p. 51 1 .)
Así, la capacidad fotosintética de la planta ensu totalidad es el resultado delasdiversas capacidadesindividualesde sus hojas. Puestoque éstas pueden variar de modos diferentes al mismo tiempo, la resultante para la planta como un todo es compleja y quizá no tiene gran significación. Sin embargo, engeneral la tasa de la fotosíntesis parece relacionarse con las actividades metabólicas y por lo tanto con las exigencias de la planta. Esto parece aplicarse tanto a las hojas individuales, en relación con la actividad de regiones limitadas de la planta, como a toda esta relación seexpondrán al final ella. Los mecanismosposiblesquegobiernan del capítulo. MODELOS DE EXPORTACIbN DE LAS HOJAS. La contribución fotosintética de la hoja a la planta total cambia continuamente con su edad; es decir, la cantidad de fotosintetizado que exporta una hoja varía de un tiempo a otro. Más aún, no sólo varía la cantidad sino también la dirección en que se transporta el fotosintetizado conforme la hoja envejece. Así se tiene que las hojas jóvenes exportan principalmente hacia el ápice del tallo y a las regiones mbs jóvenes aún en crecimiento de Tabla 21-2.
1 4 C exportado
de hojas de trigo de 35 días, que han fijado 14C02 a la luz.
-
Exportación de la hoja no.
Distribución del 14C exportado, % I 4 Ctotal exportado en
14C exportado,
‘j;I4C fijado Hojas Macollos Raíces
2 3 4 5 6
55 61 54 52 65
Fuente: Recalculadadedatosde con permiso.
47 44 24 13 1.5
36 7.3 46 6.5 57 48 35 1.5
6.9 3.1 2.0 1.5 0.3
Tallo
Espigas
15
1 .I 0.7 0.7 2.1 57
40
H.M. Rawson y G. Hofstra: Aust. J. Biol. Sci, 22:321-31, 1969. Utilizada
MODELOS DE NUTRICI6N DURANTE EL DESARROLLO
555
Figura 21-5. Filotaxia y distribución de 1 % en una planta de tabaco de 81 días. La hoja tratada, con suministro de"%O2 a la luz, se muestraen negro. La intensidad del sombreado indica la cantidad relativa de 1 % recobrado. (Redibujado de M. Shiroya, G. R. Lister, C.D. Nelson y G. Krotkov: Can. J. Bot., 39:855-64. 1961.I
los Apices de las hojas y ramas. Las hojas adultas exportan primordialmente hacia abajo, a la base del tallo y la raíz. Esta característica se muestra en una planta de chícharo o guisante en el diagrama de la Figura 21 La misma hoja exporta principalmente hacia arriba cuando es joven y conforme envejece cambia la direccibn exportando a la raíz. Este esquema deconducta se ilustra en la Tabla 21 -2 con datos de hojas de trigo. La filotaxia (la relación espacial de las hojas entre sí, a lo largo del eje del tallo, ver Capitulo 18)tiene una influencia importank sobre el transporte del fotosintetizado como se veenla Figura 21 - 5. Aquí la relación parece derivarse del hecho que las hojas situadas una sobre la otra se conectan por hileras vasculares m á s directamente, lo que sugiere que la exportación tiene lugar primordialmente siguiendo la ruta vascular más directa. Pero si se quitan las hojas adult= opuestas a una hoja a la que se le haya dado 14C,las hojas jóvenes en crecimiento que quedan tienen que descansar en lashojas maduras opuestas para proveerse decarbono. Bajo estas condiciones se exporta mucho más fotosintetizado con I4C alas hojas enelladoopuestode la planta. Un experimento queilustra este puntose muestra en la Figura 21-6. Así es que la ruta directa es puramentela preferente pero no el Único camino posible.
-4.
Figura 21-6. Distribución de la radioactividad enhojasde remolacha, una semanadespudsdesuministrar 14C02 a una hoja. (A) La planta estaba intacta y recibieron I4C solamente lashojasjóvenes que estaban del mismo lado que la hojatratadaenla planta. (B) Las hojas expandidas del lado opuesto a la hoja tratada fueron cortadas. Como resultado el carbono de la hoja tratada se movió tambidn a lashojasjóvenes del lado opuesto de la planta. (Redibujado de K. Joy: J. Exp. Bot.,
15:485-94. 1964.)
1 4 ~ 0 ,
A
11 se cortaron B
DESARROLLO 556
EN
PLANTA
LA
En el curso desus investigaciones con chícharos en Australia, J.S. Pate ha demostrado que el carbono fotosintetizado por las hojas superiores va directamente al tallo. Ahí el carbono se convierte en proteína del tallo entrando a un grupo de aminoácidos formados caracteristicamente en el tallo, incluyendo glicina, alanina, serina, valina y los aminoácidos aromáticos. El carbono de las hojas inferiores, por el contrario, se transporta hacia abajo a la raíz y ahí se convierte en un grupo de aminoácidos diferente, principalmente asparagina,glutamina, Acido aspfirtic0 y glutámico, treonina, lisina, arginina y prolina; 6stos son luego transportados hacia arriba del tallo al ápice en crecimiento. Así, todos los aminoácidos requeridos para la síntesis proteica quedan utilizables para el crecimiento del tallo; pero algunos se derivan directamente del carbono exportado por las hojas superiores en tanto que otros vienen indirectamente del carbono exportado por las hojas inferiores, vía el metabolismo de la raíz. Los iones inorgánicos tambibn se mueven en la planta durante su crecimient o . A principios de laprimavera el contenido de minerales del suelo es bastante alto. Sin embargo, las exigencias de una planta anual al poco tiempo de nacer son bastante menores de lo que serán más adelante, cuando alcance un tamaño mayor y entre al estado reproductor. En este estado, a causa del activo empobrecimiento del suelo por el crecimiento de las plantas y por los microorganismos, el abastecimiento de nutrientes puede verse muy restringido. De ahí que la planta tenga que descansar en los nutrientes almacenados que adquirió a principios del año y en los nutrientes liberados por las partesde la plantas muertas o en senilidad. Algunos iones quedan inmóviles y no pueden redistribuirse. Una carencia de ellos produce síntomas caracteristicos de deficiencia enlas hojas jóvenes (por ejemplo, azufre, hierro, manganeso, boro, cobre, zinc). Otros son móviles y se redistribuyen de los tejidos viejos a los nuevos y sus deficiencias afectan primero a las hojas viejas. Parece probable que cuando salen grandes cantidades de nitrógeno, fósforo y potasio de l a s hojas viejas conforme van apareciendo hojas nuevas, el balance osmótico de las cklulas en las hojas viejas es sostenido por la retención de azúcares simples producidos en la fotosíntesis. Una planta en estado de madurez generalmente está muy bien abastecida de carbono reducido y fácilmente puede permitirse este aparente desperdicio de azúcares en tanto que no puede permitirse retener salesinorganicas parauna tarea fácilmente realizadapormoléculas orgánicas simples. F O R M A C IDEL ~ N FRUTO. Varios estudios recientes han ayudado en la determinaciGn de la fuente del carbono para la nutrición de los frutos y semillas en desarrollo. Hace tiempo se descubrió que solamente es preciso un pequeño porcentaje de las hojas de una planta para la nutrición del fruto con carbono. El tomatero produce una cosecha de frutos normal aunque se lo despoje de todas sus hojas excepto las más cercanas a las ramas con frutos, siempre que esté bien abastecido de nutrientes inorgánicos pues de otro modo tienen que venir de las hojas viejas. En dos tipos de manzanos se encontró queson suficientes de 15 a 30 hojas paradar soporte al máximo crecimiento de un fruto. En el limonero, como en el manzano, solamente tiempo queel fruto y en la las hojas cercanas o lasquesedesarrollanalmismo misma rama le transportan carbono. L a s hojas más distantes y las situadasen ramas laterales lo transportan principalmente a la raíz. Pate y sus colaboradores han determinado que en chícharo la hoja adyacente al fruto abastece dos tercios del carbono de las semillas. El diagrama de la Figura 21-7, dibujado a partir de sus datos, muestra que la mayor parte del que éstas
NUTRICI6N MODELOS DURANTE DE
EL DESARROLLO
557
.-
-
m L20
-
D(as después de floración
Figura 21-7. Fuentes de carbono parasemillas endesarrollo en un solo nudo en fructificaci6n de una planta de chícharo. Lasestimaciones incluyen lavaina, estípulas y hoja del nudo en fructificación. El carbono que no se deriva deórganor;en dicho nudo (incluyendo otras planhojas) se indicaron viniendo "de otras partes de la ta". (Redibujado s e g h datos de A.M. Flinn y J.S. Pate: J. EXP. Bot., 21:71-82. 1970.)
poseen proviene de la hoja adyacente y de las estipulas, pero también una buena parte viene de la fotosíntesis de la vaina en desarrollo. ÉSta vuelve a fijar mucho del dióxido de carbono producido en la respiración de la semilla; una forma efectiva de conservar el carbono. A este respecto, también se han estudiado plamtas de trigo en desarrollo. La tasa de fotosíntesis de la hoja bandera (adyacente a la espiga) varía en respuesta a lasdemandasdelaespiga.Aunquelapropiaespigasuministradel 20 al 30% del carbono total requerido (volviendo a fijar el dióxido de carbono respirado por la semilla, como en el chícharo), la fotosintesis de l a hoja banderapor s í sola es siempre suficiente para abastecer las necesidades totales de la espiga en desarrollo. El fotosintetizado de otras partes dela planta se tranlsporta primariamentea la raíz y los macollos o tallos secundarios en crecimiento. El azúcar y los polisacáridos son almacenados normalmente en el tallo de los cereales y por lo general del 5 al 10% del carbono de la espigasederiva delazúcaralmacenada enel entrenudo superior; los azúcares de los entrenudos inferiores se utilizan principalmente para la nutrición de los macollos. FORMACION DE LA MADERA. El uso de carbono radioactivo ha facilitado mucho el estudio de la deposición de la madera en los árboles con respecto a la fotosíntesis de las hojas individuales o a los grupos de hojas. El problema es importante porque el esquema de deposición de la madera, que puede verse afectado por la distribución de las hojas en el &bol, incide en la determinacibn de la calidad de losArboles para su usomaderero. En un principio los experimentos se llevaban a cabo por defoliación o por el oscurecimiento prolongado de ramas o de grupos de hojas específicos, luego se calculaba el incremento en crecimiento midiendo el diámetro de los anillos en las ramas y en el tallo por encima y por debajo de las hojas oscu-
LA PLANTA EN DESARROLLO
558
recidas o suprimidas. Con las técnicas de radioisótopos es posible dar 14C02 a un grupo de hojas y luego medir precisamente el lugar a donde fue el carbono fijado en la fotosíntesis. Como en los frutales y en las herbáceas la mayor parte del carbono de la madera se deriva de lashojas cercanas y hay una fuerte tendencia a que se transporte directamente hacia arriba o hacia abajo por un lado del tallo; el transporte lateral es mucho menor. Así que un Brbol que por alguna razón haya desarrolladouna copa asimetrica (por enfermedad, poda o sombreo, por ejemplo) desarrollará un tallo asimbtrico con los cambios consecuentes en las características y en el valor de la madera que de 61 se derive. CONTROL DEL
TRAFICO DE NUTRIENTES
CONTROL DEL TRANSPORTE. En el Capítulo 13 se llegó a la conclusi6n de que la mayor parte de las sustancias transportadaspor el floema se mueren probablemente por un mecanismo de flujo de masa (ver Figura 13-7). Este y otros mecanismos relacionados pueden estar controlados por tres factores: la tasa de carga, la tasa dedescarga o la operación demecanismos de transporte transcelular en puntos donde se ramifica el transporte o dondequiera que los solutos tengan que pasar de una cClula intacta a otra. El sitio de carga (las hojas para el transporte de fotosintetizado) puede estar controlado por la cantidad de material en trhsito, o sea el gradiente de concentración contra el cual ocurre el proceso de cargar. El sitio de descarga, o el “sumidero” o demanda metabólica hacia donde semueveel transporte también puede estar controlado por la demanda de materiales. Ambos mecanismos requieren acción de masa o control de retroacción del mecanismo de carga y, si la fotosíntesis está afectada por la demanda, tambidn de la fotosíntesis. El control a lo largo de la vía de transportación o control de carga por exigencia de una demanda a cierta distancia, puede ser posible también a travésdela acción de hormonas específicas. Se han sugerido todas estas posibilidades y se considerarán las evidencias experimentales que tienen que ver con este problema.
MOVIMIENTO DE LOS NUTRIENTES AL SITIO DE DEMANDA. Gran parte de la información revisada sugiere que los nutrientes se mueven hacia el sitio de demanda o a lugares en los que existe carencia de metabolitos a causa de la gran actividad metabólica. Cuandose cortan las raíces decrece el transporte hacia abajo. Cuando ocurre crecimiento o aumenta su tasa, el transporte hacia las regiones en creo metabolicimiento se intensifica. El transporte hacialasregionesquecrecen Los zanmás activamente excede alque va hacia lasregionesmenosactivas. factores que afectan elCrecimientotambiéninfluyenel transporte hacia las regiones afectadas. Por ejemplo, la deficiencia de nitrógeno, que restringe el crecimiento principalmente de las hojas y frutos, se asocia con un decrecimiento en el transporte hacia dichos órganos y un aumento hacia las raíces. El incremento en la demanda de fotosintetizado de una hoja causa un incremento en su tasa de exportación. En el experimento con tomatero mostrado en la Figura 21-8, oscurecer o defoliar a la planta increment6 la cantidad de carbono exportado desdelaúnica hoja a la que se dejó fijar l 4 COZ a laluz.Elaumento se explica engran partepor un incremento enel flujo de nutrición a los sitios de fructificación. La aplicación dela hormona sintética ácido naftilacético tambiéncausó un aumento de la exportación cuando se asperjó esos sitios, peroen este caso el incremento fue exportado sobre todo a las raíces y tallos.
MODELOS DE NUTRICIdN DURANTE EL DESARROL1,O
559
F F
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-H -T
R
R Testigo
Oscuridad
Al¡.
NAA
Figura 21-8. Efecto de oscurecer o quitar todas las hojas excepto lahoja alimentadora (Ali.) en la exportación de 1 % de una hoja en una planta de tomatero que fij6 '%O2 a la luz. En luna prueba se asperjóla hormona sintdtica ácido naftaleneacético (NAA) sobreel racimo de frutos antes de alimentar con '%O2, Clave-F, racimo de frutos; H, hojas; T. Tallo; R , raíz.(Redibujadosegúndatosde A . Khan y G.R. Sagar: Ann. Bot.,
33:753-62. 1969.)
Figura 21-9. Relaci6n entrelatasade fotosíntesis de una hoja desprendida de frijol y el peso seco de las raíces que se desarrollaron ensu pecíolo. (Redibujado de E.C. Humphries y G.N. Thorne: Ann.
Bot., 28:391-400. 1964.)
3.0
O
40
80
Peso seco de ralz, mg
120
56 O
LA PLANTA EN DESARROLLO
Todas estas consideraciones sugieren que la existencia y el tamaño de un “sumidero” o sitio de demanda controlan el transportehacia é1 de alguna manera. De hecho, la idea de que la demanda afecta directamente al transporte estfi establecida tan firmemente que el concepto de sitios de demanda fuerte y de demanda débil está ampliamente aceptado en la bibliografía fisiológica. Ello implica que la demanda es afrontadaporque existe y que el aumento de sustancias que se mueven hacia ella es proporcional a sus requerimientos. Hay muchas evidencias de que el movimiento de los nutrientes no es afectado tansólo por la avidez de la demanda sino también por la actividad de la fuente. Si las raíces de una plantase cortan o se someten a fríola tasa de fotosíntesis decrece. En experimentos con hojas cortadas a las que se indujo a dar raíces se encontró que la tasa de fotosíntesis era directamente proporcional a la demanda como se ye en la Figura 21 -9. En el manzano cuando hay muchos frutospresentes las tasas de fotosíntesis y de exportación son mayores que cuando se cortan. El que haya compensación fotosintética, o sea que cuando varias hojas se oscurecen o suprimen, la tasa fotosintética de las hojas restantes se incremente, sugiere que la demanda por el fotosintetizado controla ala fotosíntesis. Si esta idea se examina con cuidado se advierte que implica ciertas condiciones, pues es como decir que el aire entra a una botella vacía a causa del vacío. En realidad el aire entra a la botella vacía porque el diferencial de presiones del exterior al interior forma un gradiente descendente a través del cual se mueve el aire. hste se mover6 solamente cuando haya una conexión directa entre elespacio vacío y el exterior y solamente entonces el movimiento del aire podrá ser influenciado por el grado de vacío de la botella. Lo que se infiere de la idea de una demanda o “sumidero” débil o fuerte es que hay una conexión directa entre el “sumidero” o sitio de demanda y la fuente, estableciéndose un grad.iente descendente a través del cual las sustancias se mueven por difusión. Si hay varios sitios de demanda en la planta compitiendo entre sí, lo anterior implica que todos los sistemas de transporte dan igual acceso a la fuente. Pero entonces todos los sitios de demanda deberían estar con igual accesibilidad a todas las fuentes y debería esperarse que cada una de las hojas de la planta transportara más o menos igual proporción de fotosintetizado a cada uno de los sitios de demanda. Como se ha visto, no ocurre así; por el contrario, es claro que cada hoja específica abastece una región específica de la planta casi exclusivamente. Este solo hecho arroja duda sobre el concepto de quela demanda afecta directamente el flujo de la masa. Además, ciertos datos ya examinados sugieren que el transporte tienelugar por la vía más directa al sitio de demanda más cercano, más que al más fuerte. Esto se infiere de las relaciones de filotaxia encontradas en el frijol y en el tabaco y en el tipo de distribución del carbono fijado por fotosíntesis en el tallo leñoso del pino. Tal evidencia indica que la dirección del tráfico nutricional no está controlado por el tamaiío de la demanda. Más aún, bajo ciertas condiciones la creación de una fuerte demanda no aumenta necesariamente el flujo de la masa. Si se tienen pinos bajo una luz muy débil la producción de azúcar es baja y las raíces sufren por carencia de substrato para su crecimiento y metabolismo. A pesar de esta fuerte demanda, pocoo nada de los carbohidratos se transporta de las hojas; en lugar de ello son usados en la respiración. Los frutos en desarrollo parecen constituir una paradoja: su contenido y concentración de nutrientes es muy alto y sin embargo los nutrientes se mueven hacia ellos. Parecerían, por lo tanto, sitios de demanda que se abastecen en con-
MODELOS DE NUTRICI6N DURANTE EL DESARROLLO
56 1
tra del gradiente de concentración. Un punto importante aquí es que la carga y la descarga de la corriente de transporte se efectúa por transporte activo, usándose energía metabólica para mover los nutrientes de la corriente de transporte al interior de los tejidos del fruto. En consecuencia, el gradiente de concentración probablemente va descendiendo excepto en los sitios de transporte activo. Pero incluso un gradiente de concentración descendente puedeser innecesario de acuerdo a ciertas teorías sobre el transporte por el. floema (ver Capítulo 13). Evidentemente la “fuerza” o intensidad de la demanda no depende de lo abastecida que est& Algún otro factor además del tamaño o de la intensidad dela demanda debe estar involucrado en la direcci6n del movimiento nutricional.
DOMINANCIAAPICAL Y NUTRICI6N. Se examinará algo más este tópico considerando el papel que juega el abastecimiento de nutrientes en la dominancia apical. En 1900 el fisiólogo alemh Ir,. Goebel sugirió que la dominancia apical resultaba de la competencia por los nutrientes entre las diversas partes de la planta. Advirti6 queuna hoja crece hasta un tamaño muchomayorcuandose cortan otras, como resultado de la competencia por el suministro de nutrientes. Posteriormente aclaró que esta explicación no era suficiente, y luego se descubrió que la auxina, derivada del ápice del tallo en crecimiento activo, suprime el crecimiento de las ramas laterales (Capítulo 19). Sin embargo, hubo dificultades con la teoría de que la auxina act‘úa directamente y ambos puntos de vista fueron reconciliados posteriormente por F. Went en su teoría de la diversión de nutrientes. Sugirió que la auxina afecta la dirección del transporte dando como resultado un movimiento de nutrientes haciaelsitio de síntesis de la auxina, así que el tallo principal se encuentra bien abastecido y las ramas laterales son mantenidasen condición de letargo por medio de la falta de nutrición. Hay evidencias que dan base a esta idea: sise decapita el tallo deuna planta de frijol y se aplica auxina al extremo cortado la tasa de transporte ascendente se incrementa como se muestra en la Tabla 21-3. Este incremento tiene lugar a pesar de que no existe sitio de demanda ya que el ipice ha sido cortado. Se tiene un sosten adicional para este concepto ya que en ciertos tejidos durmientes el letargo puede ser superado mejorando el estado de nutrici6n del tejido. Así, la frecuencia de mitosis delas yemas cotiledóneas del girasol puede elevarse con la simple adición de sacarosa. La luz, que causa un aumento en el suministro Tabla 21-3. Efecto delas hormonas aplicadas enpastade lanolina a la superficie cortada de tallos de frijol, sobre la acumulación de 3 2 P enel tejido adyacente. Acumulacibn de 32P,testigo = 1
Testigo Ácido giberblico . Cinetina Auxina Auxina ácido giberélico Auxina cinetina Auxina ácido giberélico
+ + +
+ cinetina
1 1 1 20 35 35 80
Fuente: Recalculada de datos de A.K. Seth y P.F. Wareing: Jour. Exp. B o t , 18:65-77,
1967.
DESARROLLO
56 2
EN
LA PLANTA
de azúcar por medio de la fotosíntesis, tiene el mismo efecto. El hecho es que el rompimiento del letargo está mediado por el aumento en nutrición como quiera que este se lleve a cabo. En los tallos en crecimiento la presencia de un gradiente auxínico parece asegurar la nutrición adecuada del ápice del tallo principal. CONTROL HORMONAL DEL TRANSPORTE. exposición anterior indicaque las hormonas pueden estar involucradas en el tráfico metabólico. Se ha obtenido verificación experimental por medio de diversos compuestos individuales que se han aplicado a la planta, incluyendo azúcares y aminoácidos, así como diversos compuestosqueacuden naturalmente, incluyendo diversas hormonas. La participación de las hormonas se ha demostrado tambidn por medio de productos fotosinteticos marcados con I4C despudsde haberse suministrado I4CQ como sepuede veren laFigura 2-10 quemuestra un experimento con soja. La auxina natural IAA, que toma parte en la dominancia apical más directamente, es con frecuencia la hormona más activa en relación con el transporte. La pregunta de cómo controla la auxina al transporte est6 sin contestación hasta el presente. Pueden considerarse varias posibilidades: 1) la auxina crea una demanda o “sumidero” metabólico en el punto donde se aplica o se sintetiza; 2) la auxina opera a lo largo de la vía de transporte; es decir, su acción se integrade alguna manera con el mecanismo de transporte a lo largo del tejido vascular; 3) se sabe que la auxina afecta la síntesis de tejido vascular así que, en tejido joven o en desa-
1
O
3
6
9
2
Distancia en et tallo del punto de insercion de la hola alimentadorac m
Figura 21-10. Efecto de 5 ppm de ácido indolacetico (IAA) o 50 ppm de ácidogiberélico (GA) aplicadoal tallo cortado del ápice de una planta de soya, sobre el transporte de 14C de una hoja que fijó I4CO2 a la luz. (Redibujado según datosde Hew Choy-Sin: M.A. Thesis. Queen’s University. Kingston, 1965.)
MODELOS DE
NUTRICIdN DURANTE
EL DESARROLLIO
563
rrollo (pero no en tejido maduro) puedeactuar estarbleciendo vías de transporte, y 4) la auxina puede actuar en la fuente del transporte, o sea en el lugar de carga de la corriente transportadora más que en el de demanda. Las dos primeras posibilidades están confirmadas porexperimentos en Gales de P.F. Wareing y su grupo, quienes estudiaron los; efectos de aplicar IAA y el inhibidor auxinic0 Bcido triyodobenzoico (TIBA) a los tallos de plantas en etapa de transportación. El mecanismo porel que el IAA afeclta la descargao el transporte intercelular puede estar relacionado con el reciente descubrimiento de que el transporte de azúcar a trav6s de la membrana celular probablemente involucrael bombeo de protones. Se piensa que este proceso de bolmbeo, que también tiene parte en el alargamiento dela célula (ver Capítulo 23), está estimulado porel IAA. Pero tales mecanismos no explicarían fácilmente el hecho de que diferentes compuestos puedan ser transportados en diferentes direcciones al mismo tiempo. Así, elfisiólogo canadiense C.D. Nelson y sus colaboradores encontraronque cuando se suministra a una planta de soja una mezcla de aminoácidosy amidas, aquéllos se transportan hacia los tejidos jóvenes con metabolismo activo en tanto que al mismo tiempo las amidas, glutaminay asparagina se! transportan a las partes viejas de la planta. Este fenómeno parece relacionarse con la necesidad de aminoácidos para la síntesis proteica en los tejidos en crecimiento y el uso de amidas para el almacenaje denitrógenoque tiene lugar principalmenteen tejidos adultos. Sin embargo, estas exigencias no explican la selectividaddel transporte, y es difícil visualizar cómo podría la auxina, al actuar a lo largo de la vía de transporte o en el sitio de demanda, ejercer un efecto selectivo sobre la fuente del transporte. La tercera posibilidad, que la auxina afecte la formación de tejido de transporte, puede ser de importancia en tejidos jóvenes o en desarrollo y podría ser, por lo tanto, un factor enla dominancia apical. Pero esta posibilidad no puede explicar los efectos de la auxina en tejidos maduros ni el transporte selectivode sustancias diferentes. La cuarta posibilidad, que laauxina afecte el tráfico de nutrientes por afectar el sitio de síntesis o de carga del material de transporte sigue siendo una alternativa interesante. L o s mecanismos del fenómeno no se han investigado, pero se han dado varias sugerencias. Las células tienen compartimentohs metabólicos; es decir, áreas o espacios (quizás coincidentes con organillos tales como mitocondrias o la vacuola o con regiones definidas por porciones del retículo endoplásmico) en 10s que diferentes conjuntos de metabolitos y diferentes secuencias de reacciones quedan separadas la una de la otra. Esto puede ser importante :para prevenir intercambios o interferencias entre las diferentes secuencias metabó:licas que empleanlos mismos intermediarios, puesen este caso podría haber interferencias conel control de los procesos individuales. Es probable que exista cierto grado de control metabólico atravésdelacapacidaddelacélula de controlar u organizar la quelaci6n de compuestos en tales compartimentos. La accesibilidad de los compuestos a los sitios de carga para sertransportados debe, por lo tanto, regularse por mecanismos que controlan la permeabilidad de las membranas a travds de las cuales deben difundirlas sustancias. Se piensa que las auxinas cambian la permeabilidad de la membranarespecto a diversas sustancias y podrían operar de esta forma. Por otra parte, las auxinas podrían involucrarse directamente, por ejemplo, en la activación de enzimas transportadoras responsables de la carga de la corriente de transporte, o de los pracesos responsables dela producción O de la acumulación que van a transportarse. Como quiera queactúen, parece probable que las hormonas no controlan 0 afecl;an el proceso de transporte
LA PLANTA EN DESARROLLO
56 4
sino mds bien el trdfico de nutrientes que ocurre como resultado del transporte. En este punto sedebenmencionarlos efectos de las citocininas sobre la movilización de los nutrientes, aunque este tópico se estudiará a fondo en el Capítulo 22. En 1 9 7 7 , A. Richardson y A. Lang descubrieron, en Estados Unidos, que la aplicación de citocininas a las hojas retarda su senilidad. Numerosos experimentos, sobre todo en Alemania, en el laboratorio de K. Mothes y sus colaboradores, han mostrado que los nutrientes de otras partes dela planta semueven al sitio donde se aplican citocininas. Más aún, las áreas tratadas con citocinina no pierden sus nutrientes sino que tienden a retenerlos. Esto se ilustra en la Figura 21-11. El mecanismo de acción de la citocinina no está bien entendido (ver Capítulo 22, página 592).
A
M
L4
B
C
Figura 21-11. Movilización y retención de un nutriente (glicina,eneste experimento) bajo la influencia de una citocinina, la cinetina. (A) Hoja asperjada concinetina. Despuesde 55 hr la glicina-14C se hamovido al Breaasperjada con cinetina a la luz (B) o a laoscuridad (C).No se hamovidoenformaapreciable a otraspartesdelahoja. (Redibujado de K. Mothes y L. Engelbrecht: Phytochemistry, 1:58-62. 1961.)
MODELOS DE NUTRICION DURANTE E L DESARROLLlO
56 5
CONTROL HORMONAL DELA FOTOS~NTESIS. Se ha especulado mucho sobre los posibles mecanismos de control de la fotosíntesis. Un control por medio de los productos finales no parece probable porque la tasa de 1.afotosíntesis no está relacionada claramente con la duración del periodo precedente a ésta (o sea con 1.a cantidad de fotosintetizado ya presente). Además, los ritmos endógenos prosiguen sin que afecten el estado nutricional de la planta. La tasa fotosintdtica declinará de acuerdo a un ciclo preestablecido aun si la planta ha estado sujeta a carencia de luz o de dióxido de carbono. La mayoría de los productos de la fotosíntesis no tienen acceso bioquímico al sitio de las reacciones fotosintéticas, ya sea porque son convertidos rápidamente a formas insolubles de almacenaje o porque son transportados de inmediato lejos del sitio de su síntesis. Sin embargo, se sabe que la ribulosa-difosfato-carboxilasa es inhibida in vitro por el producto desu reacción: el PGA, y tambiénporel citrato. El PGA actuaría como un factor de control inmediato de corto alcance. Elcitrato, situviera acceso a laenzima in vivo (un punto queno es seguroni mucho menos) actuaría como un control distante o de muy largo alcance cuando el ciclo de Krebs se sobrecargaal punto en que el citr'ato se acumula o se almacena. Cualquiera sea el mecanismo, hoy se acepta generalmente que la tasa fotosintética no está afectada profundamente por la cantidad de fotosintetizado en la hoja. Parece ser que la única excepción es cuando los granos de almidón, despu6s de una exposición prolongada a la luz, se hinchan hasta un tamaño tal que interfieren físicamente con la difusión del C 0 2 o con la operación de los cloroplastos. Varios investigadores han considerado la posilbilidad de que la tasa de fotosíntesis de una hoja responda a una señal generadaen un sitio distante de demanda
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Empieza a crecer una yema
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Se aplica IAA al tallo cortado
Empieza a crecer una yema v se corta
Figura 21-12. Efecto del rompimiento del letargo de lasyemas y de la aplicaci6n de 15 ppm de &ido indolacktico (IAA) a la parte cortada de una yema en desarrollo sobre la tasa de fotosíntesis de una hoja de frijol. (Datos de W.B. Levin y R.G.S. Bidwell.)
EN
566
PLANTA
C
Hoja cortada,
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DESARROLLO
-
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IAA 40
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Aspersibn IAA
cortado al tallo
Hojilla asperjada
Cámara de fotoslntesis
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I
I
50
1O0
min
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150 Tiempo
200
250
Figura 21-13. Efecto de la aspersi6n de una hoja con soluci6n de IAA y de aplicar solución de IAA al pecíolo cortadode la hojilla, sobre la fotosintesisdehojillas adyacentes en una planta de frijol. (Datosde W.B. Levin y R.G.S. Bidwell.)
metabólica, y se ha encontrado que ciertas hormonas aumentanla tasa fotosintética. En un estudio se descubrió que la tasa de fotosíntesis de una hoja de frijol responde con fuerza al rompimiento del letargo de una yema cercana, como se ve en la Figura 21-12. Se demostró que el IAA podría inducir la misma respuesta en una hoja al ser aplicado en una hoja adyacente (Figura 21-13). El efecto estimulante de laauxina sobre la fotosíntesis va acompañado porun efecto sobre el transporte del fotosintetizado. Como se muestra en la Tabla 21-4, cuando una hoja que recibe está en una condición tal que requiere carbono (o sea se mantuvo a la oscuridad o es una hoja en desarrollo) la adición de IAA a la hoja alimentadora induce una mayor exportación de fotosintetizado. La aplicación de IAA a la hoja que recibe causó un aumento en la importación de fotosintetizado bajo cualquier condición. Se demostróexperimentalmente que el IAA marcado con 14C se podía mover en el interior de la planta con rapidezsuficiente para mediarlas respuestas. Hubo ciertas sugerencias, si bien la evidencia esinsuficiente para dar un juicio crítico, de que las hormonas puedanafectar las cantidades relativas de productos finales de la fotosíntesis (es decir, sacarosa, almidón, triosafosfato, glicolato, etc .). Esto podría afectar a su vez la cantidad decarbono que estaría accesible fisica o químicamente para diversas actividades metabólicas y para ser transportado. El Tabla 21-4. Efecto de la aspersiónde IAA (15 mghitro) sobre el transportede 14C02 recih fijado enhojasde frijol. Condición de la alimentadora hoja receptora hoja Luz Luz Luz Luz Luz Luz
+ IAA
+ IAA + IAA
Condición de la
Cantidad de I4C transportado a receptora, la hoja % al testigo
Luz Luz Luz (hoja joven) Oscuridad Oscuridad Luz C IAA
Fuente: Datos de W.B. Levin y R.G.S. Bidwell. ‘Dependiendo de la edad y posición relativa de las hojas.
1 O0 (testigo) 60-1 20 200 1 30 300 125-400’
MODELOS NUTRICI6N DURANTE DE
EL DESARROLLO
567
establecimiento de tipos complejos de tráfico de nutrientes podría ser explicado por mecanismos como el antes descrito. Sin embargo, el mecanismo por el cual la auxina estimula la fotosíntesis y la exportación de fotosintetizado no está claro. Se ha encontrado que la auxins estimula la fijación de dióxido de carbono y la fosforilación fotosintética en los cloroplastos in vitro. Por lotanto, éste parece sler un caso degenuina acción hormonal; es decir, la estimulación de un proceso primario por un agente transportado que no toma parte, por sí mismo, enla reacción y que se origina enun tejido distante. Está totalmente claro que tambikn hay otros mecanismos involucrados en el control de la fotosíntesis. Los sucesos rítmicos que se han observado y gran parte del modelo ontogénico de la fotosíntesis en una hoja están relacionados con la cantidad presente de importantes enzimas sintética,s, particularmente la principal enzima de carboxilación: la ribulosa fosfato-carboxilasa. Cómo están controladas estas enzimas y cómo se relaciona el control con el tipo de desarrollo de la planta es algo que aún no se conoce.
LECTURAS ADICIONALES Ver lista del Capítulo 16. Nelson, C.D.: Effect of climate on the distributionandtranslocation of assimilates. En L.T. Evans (ed,): Environmental Control of Plant Growth. Academic Press. Nueva York. 1963. Oaks, A. y R.G.S. Bidwell:Compartmentation of intermediary metabolites. Ann. Rev. Plant Physiol., 21: 43-66.9970. Peel, A.J.: Transport of Nutrients in Plants. John Wiley & Sons, Nueva York. 1974. Preiss, J. y J. Kosuge:Regulation ofenzymeactivity in Plhotosynthetic systems. Ann. Rev. Plant Physiol., 21: 433-66. 1970. Wardlaw, I.F. y J.B. Passioura (eds.): Transport and Trans,ferProcesses in Plants. Academic Press. Nueva York. 1976.
Capítulo 22
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
LETARGO I
La mayoría de las plantas están expuestas a periodos estacionales de tiempo muy inclementes durante los cualespueden dañarseo morir sino existe algún mecanismo de protección o de defensa. La salvaguardia m& común del frío y congelaci6n o del calor seco extremo es el letargo. Letargo puede definirse como el estado de crecimiento y metabolismo suspendidos. Puede ser impuestopor las condiciones desfavorables, pero los tejidos en ese estado a menudo siguen sin crecer aunque se los ubique en condiciones ideales. Esto indica que el letargo puede ser impuesto desde dentro y controlado por mecanismos del tejido. El letargo asume varias formas. Muchas semillasesun inicialmente (o entran) en ese estado de modo que no germinan por un periodo de tiempo después que se dispersan o hasta que experimentan un periodo de frío. Los árboles se deshojan y se libran así del peligro de la desecaci6n cuando el aire est4 frío y seco y el suelo helado. Además, el ápice del tallo y ramas forma yemas de protección que están a prueba del agua y de los gases. En muchas plantas herbáceas las partes aéreasmueren y la planta inverna o sobrevive al periodo de sequía en letargo subterrheo como bulbo, rizoma o tub6rculo. Los mecanismos que previenen del año debido a la perdida de agua son en gran parte mednicos y fáciles de entender, pero las razones por las que los tejidos en letargo son más resistentes a la helada que los tejidos en crecimiento activo no son tan claras (verCapítulo 28, página 695). Sin embargo, ciertos tejidos desecados en letargo tales como los de las semillas pueden soportar temperaturas muy bajas. Aun aquellos tejidos que no se desecan mucho durante el letargo son capaces de soportar temperaturas más bajas que los tejidos en metabolismo activo. El letargo es un mecanismo de defensa contra las heladas invernales 0 la sequía estival y es una parte necesaria de la vida de muchas plantas. Debe ocurrir en el tiempo debido (es decir, antes que las condiciones adversas lleguen a una intensidad letal). Debe durar un tiempo suficiente y debe ser’ roto cuando las condiciones son las correctas para que se retome el crecimiento. Consecuentemente, el letargo debe estar controlado con bastante precisión. Las diversas plantas y las diferentes partes de una plantaentran en letargo de manerasdiferentes. Pero cada ejemplo presenta el mismo problema básico que ha despertado el inter& de los fisiólogos que estudian este fascinante aspecto de la vida vegetal: jc6mo es que las plantas cesan
570
PLANTA
LA
EN DESARROLLO
sus procesos metabólicos preparándose para el invierno y por qué los reinician en
primavera y no antes? Se puede ver que, de hecho, hay cuatro preguntas básicas que se deben hacer sobre el letargo de una planta o de un órgano en particular. La primera es: ~ c u á les son las señales del ambiente que desencadenanel proceso y cómo se perciben? La segunda se refiere a la percepci6n de las señales que traen consigo terminación la del letargo y la vuelta al metabolismo y crecimiento normales. La tercera concierne a la duración del letargo; es necesario un mecanismo cronomhtrico presuntamente del tipo aditivo o “reloj de arena” para asegurar que la planta no se despierte accidentalmente durante un periodo anormalde tiempo cálido en enero. Es evidente que este cronómetro necesita ser variable de acuerdo con la latitud en que vive la planta; puede ser necesario variar los periodos de letargo invernal desde varios meses cerca de los polos hastaun tiempo comparativamente corto en las zonastempladas. No obstante, el cronómetro debe estar fijado con precisión a una latitud determinada. La cuarta pregunta serefiere a la naturalezadel letargo y de los mecanismos paraque ocurra. El letargo no es una simple inactivación del metabolismo, pero con frecuencia incluye el desarrollo de órganos especializados (por ejemplo, escamas enlasyemas) o desustancias(por ejemplo, materialesgomososimpermeables). Pueden asociarse muchos eventos complejos con 61, tales como el envejecimiento y abscisión de las hojas de los árboles. Evidentemente esun evento programado en el desarrollo que requiere un metabolismo de síntesis especializado además de la cesación de las actividadesmetabólicas. CAUSAS DEL LETARGO
FACTORES AMBIENTALES. El factor más importante en la inducción del letargo es el fotoperiodo. Los días cortos inducen letargo en muchas plantas leñosas.El fotoperiodo es percibido por las hojas pero las principales partes queinician la respuesta de la planta son las yemasy el tipice. Esto quiere decir que, como en la respuesta de floración, las hojas deben ser inducidas a elaborar una sustancia inhibitoria u hormona que se transporte a las yemas. Se han separado por cromatografía sustancias inhibitorias en las hojas de árboles como Acer (arce) que fueron expuestos a días cortos. Estas sustancias inhiben el crecimiento de plantas testigo. La inhibición puede desaparecer por tratamiento de días largos o por apIicación de ácido giberélico. El frío no parece ser necesario por sí mismo para la inducción del letargo y éste no puede inducirse ni siquiera por medio de días cortos si la temperatura es demasiado baja para permitir un metabolismo activo. De hecho el frío es el requisito más importante para el rompimiento del letargo. La temperaturapuedeser importante también para cronometrar el letargo, pues su duración probablemente depende de un cronómetro de tipo aditivo o “reloj de arena” controlado por la tasa de desaparición deun inhibidor. Así, probablemente el cronómetro está regulado por la temperatura y se compensa automáticamente al ir más lentamente con temperatura fría y acelerándose en tiempo cálido. La humedad, o su carencia, parece importante para iniciar el letargo en algunas plantas, particularmente aquellas que recurren a 61 para sobrevivir temporadas calientes y secas. Nuevamente parece que las hojas son los órganos de percepción pero el resultante es el letargo en los tallos y ramas. En algunas plantas parece que una carencia de nutrientes, especialmente nitrógeno, tambi6n lo desencadena. Sin
LETARGO. SENESCENCIA Y MUERTE
571 CH3
I
C
H
H
Figura 22-1. Fórmula del k i d 0 abscisic0 (ABA)
embargo, no parece provenir de una baja en el metabolismo causada por deficienel resultadoy no su causa. cia nutricional;por el contrario,un metabolismo 1ent;o es ÁCIDOABSCfSICO. Por un tiempoconsiderable se supoquealgunasustanciase forma en las hojas en los días cortos y se transporta a las ramas donde inhibe el extractos dehojasde Betula crecimiento y el metabolismo y causa letargo, LOSI pubescens mantenidosendías cortoscontienensustanciasqueinhibenfuertemente el alargamiento del coleóptilo de Avena segh estudios del fisiólogo británico P.F. Wareing y sus colegas. Encontraron que, en realidad, la producción de inhibidores precede a la condición de letargo, lo que sugiere que los inhibidores e s t h involucrados en su inducción. En 1963, trabajando con Acer pseudophtanus, Wareing y sus colaboradorespudieronaislarunasustanciaconlaspropieda.desfisiológicasdelinhibidor inductor del letargoal cual llamarondormina. Al mismo tiempo un grupo de fisiólogos americanos que trabajaba conF.T. Addicott en el envejecimientoy abscisi6n delas hojas, aislaron una sustanciainductoradelenvejecimientoquellamaron abscisina 11. De hecho la abscisina I1 fue, por coincidencia notable, aislada solamente unos días antesque la dormina. Prontose encontró que ambos compuestos Figura 22-2. La brotacibn de las yemasenestacasdefresnoblancosereduce o impide por tratamiento con Bcido abscísico(ABA) durante 22 días. Tratamiento (de izquierda a derecha): Testigo, 0.4, 2 y 1 0 ppm de ABA. (De C.H.A. Little y D.C. Eidt: Nature, 220:498-99. 1968. Conpermiso.Fotografiaporcortesíadel Dr. C.H.A. Little.)
LA PLANTA EN DESARROLLO
Tabla 22-1. Efecto del ácido abscísico ( A B A ) comparado con elde días cortos en la reducción del crecimiento de ramas de vid. Días largos
Crecimiento después de 30 días, cm 4 Sin A B A Con5ppm ABA Con 25 ppm ABA
D ías cortos
22
14
-
9
"
Fuente: Adaptada de datos de H.M. El-Antably, P. F . Wareing y J. Hillrnan: Planta, 73:74-90, 1967.
tienen la misma estructura, que se muestra en la Figura 2 2 - 1 , y por acuerdo se le llama ahora ácido abscísico (ABA). Ahora se sabe que el ABA estA presente en muchaspartesdeplantas de todos los tipos. Está claramente involucrado enla iniciación y mantenimiento del letargo. Está presente en los tejidos en letargo o en los que están entrando en é1 (es decir, durante el proceso de enfriamiento de las semillas). Todavía más convincente es que los diversos síntomas del letargo y del envejecimiento enunciados a continuación pueden ser inducidos por la aplicación de ABA.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Inducción del letargo. Mantenimiento del letargo (Figura 2 2 - 2). Inhibición de la germinación (Tabla 2 2 - 1 ) . Inhibición de la síntesis de enzimas inducidaen las semillas por el Acido giberhlico. Inhibición de la floración. Aborto de las yemas. Aborto de los frutos. Envejecimiento de las hojas. Aceleraci6n de la abscisión. Formación de yemas terminales en las ramas. Formación de escamas en lasyemas. Reducción de la división celular. Inducción de cambios bioquímicos conducentes al envejecimiento y abscisión de las hojas. Tabla 22-2.Inhibición de la germinación de la semilla en el past0 feStUCa Por medio del ácido abscísico ( A B A ) . ~
Concentración de A B A , ppm
Porcentaje de germinación despuesde (días)
6
10
18
O
12
76
1 5
8 O
42
85 78
10
O
7 2
26 7
Fuente: Adaptada de datos de D.C. Surnner y J.L. Lyon: Planta, 75:28-32.1967.
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE Tabla 22-3. Efectos de GA y ABA de semillas sobre la germinación de fresno Fraxinus ornus. GA
ABA
-
-
+ +
-
+ +
Germinación,
%
76 81
7
63
Fuente: Adaptada de datos de E . Sondheirner y E.C. Galson: Plant Physiol., 41 ~1397-98, 1966.
Además de estos efectos el ABA es un inhibidor general del crecimiento. Se ha encontrado que desacelera el crecimiento por extensión en los coleóptilos, la expansión de las hojas y el crecimiento de sistema.s tan diversos como plántulas, embriones, tejidos cultivados y tallos (Tabla 22-2),,que están en división y maduración celular. Para llevar a cabo algunos de estos efectos se necesita adicionar con frecuencia cantidades relativamente grandes de AIBA, como parainducirletargo fuera de Qpoca;es decir, debe estar presente una concentraci6n apropiada de ABA y mantenerse en el tejido para que actúe. Sin embargo parece que el ABA no es tbxico; la planta reacciona de un modo "natural" y la reacción revierte si cesa el tratamiento con ABA. hste es transportado rápidamente enla planta y la naturaleza pasajera de sus efectos muestra que es inactivadocon facilidad. Todos estos puntos dan base firme para considerar que el papel natural del ABA es el de una sustancia reguladora importante y posiblemente el de una hormona de las plantas. INTERACCIdN DEL ABA CON OTRAS SUSTANCIAS DEL CRECIMIENTO. Se ha notado que para obtener resultados efectivos deben aplicarse cantidades bastante grandes de ABA. Además, debe sostenerse la aplicación para mantenerefecto; el cuando el tratamiento con ABA cesa, se resumen tanto el crecimiento como el metabolismo activo. Estos hechos sugieren que alguna sustancia promotora del crecimiento es antogánica del ABA. En la actualidad muchos experimentos han demostrado que, sin lugar a dudas, el ácido giberblico (GA) tiene tal efecto, En algunas situaciones el GA se sobrepone con ventaja al efecto de la aplicaci6n de ABA, como se muestra en la Tabla 2 2 - 3 para las semillasde fresno en germinación y en la Figura 22-3 para la brotación de las yemas. Cuando se aplica GA a material en letargo, como semillas de lechuga mantenidas en la oscuridad, aun la adición de concentraciones bastante altas de GA no contrarresta la inhibici6n (Tabla 22-4). Pero en esta situación la cinetina desempeña un papel y su adición contrarresta el efecto del ABA permitiendo que el GA estimule la germinaci6n. Los efectos de la cinetina y el GA tambibn han sido estudiados en semillas de cebada en germinación. Tanto el crecimiento del coleóptilo como la inducción dela síntesis de &-amilasa se inhiben por el ABA pero la inhibición revierte cuando se adiciona GA, cinetina O benciladenina (otra citocinina sintética) como8se muestra en la Figura 22-4. Las interrelaciones de ABA y GA son de gran interés. Se recordará que GA puede inducir a las plantas de días largos a dar su tallo floral y a florecer (ver Capítulo 20). Se ha encontrado que el ABA revierte esta acción. Además, aunque el ABA también puede inducir floración en algunas plantas de días cortos estd claro
L A PLANTA EN DESARROLLO
574
I
+
I
I
0.1
1
10
100
G A mghitro
Figura 22-3. Efecto delBcidogiberhlico y del inhibidor (ABA) enelbrote de las yemas en segmentos de tallo de abedul “in vitro”. Los números en cada curva indican la concentraci6n relativadel inhibidor. (De C.F. Eagles y P.F. Wareing: The role of growth subsof bud dortances in theregulation mancy. Physiol. Plant. 17:697-709,
1964.)
que no es lo mismo que la antesina de Chailajyh ni tampoco un simple antagonista del GA. En muchassituaciones las doshormonascausan efectos opuestos o diferentes pero no siempre tienen efectos aislados antaghicos. Estas interrelaciones llevaronalosfisi6logosamericanos A.W. Galston y P.J. Davies a postular uninteresante mecanismo sobre la interacción del GA con el ABA;apuntaron que ambos son compuestosterpénicos, constituidos por unidades isoprenoides y derivados del ácido mevalónico (Capítulo 9, página 255). Si se forman a partir deun precursor común es posible que, de algún modo, las condiciones externas o ambientales controlen el proceso en el punto en que se dividen las vías de síntesis. Generalmente el letargo se asocia con los días cortos y su rompimiento con los días largos. Ya que tanto los días largos como los cortos son percibidos por el mecanismo del fitocromo (posiblemente conjuntamente con el proceso de ritmo circadiano; ver Capítulo 20, página 539), parece posible que el fitocromo Tabla 22-4. Efectos del ABA y de la cinetina sobre la estimulación por ácido giberblico (GA) de la germinaci6n en semillas de lechuga mantenidasa oscuras. ~~~
~
Concentración G A , mM
O 0.05 0.5 5
Germinación, % Sin adición
+ cinetina 0.05 mM
+ ABA
+ ABA
0.04 mM
y cinetina
10 21 66 95
15 27 69 97
O
O 17 57 73
O O O
Fuente: Adaptada según datos de A.A. Khan:Plant Physiol., 43:1463-65, 1968.
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
676
90 80
70
E
E
60
9-
.-:50 .-E o
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40
o
30
20 10
O
28
-
24
-
-ABA
- ABA
16
-
8
O
O
5
50
500 O
Ácido giberélico
0.5
5
50 O
0.25
2.5
25
25Ofl
N-6-benciladenina Cinetina
Figura 224. Efecto del &ido giber6lico, la cinetina y la benciladenina en la presencia o ausencia del ácido abscisico (ABA)sobre la actividad de la a-amilasa y el crecimiento del coleóptilode plántulas de cebada germinadas durante 4 días. (De A.A. Khan: Cytokinin-inhibitorantagonism in the hormonal control of a-amylasesynthesisandgrowth in barly seed. Physiol, Plant, 22:94103. 1969. Figura cortesia del Dr. A.A. Khatn.)
Figura 22-5. Diagramadelmecanismo sugeridopor A.W. Galston y P.J. Daviespara el control delletargo por la longitud del día.
t
1.ongitud del din
dor
LA PLANTA EN DESARROLLO
576
Figura 22-6.Un modelo para el mecanismo hormonal del letargo de las semillas y de la germinación. (Adaptado de A . A . Kahn: Science.
17 1 :853-59. 197 1.) ~~~~
Citocinina Giberelina
+ + + +
-
Germinación Germinación
-
Germinación Letargo Letargo
-
Letargo Letargo
i-
Letargo
-
+ + +
sea el agente de control. El esquema propuesto por Galston y Davies se representa en la Figura 22 - 5 . Éste debe compararse con los mecanismos que se han sugerido para gobernar otros fenómenos tales como vernalización (Capíttdo 20, Figura 20-26). El fisiólogo americano A.A. Khan ha desarrollado un modelo para el cc;ntrol hormonal del letargo de la semilla y de la germinación que incluye tres componentes: GA, citocininaseinhibidores(incluso ABA). Lo esencial de esteesquema, mostrado en la Figura 22-6, es que la giberelina es necesaria para la germinación y su ausencia da por resultado inevitable el letargo, esté presente o no un inhibidor. El efecto de la citocinina bloquea el efecto del inhibidor de modo que el efecto promotor de la giberelina pueda llevarse a cabo. Este modelo y los datos en que se basa sugieren que el letargo puede ser causado tanto por la presencia de un inhibidor tal como el ABA como por la ausencia de unagiberelina. El modelo no es necesariamente universal, y pueden haber mecanismos adicionales o subsidiarios o incluso otras hormonas del desarrollo.
LETARGO DE LA SEMILLA TIPOS DE LETARGO DE LA SEMILLA. El letargo seminal tiene una importancia críhan tica para la supervivencia de las plantas, y muchosmecanismosdiferentes evolucionado para alcanzar tal fin: un periodo forzoso de bajaactividad metabólica, bajo contenido de agua y nulo crecimiento durante el cual la semilla es muy resistente a los rigores del frío y de la sequía. Además, han evolucionado mecanismos que impiden a la semilla germinar inmediatamente después de caer al suelo aunque las condiciones ambientales sean buenes. Este requisito, que implica un periodo de desarrollo posterior entre la caída de la semilla y su germinación se denomina postmaduracion. Los principales mecanismos que causan letargo en la semilla o lo prolongan impidiendo la germinación son los siguientes:
l . Factores ambientales:
a . Exigencia de luz para germinación: positiva o negativa.
b. Altastemperaturas.
c. Ausencia de agua. 2 . Factoresinternos: a. Testa de la semilla: impide el intercambio gaseoso. b. Testa de la semilla: efectos mecánicos.
577
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
c. Inmadurez del embrión. d. Baja concentración del etileno. e. Presencia de inhibidores. f. Ausencia de promotores del crecimiento. 3. Mecanismosde cronometraje: a. Postmaduración. b. Desaparición de los inhibidores. c. Síntesis de promotores del crecimiento.
EXIGENCIADE Luz. La exigencia de luz para la germinación de muchas semillas es, presuntamente, un mecanismo que impide la genninación de semillas pequeñas enterradas muy profundamente, tanto que agotarían sus reservas antes de alcanzar la superficie y poderser autótrofas. Muchas semillas no germinan bajo el dosel vegetal del bosque porque la luz que llega al suelo es insuficiente para estimular la germinación. Pero despuesdeun incendio muchassemillasgerminan a lavez y empieza la regeneración de aquél. Este mecanismo imkpide la sobrepoblación en un bosque adulto y asegura un rápidocrecimiento despu'és de un desastre. La exigencia de luz para romperel letargo es bajia: 50 -200 bujías pie durante 1 segundopueden ser suficientes, perointensidades m& bajasduranteperiodos más largos cumplen el mismo propósito. Como se dfiscutió en el Capítulo 20, los datos de Flint y McAlister permitieron que Hendricks y Borthwick demostraran que la luz se percibe a través del pigmento fitocromo siendo la luz roja promotora de la germinación y la luz rojo lejano inhibitoria. En la Figura 22-5 se presentó un posible mecanismo de este efecto, un intercambiador para la síntesis de GA y de ABA mediado por el fitocromo. Ahora se cree que el fitocromo se liga a la membrana cuando se ilumina y ahí media o modula la acción del GA de modo que el mecanismo de control (sea cual sea su naturaleza exacta) probablemente se asocia con las membranas celulares. No todas las semillas requieren luz para germinar; algunas no son afectadas y unas pocas son inhibidas porla luz. La luz azul a intensidades bastante altas tiene cierto efecto en la germinación de algunas semillas pero no está claro si ello está mediado por la absorción de luz azul por el fitocromo o por algún otro pigmento. Ciertas semillas muestran una clara exigencia de días cortos o de dias largos. Las Tabla 22-5. Efecto de la longitud del día sobre lagerminación a 20°C desemillasde abedul (Betula pubescens) queno habían sufrido periodo de frío. Longitud del fotoperiodo, hr
Germinación,
%
2
38
4 8 12 16
41
20
32 53 70 89
Fuente: Adaptada según datos de M. Black y P.F. Wareing: Phy:iiol. Planr, 8:300-16, 1955.
LA PLANTA ENDESARROLLO
Figura 22-7. Temperatura de estratificaci6n y germinaci6n de semillas de manzana. (Adaptado de H. Schrader; Z. Pflanz., 34:421-44. 1955.)
Temperatura, "C
delabedul (Betula pubescens) muestra un aumento delagerminaciónen días largos, como se ve en la Tabla 22 -5. Las exigencias de temperatura y de luz están interrelacionadas: bajo condiciones de temperatura alternante algunassemillas que requieren luz germinan en la oscuridad. Ciertos tratamientos químicos (compuestos tan diversos como nitrato de potasio, tíourea y GA) eliminan la exigencia de luz en algunas semillas. Este requerimiento puede localizarse en lugares diferentes alembriónpuesenalgunasespecies los embriones in uitro germinan en la oscuridad. TEMPERATURA. El tratamiento con baja temperatura esuna introducción esencial para la germinación de muchas semillas y la alta temperatura puede ser inhibitoria en el momento dela germinación. El requerimientodetemperatura fría frecuentemente secumpledemodo artificial porel proceso de estratificación: las semillas se colocan en capas, en charolas en aire húmedoy frío por un periodo de variassemanas o meses. Las temperaturas de O y 10°C sonlasmás efectivas como se muestra en la Figura 22-7. El requerimiento de frío se localiza de modo variable en el embrión o en la testa de la semilla o en ambos; a veces en las semillas Tabla 22-6. Requerimientos de estratificación de las semillas de manzana. Tiempo de estratificación(días) a 3°C requerida para 50 % de germinación Semillas intactas Semillas sin52 testa Embriones sin testa ni endosperm0
64 43 30
80 % de germinación
78 39
Fuente: Adaptada según datos de T . Visser: Proc. Kon. Ned. Akad. van Wetensch. Amsterdam, Ser. C. 57:175-85, 1954.
579
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE 2
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1-
Semillas enfriadas previamente
m
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Ao Figura 22-8. Efecto enfriamiento del a 5'C subsecuente síntesis durante la sobre 1 mes de GA a temperaturanormalensemillasde Corylus avellana. (Adaptado según datos de T.D. Ross y W J . Bradbeer: Nature, 220:
85-86. 1968.)
I
sin Semillas enfriamiento
1
O
O
4
4 8
Dfas a 204:
de manzana, por ejemplo, es mucho más largo para las que están intactas que para las semillas sin testa o para los embriones in vitro (Tabla 22-6). El periodode baja temperaturaparecesernecesarioparaelrompimiento del ABA presente en las semillas, En algunas (por ejemplo en las de duraznero y de arce) la testa de éstasesunacausa importante delletargo. La estratificación causa un marcado descenso en la cantidad de ABA presente en la testa de estas semillas y es también necesaria para la activación de la síntesis de giberelina. En realidad puede ser que la giberelina no se forme sino hasta mAs tarde, bajo la influencia de temperatura más cálida, pero su síntesis no tiene lugar a menos que la semilla haya experimentado un periodo de baja .temperatura como se veenla Figura 22-8. Esto provee un doble mecanismo de salvaguarda que es efectivo en la prevención de una germinación prematura: presuntamente el ABA está presente al principio y asegura queinicialmentela semilla est4en letargo, y el requerimiento de un periodo de frío antes de la síntesis de la giberelina que promueve el crecimiento asegura que el invierno haya pasado y la primavera, con su temperatura cálida, ya esté entrando antes que tenga lugar la germinación. La luz roja y el GA tienen un efecto sinérgico; es decir, la combinación de ambos factores estimula la germinación m& que la suma de ellos por separado. Se ha sugerido que el fitocromo además de su posible papel en la promocibn de síntesis de giberelina, o quizás en lugar de 61, puede tambih, a trav4s de su efecto en la permeabilidad de las membranas, facilitar la nlovilización de la giberelina a los sitios de reacción. Esta idea puede ayudar aexplicar los peculiares efectos de la interacción de luz y temperatura anteriormente descritos. EFECTOS DE LA TESTA DE LA SEMILLA. En.algunas Semillasel letargo es impuesto por la presencia de la testa; si ésta se quita la semillla germina. Pueden estar presentes dos tipos de mecanismos: uno bioquímico o fisiológico y el otro puramente mednico. La testa es casi impermeable a la difusión de los gases y el embri6n puede
LA PLANTA EN DESARROLLO
580
A
B
Figura 22-9. Aparato usado para la determinación de (A) elvigordesemillas de Xanrhium en germinación y (B)la fuerza necesaria para romper la testa. ( A ) La semilla en crecimiento empuja al pistón hacia abajo y a la tinta roja hacia arriba en el tubo calibrado. (B) Pedazos intactos de latestade una semilla se probaron usando un pedazo de puntilla suavede lápiz parasimular el eje de la plántula. (De Y. Esashi y A. C. Leopold: Physical forcesin dormancy and germination of Xanthium seeds. Planr Pbysiol., 43:871-76. 1968. Utilizado con permiso.)
mantenerse en condición de letargo por falta de oxígeno. Esto podría funcionar de diversos modos. El oxígeno es necesario para el metabolismo. Aunque parece probable que este proceso está disminuido en las semillas como resultado del letargo, no viceversa, ciertos experimentos sugieren que éste es, si no causado, al menos mantenido por la falta de oxígeno. El grupo de Wareing encontró que las semillas de abedul (Betula pubescens) que nogerminancuandoestán intactas lo hacen cuando la testa se raspa o se rompe. Más aún, la adición de oxígeno estimuló enormemente la germinación de las semillasasí maltratadas. Evidentemente los embriones no estaban en letargo por sí mismos; hubieran germinado perfectamente separados de la semilla. De alguna manera el procesoestaba relacionado con la presencia de la testa. El oxígeno puede ser necesario para las reacciones en el rompimiento de los inhibidores que causan letargo o para la síntesis de promotores del crecimiento que lo rompen. Otra posibilidad es que la testa pueda impedir que salga al exterior un inhibidor difusible. Igualmente, en algunas semillas, el mecanismo que percibe la señal que inicia el rompimiento del letargo está localizado total o parcialmente en la testa. Se infiere que el letargo puedeserinducidoporla testa. La segunda alternativa, la mecánica, ha sido investigada por Y. Esashi y A .C. Leopold usando semillas deXunthium pennsyluanicum (llamado también Xanthium strurnarium), cadillo o cardo. Esta planta produce dos clases de semillas encada fruto: unasgrandes sin letargo y otras pequeñas con letargo. Los investigadores,
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
581
Tabla 22-7. Fuerzas requeridas para la ruptura de la testa de semillas de Xanthiurn pennsylvanicurn grandes (sin letargo) y pequeñas (con letargo),y fuerzas realmente desarrolladas por las semillas. Semillas pequeñas
!Semillas grandes
Fuerza requerida para romper la testa (promedio de 5 testas), g
67
56
Fuerza desarrollada por semillas en germinación durante la imbibición, g
30
20
Fuerza desarrollada por semillas en germinación durante el alargamiento activo, g
84
41
fuente: Adaptada según datos de Y . Esashi y A.C. Leopold: Plant Physiol., 43:871-
76, 1968.
usando el aparato diseñado especialmente que se ve en la Figura 2 2 - 7 , obtuvieron los resultados resumidos enla Tabla 22 - 7 que muestran que ningúntipo de semilla genera suficiente fuerza para romper la testa durante la inhibición. Sin embargo, durante el crecimiento las semillas grandes sinletargo generan bastante fuerza para romperla en tanto que las pequeñas no lo hacen. Esto muestra, al menos para Xanthium, que es cierta la opinión tradicional de que el ebmbrión debe generar durante la germinación fuerza suficiente para romper la testa. Más aún, está claro que las fuerzas generadas por la imbibición no son suficientes por sí solas; se necesita también del crecimiento activo. OTROS FACTORES. Se ha examinado la interacción de sustancias promotoras e inhibidoras del crecimiento en la sección anterior. Numerosas semillas son capaces de germinar si se lavan bien con agua, lo cual sugiere la presencia de inhibidores solubles, difusibles, que pueden ser lavados. Otra sustancia que puede ser importante enla germinaciónde algunas semillasesel et,ileno. Muchosinvestigadores han demostrado que las semillas lo producen durante el periodo de germinacibn y que el letargo puede romperse por mediode tratamiento con etileno. Esashi y Leopolddeterminaron que el letargode las semillas de trdbol está reguladopor el etileno producido por ellas mismas. Cuando la semilla yace sobre la superficie del suelo el etileno se disipa; si estP rodeada por suelo la concentración de etileno se vuelve demasiado alta para quehaya crecimiento. Este mecanismoreguladores una salvaguarda para que no germine cuando está en.un sitio desfavorable y estimula la germinación cuando está enterrada en el suelo. Algunas semillas caen antes que el embrión se haya desarrollado lo suficiente para que empiece a crecer. En este caso la semilla puede estar en letargo por un tiempo a causa de la inmadurez de aquél. Los mecanismos de postmaduración, tales como el embrión inmaduro, constituyen artificios cronométricos que impidenla germinación por periodos más o menos fijos, aun cuando las condiciones externas sean favorables. Esto da tiempo para que el letargo impuesto por las condiciones externas (debido a días más cortos o temperaturas b,ajas) empiece a operar. Este mecanismo de retardo de la germinación les da una considerable ventaja ecológica
LA PLANTA EN DESARROLLO
582
a las especies que necesitan ser dispersadas por pdjaroso animales o por accidentes naturales como inundaciones o riadas.
LETARGO DE LOS dRGANOS VEGETATIVOS Ademásdelassemillas,muchaspartesde la plantaentranen letargo. En l a s leñosasperennes, no solamente lasyemas, sino toda la planta entra en letargo invernal. La actividad meristemática del cambium declina hasta cero y el metabolismo de los tejidos de raíz y tallo cae a un nivel o herbáceas, muy bajo. Varios órganosdealmacenajedelasperennesbianuales como tubérculos, bulbos, cormos, etc., pasan el invierno en este estado. La plantita acdtica Lemna (lentejilla de agua)forma una yema invernante llamadaturión que se hunde en el fondo. Todos estos sistemas de letargo parecen participar esencialmente del mismo mecanismo: los días cortos de algún modo promueven la síntesis del ABA a travds de un sistema mediado por el fitocromo. Wareing y sus colaboradores han investigado extensamente la producci6n de sustancias promotoras ( I A A , GA) e inhibidoras (ABA)del crecimiento enlasyemas,particularmentedelabedul (Betula pubescens). Encontraron que las plantas de esta especie entran en letargo y forman yemas inactivas si se exponen a días cortos. Luego, si toda la planta se expone a días largos, las yemas se hinchan y empiezan a desarrollarse.Si las plantas sedefolian y solamente las yemas se exponen a los días largos, tambi6n crecen; pero si las hojas se mantienen bajo días cortos las yemas no se desarrollan aunque ellas mismas esten expuestas a días largos. Estos hechos indican un incremento en la producción de inhibidores en las hojas que están bajo días cortos, que sobrepasa al efecto de las sustancias promoLONGITUD DEL DfA Y LETARGO,
LIGADO/LIBRE
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Figura 22-10. Relaci6n de h i d o abscísico (ABA) libre y ligado en yemasde haya (Fagus sylvatica) durante el ano. (Redibujado se*n datos de S.T.C. Wright: J. Exp, Bot 26:161-74. 1975.)
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
583
toras del crecimiento producidasen las yemas bajo días largos. Las cantidades relativas de ABA ligado y libre pueden ser m b importantes a este respecto que la cantidad total del inhibidor. Los resultados de 101s análisis de las yemas de haya (Fugus syluutica) ilustrados en la Figura 22-10 muestran que la mayor parte del ABA estA en forma libre durante la entrada del letargo en octubre y noviembre, pero durante el invierno y principios de la primavlera cambia o se convierte en la forma ligada. Es probable que el ABA sea producido en las hojas en otoño y se mueva a las ramas. De modo inverso, en la primavera se forman sustanciaspromotoras del crecimiento (sobre todo GA) y desaparecen en el otoño y principios del invierno. OTROS FACTORES. Por supuesto el mecanismo basado en la longitud del día noes el Único que funciona para determinar el letargo. Varios árboles son relativamente insensibles a la longitud del día (incluyendo algunos frutales como manzano, peral y ciruelo). Aunque las plántulas y los arbolillos jóvenes de muchas especies están claramente influenciados porlos días cortos de otoíio, los árboles dejan de crecer a mediados del verano, cuando la longitud del día es máxima.En este caso parece probable que un déficit en nutrientes o cambios en los constituyentes delbalance hormonaldeterminadosporalgún otro factor interno o externo tenganimportancia enel fenómeno. Sin embargo, Wareingha hecho notar que este cese temprano del crecimiento no es necesariamente un letargo verdadero, que ocurrirá en el otoño como consecuencia de los días cortos, como en las semillas. El grupo de Leopold ha hechonotar que se considerala condición de letargo como aquélla en la cual la maquinariametabólica de la célula no funciona debido a una represión del sistema deácidos nucleicos. Esto :puede suceder por una falla de los sistemas de síntesis a causa de la carencia de alguna sustancia o intermediario crítico, o a causa de u'na síntesis programada de sustancias que inducen la cesación de la actividad metabólica. En experimentoscon tubérculos de Begonia estos invesTabla 22-8. Prevenciónde la entrada a la condicióndelettargoentubbrculosde Begonia por inhibidores de la sintesis de ácidos nucleicos y de proteínas (los inhibidores se aplicaron durante un periodo de 20 días en luz roja a 15OC, lo que normalmente induce letargo). Germinacibn Concentraciiin, mm lnhibe lnhibidor
despues de 70 días, % Testigo Tratado
Transcripción 5 - Fluorouracilo 2 - Tiouracilo Transcripción Transcripción 8 - Azaguanina Transcripción 8 - Azaadenina 5 - Fluorodesoxiuridina Transcripción Canavanina Etionina Puromicina p-fluorofenilalanina Ciclo-heximida
Traducción Traducción Traducción Traducción Traducción
10 26 10 3 5 3 1 126 1 26 2 3
87
83 86
91 87 90 69 77 67 87
11 4 4 4
26
26 4
Fuente: Y . Esashi y A.C. Leopold: Regulation of the onset of dormancy in tubers of Segoniaevansiane. Planr Physiol., 44: 1200-1202, 1969.
PLANTA
584
LA
EN DESARROLLO
tigadores encontraron que los inhibidores de la síntesis proteica y del metabolismo de los ácidos nucleicos realmente realmente impiden que se entre en esa condición como se ve en la Tabla 22-8. Esto indica que entrar en letargo es un proceso metabólico activo que requiere de la síntesis de ácidos nucleicos y de proteína, y no un simple proceso pasivo como la cesación del metabolismo causada por una nutrición inadecuada. FACTORES INTERACTUANTES. El fisiólogo sueco A. Vegis ha propuesto un mecanismo general de letargo basado en las interacciones de la temperatura requerida para el metabolismo y el crecimiento con el oxígeno utilizable según lo permite la testa de la semilla o las escamas de las yemas. Vegis propone que la combinación de alta temperatura y poco oxígeno es una causa del letargo y también lo es la baja temperatura. Las yemas y las semillas se forman en el verano y la combinación de alta temperatura y poco oxígeno (en el interior de las escamas de las yemas o de la testa de la semilla) lleva a él. Esta condición continúa durante las bajas temperaturas del invierno, las cuales también ponen en marcha los procesos que llevan a romperlo. De hecho, la formación de las yemas de invierno es una respuesta a los días cortos; su letargo ocurre solamente despuésque están formadas. Este concepto puede modificarse para tomar en cuenta el letargo por alta temperatura de las semillas o yemas que lo sufren en el verano, como se muestra en la Figura 22-11. Una objeci6n a este concepto es que esa condición está causada, como se ha visto, por factores externos a las yemas, originados en las hojas. Más aún, los primeros estadios de la producci6n de yemas en letargo, incluyendo la formación de escamas de las yemas, no pueden estar causados por la exclusión de oxígeno por las propias escamas. Sin embargo, Vegis ha sugerido que la formación de la yema está causada por los días cortos y por la presencia de ABA originado en las hojas, pero que el verdadero letargo está determinado por la reducción en oxígeno y las temperaturas que se aproximan al límite parael crecimiento y el metabolismo, como se muestra en la Figura 22-11.
A
B
Letargo verdadero
Letargo
/
Letargo verdadero
\
Alta
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Alta
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E
2
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S
P
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7 Baja
Otoiio
Baja Invierno
Primavera
Primavera
Verano
Otoiio
Figura 22-11 . Diagrama que muestra los cambios estacionales en letargo en relación con la temperatura, de acuerdo a la hipótesis de Vigis. Las especiesdel norte queposeenletargo a latemperatura fria se conducen como en ( A ) ; las especies que sufren letargo durante la estación cálida se conducen como en (B);también existen tipos intermedios. (Adaptado de A. Vegis. Dormancy in higher plants. Ann. Rev. Plant Physiol.
15:185-215. 1964.)
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
585
El efecto del oxígeno en el rompimiento del letargo parece muy directo, en principio, y podría pensarse que el aumento de aquél sirve específicamente para acelerar la actividad respiratoria y metabólica. Pero la verdadera situación no parece ser tan sencilla. Ciertos inhibidores respiratorios como el malonato o el cianuro (ver Capítulo 6 ) realmente incrementan la germinación de las semillas en letargo según se ha encontrado experimentalmente, aunque normalmente deprimen la absorción de oxígeno y la respiración. Esto sugiere la posibilidad de que alguna reacción de oxidación no conectada con la respiración sea esencial en el rompimiento del letargo. El hecho de que ciertos inhibidores respiratorios aumenten la germinación sugiere que las enzimas respiratorias puedan competir en esta reacción de oxidación desconocida porel oxígeno disponible. La reacción de oxidación, sea cual sea, puede estar conectada con la destrucci6n o la remoción de inhibidores del crecimiento como ABA. O también los efectos del inhibidor podrían relacionarse con la observación de que la respiración insensible al cianuro (página 141) es más pronunciada, en general, en los tejidos (como los delas semillas) que están empezando a romper el letargo. Cualquiera que sea el mecanismo exacto, actualmente parece que el letargo puede estar regulado, al menos en parte, por el proceso de la integración de los sistemas metabólicos incluyendo las vías respiratorias. Se presume que están controlados e integrados por medio de algún aspecto del metabolismo hormonal. El estudio precedente enfatiza el hecho de que el letargo no es un proceso simple, y entrar en 61 puedemediarseporfactolresmuy diferentes a los que lo mantienen posteriormente. Demodosimilar (y quizá a causa de ello) el rompimiento del letargo es un proceso complejo.
ROMPIMIENTO DEL LETARGO. En la salida delletargo de las yemas, semillas y otros tejidos parecen actuaf varios mecanismos. El más importante es quizás elfrío. Esto parece extraño ya que generalmente el letargo tiene lugar en el invierno y puede considerarse como un mecanismo deevasión del frío. Sin embargo, el frío esla característica más obvia del invierno, y han aparecido por evolución mecanismos que permiten que la planta mida su duración e intensidad. Como se ha visto, muchassemillasrequieren frío para sobreponersealletargo en elqueentran poco después que maduran. Muchos árboles requieren dle 250 a 1,000 hrs de frío para romperlo. Si sellevaun árbol en letargo a un invernadero, no empezará a crecer a menos que (o hasta que) haya tenido elperiodlo de frío requerido. En ciertas zonas del sur de Estados Unidos hay a veces prob:lemas en los huertos de frutales porque el invierno no es lo bastante frío para determinar el rompimiento de las yemas en primavera; a veces es necesario un tratamiento hormonal (por ejemplo con GA) para iniciar el brote primaveral. 1 El tratamiento frío no es el Único requerimiento para romperlo; para que se reasuma el crecimiento se requieren temperaturas cálidas y enmuchas especies, días largos. Así, sien medio del invierno una planta ya ha completado su tratamiento frío, seguirá dormida hasta que se presente tiempo caluroso o se alarguen los días u ocurran ambas cosas. Un golpe de alta temperatura puede romper el letargo demasiado temprano. Una técnica estándard para forzar las flores y arbustos leñosos (como Forsythia) essumergirlosenagua caliente, de 30 a 35"C, durante varias horas. Como se ha visto, la aplicación de GA revierte el efecto causado por el ABA, impidiendo o rompiendo el letargo inducido por dicho inhibidor. Más interesante, ya que parece ser un mecanismo fisiológico naturd, es el efecto del etileno. Se ha
DESARROLLO 586
EN
PLANTA
LA
Figura 22-12. Efecto del etileno sobre la germinaci6n de semillas de trdbol (Trifolium subterraneum var Dininup) a diferentes temperaturas. (De Y. Esashi y A. C. Leopold: Dormancy regula tion subterraneum in clover seeds by ethylene. Plant Physiol., 44:1470-72. 1969. Utilizado con permiso.)
Concentración etileno, ppm
demostrado que las semillasde algunas plantas pequeñas como el trébol rompen el letargo en respuesta a concentraciones de etileno extremadamente bajas como se muestra en la Figura 22-12. Se ha demostrado que las semillas en imbibición producen etileno. Parece probable que esto represente un mecanismoque asegura que la semilla germine solamente cuando está totalmente cubierta por el suelo; en tal caso el etileno que produce no puede escaparse y aumenta hasta unaconcentración suficiente para determinar el rompimiento permitiendo la germinación. El tratamiento con frío de pregerminación que requieren algunas semillas Figura22-13.Cambios en los factoresdecrecimientoensemillasdearceazucarero (Acer saccharum) durante estratificacibn a 5OC. (Adaptado según datos de D.P. Webb, J. van Staden y P.F. Wareing: J. Exp. Bot., 24:105-17. 1973.) - 8
Gl6ERELlNA
O
ClTOClNlNA
Dfes de tratamiento
fd0
germinadas
ENESCENCIA LETARGO.
Y MUERTE
587
para romper el letargo se denomina estratificación (ver Capítulo 1 7 , página 454). Durante la estratificación ocurren varios cambios en !as hormonas más importantes alto, como se muestra en la Figura 22-13. El ABA que inicialmente estaba muy y luego decrecen nuevamente en declina rápidamente, Las citocininas aumentan tanto que las giberelinas aumentan. Finalmente, al momento de la germinación, todas las hormonas caen a un nivel bajo. Parecería quela interacción de los efectos de estas hormonas fuera importante en los procesos que ocurren durante el rompimiento del letargo. SENESCENCIA Y MUERTE MODELOS DEL ENVEJECIMIENTO Y L A M U E R T E . Las plantas se desarrollan cOnt,inuamente desde su germinación hasta su muerte. La última parte del proceso del desarrollo que lleva de la madurez a la completa y final pérdida de organización y funciones se denomina senescencia. Es característico del determinism0 del vegetal que la senescencia no sea simplemente un descenso1 paulatino de los procesos vitales sino un proceso o serie de procesos muy bien ordenados y programados. Las plantas no se van “desintegrando” o “deshaciendo” al envejecer; envejecen igual que se desarrollan, de modo ordenado. Según su hábito de desarrollo, envejecen de modos o maneras muy diferentes. Puede ser que se vuelva senil y muera como un todo al mismo tiempo, como ocurreen muchas plantas anuales después de la floración, o bien puede ocurrir una senescencia progresiva de las diversas partes conforme envejece toda la planta, quedando ciertas partes activas y en estado juvenil (generalmente las partes apicales del tallo y raíz) en tanto que las partes más viejas (particularmente las hojas viejas) se vuelven seniles y mueren. También puede ocurrir una senescencia simultánea o secuencia1 de una parte de la planta (como la parte aérea de perenne o bianual invernante, o las hojas de un árbol deciduo), en tanto que el resto queda vivo. Finalmente, durante el proceso de maduración de los tejidos, ciertas células como los vasos del xilema, las traqueidas o el tejido esclerénquimatoso, pueden hacerse seniles y morir aunque la planta como un todo siga aún creciendo vigorosamente. Los modelos de la senescencia tienen diferen.cias importantes tanto en las causas y naturaleza de sus procesos como en el grado de reversibilidad. Algunos tipos de senescencia están estrechamente correlacionados con los eventos del desarrollo de la planta como un todo. Por ejemplo, en las plantas monodrpicas (aquellas que florecen solamente unavez y luego mueren) tiene una estrecha relacióncon y el desarrollo de los fruto!;. Si se quitan las flores o los el proceso de floración frutos la senescencia puede ser pospuesta; si la planta se mantiene bajo condiciones desfavorables a la floración (por ejemplo, fuera de su fotoperiodo) su senescencia puede posponerse por muchos años. Dehecho, algunas plantas monocárpicas viven muchos años antes de florecer, pero cuando fructifican, mueren (por ejemplo, el maguey O Agave). Pero algunas plantas perennes como el pino de conosaristados (Pinus aristatu) de las montañas de California puede alcanzar los 5,000 años. Entonces, por una parte, la senescencia siguiente a la fructificación o la senescencia de la flor después de la fertilización es aparentemente irreversible y es una consecuencia inevitable de la floración o fructificaci6n; por lo tanto no esti bajo el control de laplanta en el sentido deque pudiera estar influenciada por esti-
588
LA PLANTA EN DESARROLLO
mulos internos o externos. Por otra parte, la rápida senescencia de una hoja cortada puede revertirse y ésta rejuvenecerse por aplicación de citocininas o poniéndola a enraizar; de manera similar, en plantas como el frijol o el tabaco las hojas viejas entran en senescencia al desarrollarse la planta, pero esta senescencia puede revertir s i se corta su parte superior. Estas observaciones sugieren que puede haber más de un proceso de agente causal de la senescencia característico según las diferentes situaciones o los diferentes tejidos. Esto afirma la idea de que no es simplemente un descenso paulatino de las células y tejidos sino una parte mogramada en el desarrollo. La senescencia es a menudo una gran ventaia para las plantas que entrarían en serias dificultades si no ocurriese. La caída de las hojas en los árboles deciduos es una parte esencial en la adaptación al invierno. A menudo las hojas más viejas de las plantas herbáceas envejecen y mueren, y su contenido de nutrientes es transportado para la nutrición y la muerte son esenciales para el funciode las partes en crecimiento. La senescencia namiento de las células del xilema y del esclerénquima. Estas funciones son tan importantes que es improbable que ocurran al azar.
ASPECTOSMETAB~LICOSDE LA SENESCENCIA. A nivel celular la senescencia parece estar controlada rígidamente si bien no se conocen los mecanismos de control. Las células senescentes sufren una reducción de su estructura y la mayoría de las inclusiones membranosas subcelulares se rompen.Se ha sugerido quela vacuola actúa como un lisosoma, secretando enzimas hidrolíticas que digieren el material celular que ha dejado de ser necesario. Es evidente que ocurre algún tipo de destrucción del tonoplast0 y las enzimas hidrolíticas se liberan al citoplasma. Sin embargo, la situación no es tan simple pues también se reduce la estructura interna de los cloroplastos y mitocondrias, y parece que esto sucede antes que se rompan sus membranas externas. Por lo tanto, parece probable que se inicien procesos de degradación o se eliminen procesos de síntesis, tanto en los organelos como en las células. Posiblemente la misma señal que causa la senescencia en las células es percibida también por sus organelos provocando que lleguen a la senectud simultáneamente. En el metabolismo y contenido de los órganos en senescencia tienen lugar cambios conspicuos. Se ha observado un decrecimiento en el DNA, RNA, proteínas, iones inorgánicos y varios nutrientes orgánicos. Ocurren cambios profundos en la velocidad de ciertas reacciones metabólicas. Algunos de los rasgos del metabolismo de hojas senescentes se muestran en la Fimra 22-14. La fotosíntesis decrece un poco antes que se inicie la senescencia y la destrucción de la clorofila no ocurre sino hasta mucho más tarde; probablemente esto se debe a la reducción en la demanda de productos fotosintetizados que, como se ha visto (Capítulo 2 1 , página 551), controlan la tasa de la fotosíntesis hasta cierto punto. Pero conforme empieza la senescencia y decrecen las proteínas y la clorofila, ocurre una mayor declinación de la fotosíntesis. Poco después se advierte un climaterio respiratorio. El nitrógeno soluble aumenta brevemente al producirse el rompimiento de las proteínas, pero estos compuestos se transportan a otro lado rápidamente. Cuando ocurre la muerte se han salvado muchos de los valiosos nutrientes de las hojas transportándose a las partes de la planta aún en crecimiento. La pérdida de muchas sustancias poliméricas importantes en las hojas senescentes (por ejemplo RNA, DNA, proteínas) sugiere que la actividad degradativa se acelera engranmedidaen la senescencia. El fisiólogo canadiense R.A. Fletcher y su grupo han investigado las cantidades de enzimas hidrolíticas que hayen las hojas
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
589
- 600 - 500 -400
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Fotosíntesis
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5
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20
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40
Edad de la hoja, dias
Figura 22-14. Algunos cambios que ocurren durante la senescenciaenhojas de frijol (Phaseolus vulgaris). (Datos de prácticas de laboratorio y experimentos de los asociados del autor en su laboratorio.)
590
PLANTA
EN DESARROLLO
LA
Tabla 22-9. Pérdida de enzimas degradativas en hojas senescentes. después Días del tratamiento
de
RNAasa % al testigo
~
Hojas
1 O0
-
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-
-
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91
-
-
30
O
-
-
78
65
51
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-
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-
-
Senescente con Tratada citocinina
-
Senescente con Tratada citocinina Senescente Tratada con citocinina
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1O0
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RNA
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8
frijol
-
" "
a
Hojas
Fuente.' Adaptada de datos de D . R . Phllltps, R . F . Horton y R . A . Fletcher. Phys/o/.Plant, 22 1050.54, 1969.
de frijol y de rábano. Contrariamente a lo esperado, encontraron que estas enzimas degradativas disminuían extremadamente durante la senescencia como se ve en la Tabla 22-9. Más aún, si ésta revierte por aplicación de citocininas, la cantidad de enzimas de degradación sube en lugar de bajar. Esto quiere decir que las pérdidas durante ese periodo se deben a un descenso en la síntesis más que a un aumento en la degradación. Muchos compuestos poliméricos como las proteínas y el R N A se están produciendo cíclicamente en una hoja con metabolismo activo; es decir, continuamente se están rompiendo y resintetizando. En las hojas senescentes esta producción cíclica decrece y se detiene. La implicación es que la porción de síntesis del ciclo se detiene o decrece más rápidamente que la porción degradativa aunque esta ultima pueda también tener una tasa decreciente.
COMPETENCIA POR NUTRIENTES EN LA SENESCENCIA. El fisiólogo alemán H. Molisch sugirió en la década de 1920 que la senescencia podía estar causada por deficiencias nutricionales. Las diferentes partes de la planta compiten por nutrientes, y los frutos y ápices en desarrollo, por ejemplo, pueden crear una mayor demanda en el transporte y acumular así tal cantidad de nutrientes utilizables que las hojas viejas sufran por su carencia. Molisch notó que si se quitan los frutos, semillas o ápices en crecimiento, la senescencia de otras partes dela planta como las hojas se retarda mucho. Esta teoría puede adaptarse a ideas posteriores sobre la dirección del transporte por las hormonas, si se postula que las carencias de nutrientes en las hojas viejas se debe a la dirección deltransporte por hormonas producidas en los ápices en crecimiento o en los frutos en desarrollo. El efecto de las citocininas que retrasan o impiden la senescencia al ser aplicadas a las hojas podría ser causar la divisióncelular,posiblementeacompañada de producción de IAA, la que actuaría dirigiendo el transporte hacia el área donde se produce. Esta visión es extremadamente simple y por lo tanto atractiva. Desafortunadamente varias observaciones hacen poco probable que sea correcta. Por ejemplo, en las plantas dioicas, las que.llevan flores masculinas, que no dan frutosy no requieren nutrición adicional, sufren sin embargo igual senescencia que las plantas hembra que fructifican, Si a las plantas anuales como Xanthium se les impide flo-
LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
591
recer dándoles días cortos continuos, eventualmente se tornan seniles sin haber floreado jamás. Más aún, la senescencia en las hojas, cortadas puede ser revertida y la hoja rejuvenecida por aplicación de cinetina, pero la de las hojas adheridas a la planta no puede ser revertida.Finalmente, no es posible retardarla en plantas anuales que han floreado o fructificado incluso con aplicaciones masivas de fertilizantes. Si la competencia por nutrientes fuese una causa primaria de la senescencia debería esperarse los efectos opuestos en los ejemplos mencionados.
EFECTOSDE LOS FACTORES DEL DESARROLLO. Una pista sobre las causas de la senescencia fue proporcionada por la observación de que cuando una hoja cortada, senescente, empieza a formar raíces, aquélla empieza a revertirse. Esto sugiere que las raíces producen algo que es transportado a las hojas e impide o revierte la senescencia. Los científicos, investigando en Estados Unidos y Alemania, descubrieron que las citocininas aplicadas a las hojas la revierten en el área en que se aplicaron, como lo muestra en la Figura 22-15. Investigaciones posteriores demostraronindudablemente que las raíces producen citocinínas y actualmente hay unacerteza razonable de que la hormona antisenescente que se transporta de la raíz es, de hecho, una o un grupo de citocininas. E1 mecanismo de acción de la citocinina no p t á totalmente claro, pero existen indicaciones en los experimentos de Mothes. Este encontró que cuando se coloca en una hoja una gota de cinetina u otra citocini:na, varios nutrientes orgánicos e inorgánicos son movilizadosen áreas periféricas de la hoja y van hacia el área tratada con cinetina. No está claro si el incremento de la nutrición es la causa inme-
Figura 22-15. Hojas de tabaco cortadas de la planta y tratadas con Cloramfenicol que estimula la senescencia. Seis días antes de que se tomara la fotografía la mitad derecha de cada una de las hojas de la izquierda se asperjó con agua; la mitad derecha delashojasde laderecha se asperjó con una solución de cinetina. El área asperjada con cinetina ha retenido el color verde. (De L. Engelbrecht y K . Nogal: Zur Frage der Kinetinwirkung genenüber der Stoffwechselhemmung durch CMoramphenikol. Flora, 154: 267-78. 1964. Con permiso. de una fotografía original por cortesía del Dr. Engelbrecht.)
592
LA PLANTA EN DESARROLLO
Figura 22-16. Retardo de l a senescencia de lahoja primaria de una planta de frijol tratada con 30 mghtro de benciladenina (derecha) comparada con una tratada con agua (izquierda). (De R.A. Fletcher: Retardation of leaf senescence by benzyladenine in intact bean plants. Planta (Berlin) 89:l-8. 1969. Con permiso. Fotografía cortesía del Dr. R.A. Fletcher.)
diata del rejuvenecimiento o si la citocinina causa la ocurrencia de otros sucesos que danpor resultado tanto el rejuvenecimiento como la movilización de nutrientes. Hace tiempo que el fisiólogo británico A.C. Chibnall encontró que las hojas cortadas, carentes de raíces, invariablemente se tornan seniles aunque se cultiven en una solución nutritiva completa; parecería, por lo tanto, queel rejuvenecimiento no es específicamente el resultado de una movilización de los nutrientes inducida por la citocinina. Sin embargo, se sabe que las citocininas causan la división celular y estimulan muchos procesos metabólicos, incluso la síntesis de proteína, DNA y RNA. La investigación de J. Cherry sugiere que las citocininas podrían proteger al DNA de su degradación (ver Capítulo 23) permitiendo así la continuación de la síntesis proteica aun en presencia de actividad de la RNAasa. Este aspecto de la actividad de las citocininas es por lo tanto el más probable para explicar su efecto rejuvenecedor. A menudo las células con activo metabolismo producen IAA, y éste puede ser responsable del transporte direccional de nutrientes (ver Capítulo 21, página 560). Hay que preguntar: ¿por qué ciertas hojas (las viejas) que están en la planta se vuelven seniles y otras (las jóvenes) no? Aparentemente ambas clases tienen igual acceso al sistema radical. La respuesta está en el hecho que el movimiento de nutrientes tiende fuertemente hacia las partes más jóvenes y con crecimiento más
ENESCENCIA LETARGO,
Y MUERTE
593
activo (ver Capítulo 21). Esta direccionalidad del transporte es posiblemente el resultado de una producción de auxina más enérgica1 en los tejidos en rápido crecimiento: se ha demostrado que las auxinas incrementan el transporte hacia el sitio de su aplicación o producción. El movimiento de las citocininas a partir de la raíz puede estar afectado de igual manera; así, la senectud puede ser el resultado de la carencia en las hojas viejas no tan sólo de nutrientes, sino también de citocininas. La aplicación de la citocinina benciladenina previene la senescencia enlas hojas viejas en las plantas defrijol como se ve en la Figura 22-16.Esto sugiere que la causa de la senescencia es seguramente una falta de citocininas. Como siempre, hay complicaciones. No todas lasplantasresponden a las mismas hormonas. Las citocininas se muestran más efectivas en muchas plantas herbáceas. Las giberelinas son efectivas para retardar la senescencia del diente de león (Taraxacum officinale) y del fresno (Fraxinusj y los niveles de giberelina endógena caen progresivamente durante la senescencia de la hoja. Se ha encontrado que las auxinas (IAA y 2 , 4 - 0 ) retardan la senescencia en ciertos árboles, aunque no siempre tienen este efecto en todas las plantas. El etileno promueve enérgicamente la senescencia en muchos tejidos: tiene un papel fisio:lógico en los frutos enmaduración y en ellos su concentración puede aumentar alcanzando niveles fisiológicamente efectivos. Hay fuertes evidenciasquesugieren que el ‘etileno está íntimamente conectado con el envejecimiento; aplicado externamente tiene un fuerte efecto y H. Kende han “fitogerontológico”. Los fisiólogos americanos A.ID.Hanson demostrado que el etileno proviene engran parte o exclusivamente del aminoácido metionina. La metionina está también involucrada enlas reacciones de metilación que guardanuna concentración baja enlas plantas jóvenes en crecimiento activo. Conforme decrece la actividad el contenido de metionina aumenta mucho y tiene lugar síntesis de etileno. La inferencia es que éste puede ser parte integral del proceso de envejecimiento, pero no lo causa. La causa básica del envejecimiento es aún desconocida.
ABSCISI~N. La abscisión de las hojas y frutos es una de las características más obvias de la senescencia. Las hojas no caen simplemente porque están muertas. Cerca de la base de la hoja se desarrolla una zona de división celular, la zona de abscisión, formándose numerosas paredes celulares que forman ángulo recto con el eje longitudinal del pecíolo, como seve en la Figura 22-17. Luego se forman pectinasas y celulasas en las células de esta zona, como se ve en la. Figura 22-18, las que disuelven la lámina media de las paredes transversales de estas células rompiéndose el pecíolo. Las conexiones vasculares se rompen y por lo general se taponan por formación de tilosus (depósitos de sustancias gomosas) y capas de células suberosas. Así hay por lo menos dos importantes eventos involucrados en la abscisión: división celular y formación de hidrolosas. Ambos sonprocesos de metabolismo activo y por lo tanto deben ser una parte programada del desarrollo de la planta. Parece que la abscisión se inicia a continuación de la cesación del crecimiento y del metabolismo activo de lahoja. Pero la formación de la capa de abscisión no es por s í misma la senectud; lo que constituye la senescencia es una continuación del proceso de desarrollo. El contenido de proteína y de RNA de la zona de abscisión se incrementa durante la misma y la formación de esa zona puede ser inhibida por varios inhibidores del metabolismo y de la síntesis proteica. Parece aclarado, sin embargo, que ocurre solamente cuando el limbo de! lahoja está en la senectud, y
DESARROLLO 594
EN
PLANTA
LA
los nutrientes requeridos para nl metaholismo de esa zona vienen en su mayoría de los que liberan las células seniles de la hoja. Las causas de la abscisión incluyen varios eventos intercalados. Parece posible que intervengan ciertas sustancias inhibidoras del desarrollo. Uno de los descubridores del ABA trataba de encontrar un factor de la senescencia en las hojas del algodonero y es sabido que el contenido de ABA en los frutos en maduración aumenta en gran medida al tiempo del d.esarrollo de los mismos. Es claro que el ABA estimula la abscisión en los pecíolos cultivados in vitro así como también el GA (Figura 22-19). Pero no puede ser éste el Único factor involucrado porqueel ABA inhibe la síntesis de RNA y para la abscisión se requiere crecimiento. La senescencia está probablemente muy relacionada con el descenso en el abastecimien-
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LETARGO, SENE,SCENCIAY MUERTE
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Figura 22-18. Actividad de la pectinasa y absicióndepecíolosde frijol cortados de la planta, consiguientes a la supresióndel limbo de la hoja. (Datos de H.W. Mussel1 y D.J. Morré: Plant PhySiOl., 43: 1545-59. 1968.)
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24 72
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120
O
to de citocinina; la abscisión puedeseguir automiticamente despuésdela senescencia. Esta idea se refuerza porque conforme envejecen las hojas decrece su producción de auxina como se muestra enla Figura :22-20. La adición de auxina al pecíolo o al limbo de una hoja en senescencia impide la formación de la capa de abscisión previniendo así la caída. Por lo tanto, la abscisión puede ser una serie de eventos programados de antemano que empiezan solamente cuando el abastecimiento de auxina de la hoja aicanza un nivel bajo específico. Esto sucede cuando la hoja envejece y empieza su senilidad. El etileno desempeña un papel en la abscisich foliar. Cuando se cortan los pecíolos se forma una capa de abscisión en el término de unos 3 días y la fuerza requeridapararomper el pecíolo decrece abruptamente. La adición de etileno acelera fuertemente este proceso como se ve en la Figura 22-21. Si se quita el etileno, la formación de la capa de abscisión procede con la tasa original (la del testigo) (Figura 22-22). Se ha sugerido que el etileno tiene un doble efecto: una acción gerontológica que causa o acelera la senescencia en !a hoja, y una acción estimulante inductora
Figura 22-19. Influencia de ABA, GA e IAA (como derivados trimetilsilil) en la abscisión de pecíolos de algodóncortados. (Redibujado según datos de L.A. Davis, D.E. Heinz y F.T. Addicott: Plant Physiol. 43: 1389-94. 1968.)
Días
LA PLANTA EN DESARROLLO
596
1
.-mm U
Figura 22-20. AI envejecer las hojas de Coleus muestran una declinación en el
tiempo requerido para el desarrollo de la abscisión despues de suprimir el limbo y una declinaci6n correlativa en el contenido de auxina difusible. La edad de la hoja se toma como equivalente a su posición en la planta, siendo la hoja número 1 la máscercana al ápice del tallo. (Adaptado según datos de R. M. Myers: Bot. Gaz., 102:323-38. 1940.)
O
a
E
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Numero de hojas (del ápice)
Figura 22-21. Declinación progresivaen la fuerzaen la zonade abscisióncon el tiempo posterior al corte. Lacurvade las plantas testigo está comprada con las curvas que desarrollan pecíolos de frijol cortados bajo 0.1 y 1,000 ppm de etileno. (De R.K. de la Fuente y A.C. Leopold. Kinetics of abscission in the bean petiole explant. Plant Physiol.,44:251-54. 1969. Con permiso.)
a Testigo
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O Etileno 0.1 pprn O Etíleno 1,000ppm
O
I
I 20 Tiempo, h r
1
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LETARGO, SENESCENCIA Y MUERTE
597
Figura 22-22. Cambios en la declilnación de la fuerza de rompimiento enla absición consiguiente a la introducción de 1 ppm de etileno (después de 26 hr) y remoción del etileno por evacuación (29 hr después del corte). Las flechas indican las veces que el etileno se adicionó o evacuó. Las líneas verticales indican errores estándar. (De R.K. dela Fuente y A.C. Leopold: Kinetics of abscissioninthe petiole explant. Plant Physiol., 44:251-54. 1969. Utilizado con permiso.)
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I
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Testigo
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Etileno a las 26 hr
0
Evacuado a las 29 hr
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I
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35
Tiempo hr
de enzimas que degradan las paredes celulares en la :zona de abscisión. Este último efecto es contrarrestado por el IAA como se muest,ra en la Tabla 22-10. Aunque se ha encontrado que el tratamiento con IAA impide la abscisión, realmente estimula su tasa cuando se hace una aplicación tardía (después que aquélla se ha iniciado). Esto puede estar en relación con la formación de etileno estimulada por el IAA. Se sabe que algunas hojas elevan bruscamente :y por corto tiempo su producción de IAA en las senectud, poco antes de morir,, En este estado el IAA actúa probablemente estimulando la abscisiónmás que impidiéndola. T,abla 22-10. Incremento enla actividad dela celulasa enla zona de abscisión de las hojas de frijol, afectalda por el etileno o por la auxina sintética ácido 2,4,5-triclorofenoxiac:ético (2,4,5-T). Actividad,%altestigo
Testigo f etileno
1 O0 166
+ 2,4,5-T
23
Fuente: Adaptada según datos de R.F. Horton
v
D.J. Osborne: Nature, 214:
1086-88, 1967.
598
EN DESARROLLO
El cuadro completo puede resumirse de la siguiente manera: el crecimiento decrece, causado en parte por la producción de ABA que es resultado de los días cortos, y en parte por un descenso en el abastecimiento de citocinina y de factores nutricionales lo que es resultado del descenso en la producción de IAA.Presuntamente este es el primer estado de la senescencia. Como resultado del descenso en la tasa de crecimiento, la producci6n de IAA se deprime mucho y empieza la formaciónde la capa de abscisión. Una consecuenciaposteriordeldescensoenla producción de IAA puede ser una fuerte reducción del transporte a las hojas; por esta razón, y quizás por otras, la senescencia avanza rápidamente. Una consecuencia frecuente de la senescenciaprogresiva es la produccih de etileno;éste estimula la producción de enzimas que degradan la pared celular en la zona de abscisión y ocurre la caída. Para entonces la senescencia ha avanzado al punto que la hoja ha muerto, o casi, y la mayoría de los nutrientesque pueden movilizarse han sido exportados, Después de la abscisión las células suberosas y las tilosas sellan la herida dejada por la caída.
LECTURAS ADICIONALES Ver la lista del Capítulo 16. Addicott, F . T . , y J.L. Lyon; Physiology of abscisic acid and related substances. Ann. Rev. Plant Physiol. 20: 139-64. 1969. Taylorson, R.B.y S.B. Hendricks: Dormancy in seeds. Ann.Rev.PlantPhysiol. 28: 331-54. 1977. Villiers, T.A.: Dormancy and the Survival of Plants. Edward Arnold Ltd. Londres. 1975. Wareing, P.F. y P.F. Saunders: Hormones and Dormancy. Ann. Rev. Plant. Physiol. 2 2 : 2 6 1 - 8 8 . 1971. Woolhouse, H.W.: Ageing Processes in Higher Plants. Oxford University Press. Londres. 1972.
'
.
Capítulo 23
ACCIÓN DE LIASHORMONAS Y ]REGULADORES DEL CRECIMIENTO
En los seis capítulos precedentes se ha considerado el determinismo de la planta en una secuencia que se aproxima a la de su ciclo de vida. El fenómeno común que se encuentra en cada fase del desarrollo y del determinismo del vegetal es el control por medio de hormonas o fitorreguladores. Se han revisado algunos de los muchos procesos diversos y de los modelos mecanísticos que están influenciados por cada hormona. Ahora se resumirá la información existente sobre el mecanismo o mecanismos por los que dichas hormonas llevan a cabo sus d.iversos efectos. Uno de los aspectos más asombrosos de la fisiología vegetal es el que un pequeñogrupodecompuestosde gran simplicidadquímica, las fitohormonas, produzcan una variedad de efectos tan extraordina.ria en un número tan grande de situaciones diferentes.' Algunos de ellos varían en tal amplitud (por ejemplo, los efectos del IAA sobre la pared celular, la absorción del agua, el crecimiento, el metabolismo, el transporte, la fotosíntesis y el alargamiento de la célula) que sugieren una variedad de mecanismos de acción hormonal diferentes. No obstante, el principio de Occam "no se deben multiplicar innecesariamente las causas" sio modo de acción para una gue siendo muy atractivo. Si hay solamente un sitio hormona, éstos servirán como un concepto unificador que será una ayuda para encontrar un orden enel caos de la acción hormonal. Por esta razón muchas de las investigaciones en bioquímica de las hormonas se han dirigido a encontrarunefectode cont,rol Único, rector, para cada hormona. El lugar más natural para buscar un efecto así, es a nivel genético: el reprimir, desreprimir, seleccionar o modificar los diversos programas del desarro110 contenidos en el genomio de la célula. Desde tal punto de vista las hormonas se consideraríancomoselectoras,activadoras o modificadoras deun programa total en lugar de llaves individuales que operan sobre pasos individuales en muchas vías metabólicas independientes y no relacionadas entre si. Es posible que las hormonas actúan en ambas maneras. Sin embargo la evidencia reciente indica que hay niveles de acciónhormonal básicos y generalizados que claramente se sobreponen en importancia a cualquier acción específica sobre enzimas individuales o sobre las reacciones metabólicas.
PLANTA
600
LA
EN DESARROLLO
AUXINAS SfNTESIS, MOVIMIENTO E INACTIVACION. El control hormonal puede lograrse por la operación de la hormona de manera específica o general, o bien por el establecimiento de gradientes de concentración pclarizados en los tejidos. Los gradientes se desarrollan por la síntesis localizada de una hormona, por su movimiento o transporte y por su destrucción. El crecimiento parece ser un requisito para la síntesis de IAA y éste parece producirse principalmente en los ápices en desarrollo, hojas en expansión y tejidos con igual actividad meristemática. Hay problemas con respecto a la raíz: algunos experimentos sobre crecimiento radical sugieren que la auxina es el agente mediador en el control de la morfología de la raíz por el ápice: Sin embargo, la cantidad de auxina presente en la raíz escasi inmesurable y no se ha tenido una evidencia directa de que se produzca en ese órgano. Parece más probableque la auxinapresente enla raíz se transporte del tallo, pero este problema no se ha resuelto aún. Las reacciones bioquímicas que llevan a la síntesis de IAA y de sus derivados se describen en el Capítulo 9, página 258. Las principales vías de síntesis del IAA se resumen en la Figura 23-1. El transporte polar de la auxina es responsable en gran parte de su especificidad de acción. Las razones de que el transporte sea polar no están claras, pero pueden relacionarse con los gradientes eléctricos o iónicos y la permeabilidad diferencial de la auxina en forma iónica o como ácido libre. La auxina se mueve con extrema lentitud, no mayor de la que podría esperarse por difusión de célula Figura 23-1. Vías de síntesis del IAA enlas compuestos del indol importantes.
plantas y estructura de algunos
Triptófano
Triutamina
Indol~iruvato
1
Ácido indolacético
i
Productos de oxidación
,CHNH,
H Triptófano
H IAA
H Metilén oxindol (uno de los varios productos de oxidacibn posibles)
ACCI6N DE L A S HORMONAS Y REGULADORES DEL
#CRECIMIENTO
601
la célula a través de las paredes de las mismas. Su movimiento no es totalmente basipétalo; numerososexperimentosrecienteshandemostradoque sise aplica IAA radioactivo se mueve de modo acropétalo con velocidad considerable. Desafortunadamente no es posible determinar cuánta se mueve así o qué proporción del complejo total móvil de auxinas está involucrado. Parece posible que pueda moverse simultáneamente en direcciones opuesta:;, pero en diferentestejidos o en diferentes columnas de células. A.C. Leopold ha notado que muchas condiciones o factores que influyen en el transporte del IAA influyen también en sus efectos sobre el crecimiento en la misma proporción. Esto sugiere que el transporte y los mecanismos que regulan el crecimiento están relacionados estrechamente y tal vez tengan un proceso primario común. Las auxinas se producen casi continuamente por algunos tejidos de la planta; sin embargo no se acumulan en grandes cantidades. Esto significa que algún De hecho proceso, o procesos, de inactivación o de destrucción deben ocurrir. su inactivación es una parte importante del sistema. por el que se logran el control y la correlación del desarrollo, pues la concentracih de auxina en un sitio dado es proporcional tanto a la tasa de su producción c) transporte como a la tasa de su destrucción. Una de las distinciones más importantes entre las auxinas naturales como el IAA y algunos de los herbicidas auxínicossintéticoscomolos ácidos 2,4dicloro fenoxiacético (2,4-D) o 2,4,5-tricloro fenoxiacético' (2,4,5-T) es que los compuestos sintéticos son más estables. Quizá por ser compuestos no naturales hay pocos sistemas enzimáticos que los atacan con facilidad. Por tanto se acumulan más fácilmente e intoxican a la planta. Una de las dificultades para experiIAA es que la auxina adicionada es inactivada muy mentar con auxinas como rápidamente en la mayoría de los tejidos y a menudo es muy difícil mantener concentraciones más altas delo natural en los tejidos experimentalmente.' Otra dificultad experimental es que numerosas bacterias degradan al IAA. Las áreas donde se maneja frecuentemente, particularmente lugares no estériles como invernaderos, tienden a desarrollar una población apreciable de microorganismos que lo oxidan. Esto hace que una de las consideraciones experimentales de mayor importancia sea el tener condiciones estériles. Un pequeño número de bacterias contaminantes puede destruir una cantidad muy grande (en relación con las cantidades que se usan generalmente) de IAA en corto tiempo. Se conocen varios modos de destrucción o inactivación del IAA. Puede ser oxidado irreversiblemente formandometilenooxindo] por una enzima dis23-1). Originalmente se pensaba queésteeraun tribuidaampliamente(Figura compuesto inactivo, pero ahora se ha demostrado que actúa como un inhibidor del desarrollo en levaduras, bacterias y ciertos sistemas deplantas superiores. COOH
N. del T. : el original dice ácido tricloro benzoico, pero este compuesto no es auxínico ni se abrevia 2,4,5-T.
602
LA PLANTA EN DESARROLLO
Sin embargo, aún no está claro si el metileno oxindol se involucra normalmente en el desarrollo. El IAA puede ser destruido por peroxidasas o por oxidasas que interactúan directamente con el oxígenomolecular.Tambiénpuede ser descarboxilado enzimáticamente. Otro modo importante por el que el IAA puede ser inactivado rápidamente es por su conjugación con una variedad de compuestos generalmente en disposición en la célula. El fisiólogo canadiense W.A. Andreae descubrió que el IAA se conjuga rápidamente con el ácido aspártico en la raíz, formando el péptido derivado aspartil-IAA(Figura 23-21, Evidentementepuede conjugarse con varios otros compuestos, incluyendo otros aminoácidos, ciertos azúcares y polisacáridos y proteínas. No está claro si el IAA conjugado puede liberarse con facilidad, pero muchos conjugados se consideran inactivos solo temporalmente, así que su formación constituye realmente un almacenaje más que una inactivación. Sin embargo, cualquiera sea su permanencia, los conjugados sirven para reducir la concentración de IAA en los tejidos. Aparecen algunos interrogantes sobre la cantidad total de IAA que hay naturalmente en los tejidos. No todo puede extraerse de éstos con igual facilidad y parece probable que mucho de lo que esté ahí se encuentre en forma de almacenaje o conjugado. Se ha sugerido que se transporta en forma de conjugado pero esta opinión no es muy aceptada. Los experimentos recientes demuestran que las auxinas están fuertemente compartimentadas en las células y que la regulación de SU síntesis y destrucción, así como también su acción, debe estar relacionado con esta compartimentación. IAA Y FORMACIdN DE ETILENO. Se ha demostrado que el IAA estimula la formación de etileno en muchas situaciones y éstecausa la epinastia y muchos de los efectos formativos que también se atribuyen al IAA. El resultado es que por un tiempo se sospechó que la acción primaria del JAA era causar la formación de etileno. Sin embargo, se ha hecho notar que éste tiene efectos opuestos al IAA en ciertos casos. Por ejemplo, el efecto de ambos en la senescencia y en la abscisión son por completo diferentes. Además, es dudoso que se produzca etileno en cantidadsuficientepara alcanzar unaconcentraciónefectiva,particularmente en los tejidos del tallo donde se difundirá rápidamente hacia el exterior. En las raíces la situación es diferente. Los fisiólogos americanos A.V. Chadwick y S.P. Burg han demostrado que el IAA estimula la formación de etileno en la raíz y que los efectos de la auxina en ella (particularmente el geotropismo) puedenatribuirse al etileno más que alIAA directamente. El etilenoinhibe el crecimiento de la raíz, como el IAA, y la inhibición es suprimida en gran parte por el dióxido de carbono. Se ha observado una estimulación por el dióxido de carbono de varios sistemas en desarrollo afectados por las auxinas, incluyendo los coleóptilos de pastos, y se piensa que el dióxido de carbono es un inhibidor competitivo del etileno. Muchos de los efectos que se habían atribuido previamente a la auxina son causados por la sola aplicación de etileno. Dado que las raíces están encerradas enel suelo, el etileno ahí producido no difunde al exterior tan rápidamenteasíquepueden alcanzarse concentraciones efectivas. Por lo tanto parece probable que el etileno tenga importancia como mediador de los efectos de la auxina en la raíz. Este tópico se considerará en este capítulo en la sección que trata del etileno. EFECTO DEL IAA SOBRE ENZIMAS ESPECíFICAS. Se ha informado que el IAA es-
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Y REGULADORES DEL
C'RECIMIENTO
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timula en forma directa (posiblemente alostérica) a la enzima que condensa el citrato en los cotiledones de maíz, e inhibe la descarboxilación del piruvato y del a-cetoglutarato en el ciclo de Krebs en las raíces de chícharo. Así, hay cierta evidencia de que el IAA pueda afectar directamente la operación de ciertas enzimas clave en el metabolismo energético de la célula, pero estos efectos no están del todo claros. Se ha observado que ciertas reacciones de fosforilación son afectadas por el IAA en células intactas pero no en extractos libres de células. Esto sugiere que para que el IAA afecte las reacciones metabólicas se precisa de la integridad de la célula. Deser así, es improbableque tenga un efecto directo sobre las reacciones enzimáticas y que más probable que lo tenga sobre un aspecto básico del metabolismo o de la estructura celular (por ejemplo, la permeabilidad de la membrana) que ocurra solamente en las células intactas. Se ha sugerido que tiene un efecto sobre la RNA polimerasa, pero éste puede ser también un efecto secundario mediado por alguna otra hormona (se han implicado tanto las giberelinas como las citocininas) bajo el control del IAA. Un punto interesante que relaciona la síntesis de auxina y su control es que el IAA inhibefuertementea la enzima indol etanol oxidasa: Esta es una enzima importante en una de las principales vías de síntesis del IAA (ver Figura 23-l),al parecer lamás importante en ciertas plantas. Este descubrimiento del fisiólogo norteamericano W.K. Purves indica que la síntesis de auxina puede estar bajo un control de retroacción o autocontrol al menos en plantas como el pepino, en las que ésta es la vía principal de síntesis de la auxina.
IAA y de otras auxinas sobre el transporte de los metabolitos.Como se describió en el Capítulo 21, la aplicación de IAA o de auxinas sintéticas parece causar una demanda artificial hacia la cual se movilizan los productos recientes de la fotosíntesis o los nutrientes marcados aplicados. Se ha sugerido que algunos de los efectos de las auxinas sobre el desarrollo son resultado del aumento en la nutrición y en el metabolismo causado por la dirección del transporte de los nutrientes y de las citocininas que ejercen aquéllas. Pero, como se desarrolla en la sección siguiente, muchas de las acciones importantes de la auxina, tales como la estimulación del alargamiento celular que causa las respuestas trópicas, son muy rápidas y directas y no se relacionan en maneraalguna con los fenómenos dela nutrición. Esto no significa que haya necesariamente dos o más mecanismos diferentes de la acción auxínica. Bien podría haber algún mecanismo primario por el cual la auxina ejerciera sus muchos y diferentes efectos. Pero, de ser así, tal mecanismo debería operar a un nivel donde pudiera influenciar muchísimas reacciones. Los efectos en el transporte son ejemplo de una verdadera acción hormonal que opera a gran distancia y parecen correlacionar el desarrollso y el metabolismo en varias partes de la planta. Sin embargo, la acción primaria de la auxina, que es distinta del hecho de que opera a distancia, bien puede ser la misma en 10s diferentes tipos de respuesta, a saber, la estimulación o activación dle reacciones metabólicas, ya sean aquellas que afectan el flujo de nutrientes por causar un mayor aporte en corrientes de transporte específicas o aquellas que afjectan el alargamiento celular. Estos efectos podrían operar a través de un mecansimo genético 0 sobre alguna faceta general del metabolismo celular tal como la actividad de la membrana O SU permeabilidad. AUXINASY TRANSPORTE. Hasta el presente no se entienden los efectos del
EFECTOS EN LA PARED CELULAR. Hace tiempo que se encontró que el IAA esti-
LA PLANTA EN DESARROLLO
604
Coleóptilo en posición horizontal
Ángulo de deformación plástica y elástica causada por el peso
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Ángulo de deformación plástica después quitar de el peso
1
Figura 23-3. Método para medir la deformación elástica y plástica. Se usan coleóptilos plasmolizados de modo que en los resultados no interfiere el efecto de turgor.
mula el alargamiento de la célula y las primeras teorías se desarrollaron alrededor de este tema, su efecto sobre las células. La pared celular contiene capas de fibrillas de celulosa entrecruzadas y normalmente es muy rígida; así quepara que una célula crezca debe haber un mecanismo que relaje o afloje las fibrillas de celulosa permitiendo que se agreguen otras nuevas. Se han desarrollado muchas teorías de la acción de las auxinas fundamentadas en su efecto de relajamiento de las ligaduras queguardana las microfibrillas juntasyentrecruzadas,provocando que se deslicen una sobre otra. Se piensa que así es como la auxina determina quela pared se torne plástica y entonces la absorción del agua causa que la célula se hinche como un globo.El fisiólogo ho1andésA.N.J. Heyn abordó este problema en1931 colocando coleóptilos de avena horizontalmente y aplicando pesos en su ápice como se ve en la Figura 23-3. La Figura 23-4 ilustra la investigación del fisiólogo norteamericano R. Cleland quién mostró que el efecto del IAA sobre el crecimiento esti enrelación directa con el efecto sobre la plasticidad de la pared celular. Recientemente el fisiólogo norteamericano P.M.Ray y sus colaboradores han desarrollado técnicas microscópicas para medir el crecimiento o extensión de tejidos tales como los del coleóptilo, minuto a minuto. Ellos observaron que el efecto del IAA sobre el alargamiento empieza después de un lapso de 8-12 min. ., 600 Plasticidad
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Concentración I A A , mg/litro
10
Figura 23-4. Comparación de los efectosde IAA sobreel crecimiento y la plasticidad dela pared celular en los coleoptilos de Avena. (Adaptado de R. Cleland: Ann, N. Y. Acad, Sci., 144:
3-18. 1967.)
Y REGULADORES DEL CRECIMIENTO
ACCI6N LAS DE HORMONAS
605
Se ha encontrado más recientemente que con ciertas auxinas (los ésteres metílicos del IAA) y aun con el propio IAA en condiciones correctas, el periodo de espera se puede reducir a 1 minuto o menos. Se ha argüido que esto demuestra que el IAA actúa directamente sobre las paredes celulares más que sobre mecanismos genéticos o bioquímicos que afectarían, a s u vez, a las enzimas. Por ejemplo se ha encontrado que un pH bajo induce plasticidad celular durante un corto tiempo. Cleland y sus asociados, particularmente D.L. Rayle, han demostrado que este efecto también puede inducirse en células que han sufrido roturas por haber sido congeladas y descongeladas. Sugirieron que la plasticidad de la pared celular se relaciona con el rompimiento de ligaduras lábilez; a los ácidos y no con fracciones de síntesis (puesto que no ocurre síntesis en las células que han sufrido congelación y descongelación) y que el IAA actúa fac:ilitando la liberación de iones hidrógeno. Esta concepción se ha denominado “teoría del crecimiento por reacción ácida”. Se basa en observaciones sobre muchos tejidos en los que los cambios rápidos en la concentración de protones (H’)siguen en términos de minutos a la aplicación del IAA. Se ha sugerido que éste estimula una ATPasa protón/potasio, un mecanismo de transporte que deriva energía del ATP y que intercambia iones H’ y K + a través de una membrana (ver Capítulo 1 2 , página 322). Hay un cúmulo considerable de evidencia que sustenta esta teoría pero aún no puede considerarse comprobada. Aunque esta hipótesis es una buena explicación de los efectos del IAA sobre el alargamiento celular probablemente no essu únicomodo de acción. Es evidente que no tiene relación con los muchos efectos del IAA sobre la síntesis de RNA Y de proteína que han sido demostrados y que serán considerados en la sección siguiente. ’
Figura 23-5. Inhibición paralela por la actinomicina de lasintesis de RNA y del crecimiento inducidos por la auxina en hipocotilos de soya. (De J. L. Key, N.M. Barnett y C.Y. Lin: RNA and proteinbiosynthesis and the regulation of‘ cell elongation by auxin. Ann. N. Y. Acad. Sci., 144:49-62. 1967. Con permiso.)
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Actinomicina D . Mg/rnl
606
LA PLANTA EN DESARROLLO
EFECTOS SOBRE LA SÍNTESIS DE RNA Y DE PROTEfNA. F. Skoog y sus colaboradoresfueron 10s primerosen notar, en 1953, que el aumento delcrecimiento inducido por la auxina en los tejidos in vitro estaba asociado con un aumento en la síntesis de RNA y DNA. Se ha observado en muchos Casos en particular que un aumento en la síntesis del RNA (ribosómico así como RNAt y RNAm) acompaña al crecimiento, indicando que durante este proceso es necesaria una continua síntesis proteica. Esta evidencia llevó al fisiólogo norteamericano J.L. Key a proponer que las hormonas pueden afectar el crecimiento por estimular la síntesis del RNA y por lo tanto a la síntesis de proteínas que debe acompañar necesariamente al crecimiento. Hay experimentos que demuestran que los inhibidores como la actinomicina D y la cicloheximida, que impiden la síntesis de RNA y la formaciónde proteínas respectivamente, no tan sólo inhiben el crecimiento por alargamiento celular sino que también impiden la función de las hormonas, como se muestra en la Figura 23-5. Key y sus colegas han investigado profundamente este problema. Ahora está bien establecido que las concentraciones de auxina que promueven el crecimiento estimulan la síntesis del RNA y de las proteínas, en tanto que las concentraciones inhibitorias reducen su síntesis. Sise suprime artificialmente el crecimiento, por ejemplo, poniendo el tejido en una solución osmótica lo bastante fuerte como para impedir la absorción del agua, la síntesis de RNA sigue ocurriendo. Esto demuestra que la síntesis de RNAes un fenómeno primario y no una mera consecuencia del aumento del crecimiento. Bajo la influencia de la auxina se estimula la síntesis de todos los tipos de RNA (RNAm y RNAt, y particularmente RNA ribosómico). Se han hecho esfuerzos para explicar la acción del IAA sobre la síntesis del RNA. El fisiólogo australiano K.T. Glazsiou y sus colaboradores han notado un aumento de la invertasa en la caña de azúcar tratada con IAA. Concluyeron que el efecto del IAA era estabilizar al RNAm, no aumentarlo en cantidad, así que se incrementaba el fenómeno de transcripción. Pero este efecto era totalmente específico para la invertasa y no operaba para la peroxidasa que fue tambiéninvestigada. El fisiólogo norteamericano D.J. Armstrong, basado en especulación teórica, ha sugerido que el IAA funciona como una señal para la iniciación de la cadena polipeptídica. Puede actuar como ciertos aminoácidos esenciales para la síntesis del RNA en las bacterias. Key y sus colegas, en base a sus investigaciones sobre la síntesis del IAA y a las de otros investigadores sobre la síntesis in uitro del RNA, sugirieron que la auxina puede funcionar a nivel de regulador o activador de la transcripción. Es claro que actualmente no se puede explicar con precisión la acción de la auxins. Las evidencias sugieren que puede haber más de un sitio primario de reacción. Uno de éstos, responsable de reacciones rapidísimas tales como la fase inicial delcrecimientoporalargamiento (y quizás la transmisión deestímulos como en Mimosa), bienpuedeactuardirectamentesobre la pared celular o la membrana plasmática como lo sugiere la teoríadelcrecimientoporreacción &ida. El segundo, responsable de la continuación del crecimiento Y de la síntesis proteica que debe acompañarlo, parece actuar a nivel de la síntesis del RNA Y de las proteínas. Puede esperarse que las técnicas bioquímicas modernas aclaren estos mecanismos en un futuro cercano. Pero aun entonces el problema integral de la regulación de las propias hormonas durante el desarrollo vegetal deberá ser investigado.
ACCI6N LAS DE HORMONAS
Y REGULADORES DEL CRECIMIENTO
607
ESTRUCTURA Y ACTIVIDAD. Aun sin saber exactamente cómo
o dónde ejerce la auxina sus efectos, ésta debe formar un complejo o reaccionar de algún modo con algún compuesto celular para modular la a'ctividad químicade la célula. Ciertos hechos conocidos sobre las estructuras que confieren actividad auxínica a un compuesto deben ser considerados. Antiguamente se pensaba que era necesaria una estructura cerrada en anillo y una cadena. lateral con un carboxilo como en el IAA (Figura 23-1) pero ciertas auxinas sintéticas carecen de estructura aniF y ' 23-6) y algunas auxinas llada (por ejemplo, carboximetil-tío-carbamato, carecen del grupo carboxilo (por ejemplo, indoletanol). Seha sugerido que hay dos puntos de ligamiento entre la molécula auxíni'ca y su substrato, el grupo carboxilo y una carga positiva parcial en el anillo o en alguna otra parte de la molécula. Estos dos grupos deben estar separados por una distancia de 5.5 A, como se muestra en la Figura 23-6, para que el compuesto posea activida auxinica. En un principio se pensó que el enlace coval.ente estaba en el punto de enlace: la conocida habilidad de la auxina de formar péptidos (Figura 23-2) sugería que el enlace peptidic0con una proteínareceptorapodia ser importante. Sin embargo, los estudios recientes con derivados químicos de la auxina, con ciertos compuestos llamados antiauxinas (que se parecen a aquélla pero que bloquean su acción) y con estereoisómeros inactivos de las auxinas activas sintéticas o naturales demuestran que esta idea es incorrecta. Ahora parece mis probable que el enlace covalente tan sólo la inactiva. Se considera hoy que la actividad proviene de dos, tres o más puntos de interacción de la auxina y su substrato a través de enlaces débiles, fuerzas de van der Waals, atracción electrostática, enlaces de hidrógeno o la formación de complejos de transferencia de carga. La relación tan precisa que existe entre la actividad Y la posición de las sustituciones halogenadas en el anillo de varias auxinas
I AA
2.4-D
C\+ ' {>?!
Figura 23-6. Ácido indolacdtico, Acido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D),ácido 2,3-6 triclorobenzoico (2,3,6-T) y carboximetil tiocarbamato (CMTC); cuatro auxinas activas mostrando la relación carga-distancia entre la carga negativa el en carboxilo y una carga positiva en el núCleo. (De K.V. Thimann: Ann. Rev. Plant Physiol,, 14: 1-18.1963. Usado con Dermiso.)
2.3.6-T
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608
LA PLANTA EN DESARROLLO
sintéticas es una clara indicación de las exigencias estéricas de un enlace a través de muchos puntos. Por ejemplo, el 2,4-D es una auxina en extremo potente mientras que el 2,6-D es inactivo; evidentemente la sustitución en posición 6 inhabilita a la molécula para que se combine adecuadamente consu substrato. Una de las interrelaciones interesantes de estructura y función se tiene en la serie auxínica del indol. El IAA es activo, el ácido indolpropiónico (IPA) es relativamente inactivo, el indolbutírico (IBA) es fuertemente activo, el ácido indolpentanoico es inactivo, etc. Los ácidos con un número par de carbonos en la cadena lateral son activos; un número impar de carbonos en la cadena lateral confiere inactividad. Una probable explicación es que en la cadena lateral se oxidan dos carbonos a la vez por el ciclo de la /3-oxidación (Capítulo 6 , página 132); así, las cadenaslateralesconnúmeroparseconvertiríanenIAA,quees la auxina activa, pero no pasaría así con las cadenas con número impar. La actividad de algunoscompuestosqueexistennaturalmente,como el indolacetonitriloy el indolacetoaldehído se debe a su conversión a IAA en la planta.
RECEPTORES Y SITIOS DE ENLACE. Recientementelos fisiólogosanimales han progresado mucho en la definición de los “blancos” o receptores de las hormonas. En las hormonas vegetales el problema parece mucho más difícil y, aunque se han estado acumulando datos, hasta hoy no se ha progresado mucho. En parte la dificultad es que las hormonasreaccionanconmuchossitiosque no tienen que ver con su actividad, creando así un verdadero problema .al científico. La acumulación de datos cinéticos también es difícil por su baja concentración, su reactividad y su inestabilidad in vivo. No obstante, se han hecho algunos avances y parece que en un futuro cercano los habrá muy considerables. Los fitofisiólogos en los países de Europa y en los Estados Unidoshan demostrado recientemente que los sitios de ligamiento en el coleóptilo de maíz se localizan en las membranas del retículo endoplásmico rugoso. P.N. Ray, de laUniversidad Stanford en California, ha sugerido que la acciónprimaria de la auxinapuedetener lugar en las membranasdelretículo endoplásmico donde podría facilitar la transferencia de ioneshidrógeno (como lo sugiere la teoría del crecimiento por reacción ácida, pigina 605). Actuando así, las auxinastambiénpodríanafectar la disponibilidad deproteínas secretoras y material para la síntesis de pared celular por el sistema retículo endoplásmicoaparato de Golgi, descrito en la página 47. Pero es aúndemasiado pronto para elaborar una teoría general de la acción de la auxina en base a estos resultados. GIBERELINAS SÍNTESIS Y D I S T R I B U C I ~ N . Hay más de 40 giberelinas conocidas; todas ellas tienen la misma estructura anillada básica derivada de la vía de síntesis de los isoprenoides (Figura 23-7; ver lambién Capítulo 9, página 253 y Figuras 9-3 y 9-4). La distribución de las giberelinases bastante específica aunque muchos tejidos contienen dos, tres o varias de las conocidas. Además, los tejidos difieren en su reactividad a las diferentes giberelinas. Un compuesto que causa un rápido crecimiento en el maíz enano, por ejemplo, puede ser inactivo en la promoción del crecimiento de los entrenudos del chícharo, y viceversa. La bibliografía sobre la variedad y distribución de las hormonas es muy extensa pero en este momento no parece que sea posible extraer de ella generalizaciones claras que pudieran llevar
ACCIdN DE LAS HORMONAS Y REGULADORES DEL CRECIMIENTO
609
CH
\ ; ,CH3
CH,-COOH Acetil-COA
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I
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CH,
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CH,--P-P
CH,-CH,OH Ácido rnevalónico
lsopentenil pirofosfato
(una rnol6cula)
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Ho’v \ Giberelina YCOOH A q
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Giberelina A7
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== CH,
HO CH3
COOH Giberelina A3 (ácido giberélico)
Figura 23-7. Esquema de la v í a d’e biosíntesis de algunas giberelinas.
610
LA PLANTA EN DESARROLLO
a una mejor comprensión de la actividad de las giberelinas. Se ha sugerido que muchas son, de hecho, intermediarios en la vía de síntesis de una u otra forma activa. Es posible tener otros puntos devista como se verá después. Las giberelinas parecensintetizarseenmuchaspartes de la planta,pero más especialmente en las áreas en activo crecimiento como los embriones o los tejidos meristemáticos o en desarrollo. La relación entre la edad del tejido y su contenido de giberelina se muestra en la Figura 23-8. Se transportan con facilidad en la planta moviéndose aparentemente en forma pasiva con la corriente de transporte por el floema o por el xilema. Una parte considerable de las giberelinas de la planta puede encontrarse ligada o compartimentada e inactiva en un momento dado. La rápida producción de giberelinas que ocurre en las semillas en germinación es, probablemente, una liberación de giberelina ligada y que fue sintetizada mucho antes, quizá durante el periodo de frío que a menudo necesitan las semillas para germinar, o poco después. Su síntesis está autocontrolada por retroacción, inhibielldo la giberelina la oxidación del kaureno. Se conocen varios compuestos sintéticos que impiden su acción, entre los AMO-1618, CCC* y fosfón-D. que se incluyenlosinhibidoresdelcrecimiento Figura 23-8. Relaciones entre las cantidades de sustancias difusibles similares al GA, obtenidas de las hojas y entrenudos de plantas de girasol. (Adaptado de R.L. Jones e I.D.J. Phillips: Plant Physiol., 41:1381-86. 1966.)
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del CCC es, a partir de
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ACCI6N LAS'HORMONAS DE
Y REGULADORES DEL (CRECIMIENTO
611
Estosproductos parecenactuarprimariamente i.nhibiendo lasíntesisdeácido giberélico (GA) así como en otrasformas. Se conoce poco sobre la inactivación natural de las giberelinas. El ácidoabscísico (AIBA) antagonizalos efectos del GA y las dos sustancias tienenposiblemente un precursor común (ver Figura 23-7 y Figura 22-5). De ser así, pareceimprobable que esténambosal mismo tiempo presentes en altas concentraciones en un tejido, pues su interacción directa podría tener gran significación. ALARGAMIENTO. El GA produce en el alargamiento de las células y del tallo un efecto similar al del IAA pero no idéntico. Aquél actúa en muchos tejidos en los que el IAA es inefectivo o inhibitorio y viceversa. En algunos tejidos, si se aplica primero IAA, el GA tiene un efecto pobre; pero, si el GA se aplicaprimero,el IAAtiene un efecto estimulante del alargamiento,mayor de lo normal. Esto sugiere que la acción de la giberelina ocurre en algún sitio que precede a la acción de la auxina en la secuencia de reacciones que llevan a la estimulación del crecimiento por alargamiento. Dado que por lo menos algunos de los efectos del IAA tienen que ver con la síntesis de proteínas, el GA podría actuar al nivel de la inducciónenzimática o de la transcripción del DNA (ver más adelante). Lang ha demostrado que el GA estimula la división celular en el ápice del tallo así como el alargamiento del tallo. Sin embargo,este puede ser un efecto subsidiario;el efecto sobre el alargamiento celular es el principal. El metabolismo de los ácidos nucleicos está involucrado claramente; el GA acelera la síntesis de RNA, De hecho, el GA aumenta la síntesis del RNA en los núcleos aislados; es razonablesuponer que esto se relaciona con su mecanismo de a c c i h . FLORACI6N. El GAaplicadoa muchas plantasderoseta invernal queno hayan y al subsecuente inicio sufrido su termoperiodo las induce a formar el tallo floral 20, página 533). Aún no estáclaro si éSta es una verde la floración (Capítulo dadera actividad florigénica; Chailajyán ha sugerido que el GA es una de las dos principales hormonas que constituyen el florigén. Pero el efecto del termoperiodo no es igual al del GA; con éste la iniciación de las flores ocurre después del crecimiento por alargamiento y no antes, como es el caso cuando sufre termoperiodo. Se ha sugerido que la iniciación de las flores es una mera consecuencia del rápido crecimiento causado por el GA y no, realmente, urn efecto directo de la hormona. La respuesta a este problema no está aún clara. Otro interesante efecto de la giberelina es que se sobrepone a la juventud en los árboles jóvenesy les induce aflorecer años antesdelo que tardarían normalmente en alcanzar la madurez. Este fenómeno, queha sido ampliamente investigado por el fisiólogo canadiense R.P.Pharis, ha sido extremadamente útilen la hibridación de árboles al acortar muchísimo el curso de las generaciones en ciertas especies forestales. SfNTESIs DE ENZIMAS. Uno de losefectos
más dramáticos del GA es la inducción de enzimas hidrolíticas en el endosperm0 de semillas de avena en germinación (Capítulo 16, página 429). El tratamiento con GA induce la formación de nuevas enzimas y estimula tambiénunanotablesíntesis de nuevo RNAm.Así, elGA actúa en la desrepresión de genes específicos que luego provocan lasíntesis de nuevas enzimas. Se supone, pero no está probado, que el GA actúa sobre el DNA. Se conocen otras enzimas que son afectadas por el GA en situaciones muy diferentes. Recientemente se ha demostrado que la formación del retículo endoplásmico en las células de aleurona en la cebada se estimula de cuatro a ocho veces
LA PLANTA EN DESARROLLO
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Figura 23-9. Efecto estimulantedel GA sobre la incorporación de colina 14C enel retículo endode aleurona de la plásmico (RE) de las capas cebada. Se trataron muestrasduplicadasde 40 capas de aleurona desemillasdecebadavarias veces en soluciónamortiguadora (buffer) o solución amortiguadora 1 pm GA; luego se transficolinamarcada por 30 rieron a lasoluciónde min. Se aisló y contó el RE. (Redibujado de W.H. Evans y J.E. Varner: Hormone controlled synthesis of endoplasmic reticulum in barley aleuronecells. Proc. Nat. Acad. Sci. 68:1631-33. 1971. Con permiso.)
+
10
Tiempo d e incubación, h r
por adición de GA3 como se ve en la Figura 23-9. Glasziou ha demostrado que el GA, causa un incremento en la síntesis de invertasa (pero no en la peroxidasa) exactamente de la misma manera que el IAA. Estos resultados señalan una amplia variedad de efectos de las giberelinas en la inducción de síntesis de enzimas y otros pasos del desarrollo.
MECANISMODE ACCI6N. Las giberelinas están estrechamente relacionadas con los esteroides,muchos de los cuales tienen fuertes efectos hormonales. De hecho, las giberelinas poseen efecto similar a las de la ecdisona en los insectos (ecdisona es la hormona de la muda de los insectos). Los extractos de insecto, pero no de la propia ecdisona, tienen débiles efectos, parecidos a los de la giberelina en las plantas. Los esteroidestienenefectosmuyespecíficosen la desrepresión de genes .activando así enzimas específicas. El gran número y amplia variedad de formas químicasdelosesteroidesestán relacionados probablementecon el númeroy especificidad de los sitios moleculares donde deben reaccionar. Parece por lo tanto posible que las giberelinas actúen de modo muy similar en las plantas. Si esta idea es cierta, el gran número, compleja distribución y especificidad de acción pueden ser un reflejo del número y variedad de reacciones que controlan.Conformeaesteconcepto las muchas giberelinas conocidas noson meros intermediarios en las vías de síntesis de una o unas pocas hormonas sino que son hormonas activas por sí mismas o potencialmente activas. Este concepto es hipotético, no se conoce su modo de acción exacto. Sabemos que actúan en la desrepresión génica y estimulando la síntesis del RNA. Parece probable que estén ligadas a los sitios de reacción por fuerzas débiles de manera similar a las auxinas. CITOCININAS DISTRIBUCI6N. El descubrimiento de
las citocininas parte de
la observación de
ACCIdN DE LAS HORMONAS Y REGULADORES DEL CRECIMIENTO
613
que loscompuestosquecontienenadeninapuedenmodificar la expresióndel desarrollo.Esto llevó al descubrimiento de la 6-hrfurilaminopurina o cinetina por F. Skoog y C.O. Miller en un hidrolizado de DNA de esperma de arenque. Todas las citocininas, tanto naturales como sintéticas, son derivados de la adenina (Figura 23-10). Esta relación química de las citocininas con una purina natural que existe en el DNA y RNA causó gran excitacibn entre los bioquímicos y fitofisiólogos. Pero,por extraño que sea, la intensísima investigación que provocó no ha dado una visión más clara del modo de accibn de las citocininas que la que se tiene de las giberelinas y auxinas. Las citocininas no se mueven en la planta con tanta facilidad como las giberelinas y auxinas; sin embargo, hay evidencia de que se forman en las raíces y se transportan a las hojas y tallos. El fisiólogo alemán L.E. Engelbrecht descubrió que plantas de tabaco alas que se les suprimieron las raíces envejecen rápidamente y la presencia de éstas o la adición de cinetina impide la senescencia. Experimentos hechos con muchos tejidos diferentes han confirmado ampliamente este fenómen\'.La hormona parece transportarse por el x:ilema; hay cierta evidencia de que la citocinina se mueve hacia la fuente de auxilna al igual que otros nutrientes y que el carbono fijado en la fotosíntesis. Sin embargo debe notarse que muchos experimentos han demostrado que cuando la citocinina se aplica a una hoja o a un tejido, no se mueve sino que permanece donde se aplicó. EFECTOS.Entre los efectos de la citocinina están la formación de órganos en los tejidos cultivados in vitro, el alargamiento y la división celular, la prevención de la senescencia y la inducción de la floración bajo ciertas circunstancias. El morFigura 23-10. Estructura de algunas citocininas. La cinetina fue aislada del DNA animal y no ocurre en forma natural enlas plantas. La bencilladenina es sintética. La zeatina y la IPA se forman naturalmente en las plantas.
CH,-CH=C
I
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'CH,OH
Adenina
Adenina Zeatina
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6 - ( y , y dime:ilalil) adenina.
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o isopentenil adenina ( I P A )
I
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Adenina
614
PLANTA
LA
EN DESARROLLO
fólogo hindú B.M.Johri ha demostrado que el endosperm0 del muérdago cultivado in vitro desarrolla tallos si se trata con 8 ppm de citocinina. Los experimentos de Skoog y sus colegas han demostrado que el IAA y la citocinina juntos estimulan la formación de órganos en los cultivos de tejido de tabaco, siendo las cantidades relativas de las dos hormonas lo que determina la clase de órgano que se va a formar (ver Capítulo 18, página 461). La formación de yemas en tallos intactos que sigue a la aplicación de citocinina puede deberse a la síntesis de auxina que parece ser causada por la aplicación de citocinina. La interaccióndeauxinasycitocininastienetambién otros efectos. El IAA induce el alargamiento de los entrenudos del tallo de chícharo; la adición d e , citocinina no inhibe el alargamiento celular pero induce el alargamiento a uno y otro lado más que a lo largo del eje longitudinal. También es conocido el alargamiento de las células maduras bajo su influencia. La Figura 23-11 muestra una plántula de rábano, uno de cuyos cotiledones ha crecido mucho como resultado del alargamiento celular inducido por la citocinina. También promuevenla división celular ocurriendo este efecto con concentraciones tan bajas como 5 X 10 - l 1 M. El hecho de que actúen liberando a las yemas de la dominancia apical, como se muestra en la Figura 23-12, puede relacionarse con sus efectos en la división celular. Esto, asu vez, puede relacionarse con su habilidad para estimular la producción de auxina enlas células. Debe mencionarse otro efecto de la citocinina. El IAA puede estimular la floración en unas pocas plantas, de manera notable en la piña, y el GA induce floFigura 23-11. Plántula de rábano. AI cotiledón de la derecha se le aplicóuna solución de la citocinina sintética 6-bencil amino-9- (tetrahidropirano-241)purina (100 mghitro). La estimulacióndeldesarrollo del cotiledón es causadaprincipalmente por la promoción del alarga mientocelular. (De D. S. Lethman; Cytokinins andtheirrelationto other phytohormones. Bioscience, 19:309-16. 1969. Con permiso. Redibujado en una fotografía por cortesía del Dr. Letham.)
ACCIdN DE
LAS HORMONAS Y REGULADORES DEL
CIRECIMIENTO
615
Figura 23-12. Una planta de Nicotiana Glauca. Se aplicó zeatina como pasta de lanolina (0.5%) a la yema lateral en labase del pecíolo que lleva el anillo de alambre. Esto liberó a layema con dominancia apical. Entonces se aplicó lapastadezeatinasobrela superficie del vástago lateral resultante. Se formó un vástago vigoroso y muy grueso con yemas laterales en desarrollo. La fotografía se tomó 34 días después del inicio del experimento. (De D.S. Letharn: Cytokinins andtheir relation to other phytohormones. Bioscience 19:309-16. 1969. Con permiso. Fotograf ía por cortesía del Dr. Letham.)
ración en las plantas de días largos que no han sufrido termoperiodo. De modo similar, se conocen unos pocos ejemplos en los que las citocininas pueden inducir la floración en plantas de días cortos. M. Kh. Chailajyán encontró que los talluelos de Perilla cultivados in vitro pueden ser llevados aformarprimordiosflorales poraplicación de cinetina, y los fisiólogos hindués S.C. Maheshwari y R. Venkataraman han encontrado que la aplicación de zeatina causa que florezca la diminuta lentejilla de agua Wolffia. Contrariamente, la cinetina inhibe la formación de botones florales en segmentos de tallo de tabaco cultivadosin vitro. PREVENCIdN DE LA SENESCENCIA. La efectividad de las citocininas para prevenir la senescencia cuando se aplican a hojas cortadas o al discos de hoja se descubrió desde hace tiempo y ha sido la base de diversos bioensayos. El efecto integral probablemente es el resultado de por lo menos dos acciones bastante diferentes de la citocinina. Se sabe que previenen la formación de enzimas hidrolíticas como nucleasas y proteasas así que interfieren con l a desintegración de los polímeros. Esto previene los cambios de degradaciónque se cuentanentre las principales características de la senescencia. El otro factor que actúa para prevenir la senescencia es que las citocininas causan una inmovilización de los nutrientes o bien su transporte a las áreas tratadas con estas hormonas. Este fenómeno fue investigado por los fisiólogos alemanes K. Mothes y L. Engelbrecht, quienes mostraron que no sólo previenen la pérdida de nutrientes sino que causan el transporte de nutrientes aplicados o endógenos al sitio donde se la aplicó.
6 16
-
CINETINA
LA PLANTA EN DESARROLLO 7
CINETINA
Figura 23-13. Radioautografías de hojas de Nicotiana rustica a las que se ha aplicado una mancha de Bcido DL-aminoisobutírico 14C. A. Hoja jovenquecasi no muestra dispersión dela radioactividad a causade una alta retención natural. B. Hoja madura; la radioactividad se dispersa primordialmente al pecíolo y venas. C. Hoja madura a cuya mitad izquierda se le dio cinetina; la radioactividad se dispersasolamente a la mitad tratada con cinetina. D. Hoja madura a cuya mitad derecha sele dio cinetina; la radioactividad no se dispersa a causa del aumento en retención. (De K. Mothes: The role of kinetin in plant regulation. Régulateurs Naturels de la Croissance Végétale, No. 123. Centre National dela Recherche Scientifique. 1963. Con permiso.)
En la Figura 23-13 se muestra un experimento típico. Las hojas jóvenes ya contienen algo decitocinina y tiendena perder menosde sus aminoácidos 14C aplicados que las hojas viejas. La adición de citocinina causa que la radioactividad se mueva del sitio de aplicación al área tratada con la hormona. No se ha entendido el determinism0 de este fenómeno. Una sugerencia es que la citocinina pueda estimular la formación de moléculas de proteínastransportadoras involucradas en el movimiento activo de los metabolitos. Otra, es que estimula la división celular que a su vez causa formación de IAA, que actúa luego promoviendo el transporte al lugar de su síntesis. Ninguna teoría tiene una fuerte base en evidencias. FORMACIdN DE ENZIMAS. Se ha demostrado que las citocininas estimulan la formación de enzimas en diversas situaciones. El fisiólogo alemán J. Feierabend ha demostradoquelacinetinaaceleralaformación de enzimas de lafotosíntesis en las plántulas de centeno, pero el efecto no es específico, escuantitativo más que cualitativo, y nopareceprobable que se trate de una interacción específica de la citocina a nivel genético o de síntesis de enzimas. Por otra parte, se ha adverde nouo en ciertas enzimas, incluso la tiraminametilferasa tidoquelasíntesis en plántulas de cebada, es estimulada por la adición de cinetina. También es estimulada la síntesis de alcaloides en raíces de trébol lupino. Como el GA, la citocinina estimula la síntesis de a-amilasa en plántulas de cebada pero el efecto no es tan pronunciado. Parece que las citocininas no están directamente involucradas a nivel genétic0 en ninguno de estos efectos; es decir, no son activas como desrepresores por sí mismas. Su efecto parece ser más bien sobreprocesossintéticos y muchas de
ce el
ACCIóN DE LAS HORMONAS Y REGULADORES DEL
CRECIMIENTO
617
las consecuenciascolaterales pueden debersea su habilidad para causar síntesis de auxinas en tejidos que estaban en reposo previamente. L A S CITOCININAS COMO CONSTITUYENTES DEL RNA. El descubrimiento en el laboratorio de Skoog de que las citocininas son un constituyente del RNAfue seguido por una gran excitación.Los análisis han revelado queciertoscodones (RNAt) en muchos organismos, incluyendo plantas, levaduras, bacterias y animales,contienen una molécula de citocinina en posiciónadyacente al anticodón, punto por dondeelRNAt se encuadra en el código al RNAmenelribosoma. Esta estructura se muestra en la Figura 23-14. La citocinina encontrada más frecuentementeen el RNAt hasta la fecha es la isopentenil adenina (IPA, Figura 23-10), pero se han detectadootras,incluyendo la zeatina (mostradatambién en la Figura 23-10). La cantidad de citocinina en el RNAt es muy pequeña promediando solamente una por 20 moléculas de RNAt.SolamenteciertosRNAt la tienen como componente. El codón para serina la tiene como se ve en la Figura 23-14, pero los codones para alanina, tirosina y fenilalanina no la tienen. Al principio se pensó que la presencia de cit'ocininas en el RNAt se ligaba estrechamentecon su modo de acción hormonal :y que podríaexplicarlo,pero experimentos más recientes arrojan fuertes dudas sobre esta idea, Cuando se adicionancitocininas marcadas con 4C alostejidosquenecesitanestahormona para su crecimiento,no se incorporanal RNAtintacto.En lugar de ello se ha hechoclaroque la característica cadena lateral de la hormona se adhiere a un
I
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Figura 23-14. Estructura del RNAt paraserina.La citocinina IPA está a continuación del anticodón. (Redibujado deA.W.Galston y P. J. Davies: Science, 163:1288. 1969. Copyright
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LA PLANTA EN DESARROLLO
residuo de adenina ya presente en el RNAt. Se ha sugerido que aunque son necesarias para la función de ciertos codones, ello no tiene relación con su actividad hormonal. Este concepto es reafirmado porque la zeatina aislada del RNA de la semilla de maíz es un isómero diferente del que se encuentra libre en la semilla, el cual se presume que sea responsable de la actividad de la citocinina. Se ha encontrado también que una citocinina que actúa sobre la formación de las yemas en el musgo está adherida de modo poco firme; puede ser lavada y entonces el desarrollo se detiene. Esto demuestra que su actividad no reside en las moléculas de ia hormona que se ligan de modo covalente al sitio de acción sino en aquellas que se ligan poco firmemente. Las citocininas pueden estar presentes como productos de desintegración del RNAt. Es posible que no haya conexión ninguna entre su papel en el RNAt y su papel como hormonas. Una última posibilidad es que su actividad hormonal se relacione con su presencia en el RNAt pero no sea una consecuencia directa de ello. A continuación se verá una explicación basada en esta idea. ACCIdN DE LA CITOCININA. Se ha visto que existen requerimientos estructurales bastante estrechos para la actividad de la citocinina. La mayoría de las conocidas tienen un núcleo de adenina con el anillo de purina intacto y sus sustituyentes N6 de tamaño moderado. Hasta hoy la única excepción es la difepilurea y algunos de sus derivados encontrados originalmente en la leche de coco por E. Shantz y F.C. Steward. Pero éstas podrían constituir una clase diferente de sustancias de crecimiento. La citocinina es más activa si la cadenalateralcontiene cerca de cinco carbonos y su actividad se incrementa con la presencia de un anillo de benceno o con la cadena lateral insaturada (ver Figura 23-10). Existen requerimientos específicos respecto a la estructura, las dimensiones de la molécula y la situación de grupos polares con respecto al núcleo principal. No se sabe con precisión cómo se relacionan estas características estructurales con su actividad; se presume que, como en el caso de las auxinas, dichas características son importantes en la formación de enlaces débiles que ligan la citocinina a su sitio de acción. El lugar de acción de la citocinina no se conoce todavía. Se ha encontrado que las citocininas se ligan a los ribosomas y las mediciones indican con bastante precisión que una molécula de citocinina se liga a cada ribosoma. Actúan característicamente en células de Acetabularia sin núcleo, así que probablemente también lo hagan sobre los ribosomas citoplásmicos. Sin embargo los fisiólogos hindúes A. Datta y S.P. Sen han demostrado que estimulan la síntesis de RNA en núcleos in uitro; por lo tanto se presume que también pueden actuar sobre los ribosomas nucleares. Si es cierto que la acción hormonal de las citocininas requiere que se liguen a los ribosomas, también podrían actuar sobre los ribosomas del cloroplasto ya quepuedeninfluenciar la síntesis de moléculas deproteínaen su interior. Los fisiólogos norteamericanos J.E. Fox y J.H. Cherry han sugerido, independientemente, un posible mecanismo de acción de las citocininas que se relaciona con su presencia en el RNAt. Sugieren que el RNAt carente de la cadena lateral de isopentenil en la adenina que sigue al anticodón es inactivo, así que la adición de dicha cadena lo activaría, pero si una nucleasa está presente puede desactivarlo hidrolizando la cadena lateral. Las citocininas solubles actúan protegiendo al RNAt formando un complejo con dicha enzima e inhibiendo su acción y permitiendo así que ocurra la síntesis de proteína. Debe enfatizarse que este mecanismo es hipotético; es posible postular otros. No obstante, parece probable
ACCIdN DE
LAS HORMONAS Y REGULADORES DEL
CIRECIMIENTO
619
que la solución al problema deba tomar en consideración la reconocida presencia de las citocininas en el RNAt así como el hecho de que se ha demostrado que frecuentemente facilitan e incrementan la tasa de síntesis de RNA y de las proteínas. La reciente observación de que las citocininas regulan los niveles de polirribosomas a través de un efecto sobre la síntesis proteica a nivel de la traducción sería consistente con este modo de acción. ÁCIDO ABSC~SICO
EFECTODEL ACIDO ABScfSIco. El ácido abscísico (ABA) es un inhibidor del crecimiento y su acción primaria parece ser la de inhibir la acción de la giberelina y estimular el letargo. Se ha advertido un efecto estimulante: como el GAYel ABA causa un aumento en la producción de invertasa en la caña de azúcar. Este efecto parece operar a nivel de la traducción del RNAt en el punto de síntesis de la enzima. Pero otros efectos estimulantes del GA son o,puestos por el ABA. El ABA inhibe la estimulación de la síntesis de retículo endoplásmico y de a-amilasa en las semillas de cebada causada por elGA. El efecto del ABA parece ser bastante específico para a-amilasa, inhibiendo esta enzima en tanto que la síntesis de otras continúa; esto sugiereque inhibe específicamente la traducción del RNAmpara esta enzima pero no para otras. a su Losefectos delABA sobre el letargo y lasenescenciasonparalelos influencia sobre la síntesis de proteínas y de RNA en. general; por lo tanto, parece probable que gran parte de su acción inductora de letargo se deba a ellos. El ABA tiene un interesante efecto sobre las respuestas de floración: como el GAY inicia la floración enalgunasplantas faltas de inducción, pero en tanto que el GA causa floración en las plantas de días largos, el efecto del ABA es sobre las plantas de días cortos. Esto se puede relacionar con el propuesto mecanismo controlado por el fitocromo por el que un isoprenoide se convierte o bien en GA o bien en ABA bajo la influencia de días largos o cortos (ver Figura 23-7,y también Figura 22-5). El ABA es también el agente que media el cierre de los estomas bajo el efecto de sequía (ver Capítulo 14,página 359). El efecto de ciertos hongos patogénicos que causan marchitez en las plantas infectadas se deble a que el patógeno produce sustancias antagonistas del ABA que impiden en cierre estomático. Una pregunta interesante es cómo una sustancia, el ABA, media tanto respuestas rápidas como el cierre de los estomas, o efectos a largo plazo como la senescencia o el letargo. La respuesta a esta pregunta podría tener que ver con la compartimentación de lashormonas o con la modificación de la acción de una hormonapor otra. Es claro que se necesita más investigación sobre este interesante tópico. ACCIdN DEL ACIDO ABSCfSICO. El mecanismo de acción del ABA parece, por lo tanto, seguir a su efecto sobre la traducción. Inhibe la síntesis de RNA, pero &te podría serun efecto secundario: sise reduce la traducción, normalmente decae la síntesis de RNAt. No parece afectar la desrepresió'ndel DNA pero incluso en situaciones en las queno ocurre síntesis de RNAm, inhibe la síntesis proteica. Esto es consistente con un efecto del ABA a nivel del ribosoma, sobre la traducción y la síntesis de proteínas, pero no a nivel nuclear, donde se esti formando elRNAm.Aúnnosele conoce ningún mecanismode operación, senecesitan más experimentos antes depoder adelantar mecanismos, incluso hipotéticos.
620
LA PLANTA EN DESARROLLO
Como para otras hormonas, la interacción del ABA con su sitio de acción probablemente ocurre por fuerzas débiles y no por enlaces covalentes.
ETILENO EFECTOS DEL ETILENO. Un gran problema en el estudio del etileno es el de separar sus efectos de los de las auxinas. Ahora está claro que el IAA causa producción de etileno en los tejidos y que muchos de los efectos que se atribuían al IAA realmente son efectos secundarios causados por el etileno que se produce como resultado de la estimulación por el IAA. Por ejemplo, los efectosdel IAA en la floración de la piña pueden deberse al etileno producido en esa forma. Desde hace mucho tiempo se advirtió que si las piñas se colocan sobre un lado, florecen. Recientemente se ha sugerido que la respuesta geotrópica está mediada por el IAA inducido al formarse etileno; así que la floración de las piñas estimuladas geotrópicamente puede ser un efecto colateral del etileno producido en respuesta a la acumulación de IAA en el lado inferior de la planta. Los experimentos han demostradoque el efecto delIAAsobrelaraízes diferente al del etileno mostrando que causan reacciones separadas. Sin embargo, la aplicación de una auxina causa producción de etileno en las raíces de modo que es difícil estudiar independientemente los efectos del IAA del etileno. En algunas plantas la óptima estimulación característica de los tejidos por el IAA (ver Capítulo 19, página 487, y la Figura 16-8) se ha adscrito al etileno. El IAA continúa teniendo un efecto estimulante a concentraciones muy altas por sí mismo, pero el efecto inhibitorio del etileno, producido como resultado de la acción del IAA, y eventualmentedeterminainhibicióncuanse sobreponeadichaestimulación do se alcanza un nivel crítico de IAA. El etileno tiene un amplio rango de efectos, desde fuertemente estimulantes hasta muy inhibitorios. Generalmente se lo clasifica como una hormona inhibitoria, pero aunque aún no se conoce totalmente su rango de acción, sus actividades de regulación conocidas son tan variadas que desafía una clasificación superficial. Sus efectos sobre la maduración de los frutos y la abscisión de las hojas parecen deberse a la estimulación de procesos de síntesis requeridos para el desarrollo de características de senescencia o para laformación de la zona de abscisión. Así que sus efectos inhibitorios pueden deberse en gran parte a un real efecto estimulante,operandosobreprocesosde degradación. Lainhibición de su efecto (por ejemplo por el dióxido de carbono) parece hacer más lenta la producción de enzimas degradativas.
MECANISMODE ACCI6N. Varios de los efectos conocidos del etileno tienen niveles desaturación similares, y serequierela misma concentración (0.1-0.2 ppm) para una respuesta de un medio de la máxima. Esto ha sugerido a los fisiólogos americanos S.P. y A.E. Burg que hay un sitio de reaccióncomún para varios efectos importantes del etileno. El dióxido de carbono inhibe su acción en forma competitiva en muchas de sus respuestas incluyendo las que siguen a la aplicación del IAA (por ejemplo el geotropism0 de la raíz).Pareceprobablequeeldióxido de carbono y el etileno reaccionen en un sitio de enlace común. Qué clase de reacción, o cómo es inhibida por el dióxido de carbono, no está en claro; se presume que sea una reacción enzimática.
ACCIdNLAS HORMONAS DE
Y REGULADORES DEL CRECIMIENTO
621
No se conoce el lugar de la reacción primaria del etileno. Éste es muy soluble en los lípidos así que podría asociarse con la p’orciónlípida de las membranas celulares. Se ha encontrado que estimula la excreci6n de ct-amilasa en las células de aleuronadelassemillasde cebada, pero no estimula su producción. No parece tener un efecto muy pronunciado sobre ninguna reacción bioquímica, pero puede afectar la permeabilidad de la membrana o ]posiblemente estimular la actividad de los sistemas de la permeasa. OTRAS SUSTANCIAS QUE INFLUENCIAN EL DESARROLLO Existen otras sustancias no consideradas hoy hormonas que sin embargo influyen, algunas de ellas profundamente, en el crecimiento y el desarrollo. La posibilidad de que los efectos del fitocromo puedan ser mediados por la acetilcolina ya se ha mencionado (Capítulo 20, página 524). La mayoría de las drogas colinérgicas de ocurrencia naturalson deorigenvegetal (por ejemplo, pilocarpina, muscarina, nicotina, d-tubocurarina, atropina, eserina, solanin,a,escopolamina y arecolina). Es posible que estasdrogas y otros compuestos fisiológicamente activos (por ejemplo, los alcaloides, terpenos, posiblemente taninos, etc.) desempeñen un papel en la regulación del crecimiento o en la mediación de efectos ya conocidos. Recientemente se ha escrito mucho sobre el AMP 3,5-cíclico, que tiene una potente capacidadreguladoradel metabolismo animal. Hasta ahora esto no se ha demostrado convincentemente en las plantas superiores. Cuando se aplica a la planta provoca una variedad de efectos, pero hay evidencia que sugiera que es un regulador del desarrollo de ocurrencia natural en los vegetales. Recientemente se ha manufacturado un nuevo e interesante grupo de reguladoresdel desarrollo, principalmenteen el laboratorio del químico alemán G. Schneider. Estos compuestos, llamados morfactinas, tiene un anillo de fluoreno con varias sustituciones en dicha estructura anillada. (Figura 23-15). Las morfactinas son inhibitorias de maneras específicas y actúan enun amplio rango de concentraciones, mucho más amplio que el de losreguladoresdeldesarrollo conocidos O de los herbicidas específicos (Figura 23-16). Inhiben el transporte del IAA causando así diversas anomalías enel desarrollo incluyendo la abolición
COOH
Fluorenol (9-hidroxifluoreno-9-ácido carboxilico)
Figura 23-15. Estructura de dos morfactinas. Compárese estructura su con la de las giberelinas mosen tradas la Figura 23-7.
COOH Clorofluorenol
~2-cloro-9~-hidroxifluoreno-9-ácido carboxílico)
LA PLANTA EN DESARROLLO
622 Concentración, ppm 10-3
10-2
10”
Ácido 2.4-dicloro-fenoxiac6tico Ácido triyodobenzbico
CH2
OH
Pisatina (guisante)
O
3-metil-6-metoxi-8-hidroxi-3, 4-dihidroisocumarina (zanahoria)
PARASITOS Y ENFERMEDAD
661
se conoce. Puede serinducida artificialmente mediantela aplicación de ciertas sustancias inorghicas o factores del crecimiento co’moel 2,4-D. Un mecanismo protector interesante es el de la formación, en ciertas plantas, de sustancias terpenoides que actúan como antagonistas dehormonasde insectos. La hormona juvenil, una hormonaester’oideque controla el desarrollo de insectos, se forma en éstos a partir deprecursolres producidos por las plantas. Algunasde éstas también contienen una sustancia química que impide la formación o laactividad de lahormonajuvenil con lo cual seimpidelamaduración de insectos y se reduce la subsecuente infección, Se conocen numerososmecanismos similares.
‘
EST~MULOS PARALA INFECCI6N. Los estímulos para la infección puedenser activos o pasivos. A menudo existe una importante interacción entre la raíz del huésped y los microbios del suelo. El contacto puede ser necesario para la germinación de ciertos patógenos fungosos. Ciertos hongos son atraídos hacia los huéspedes por sustancias liberadas por las raíces. Las raíces cubiertas con celofán son atractivas, demaneraquelassustanciasen cuestió’n debenser difusibles. El alto estado nutricional del huésped incrementa a menudo la probabilidad de infección, y se ha sugerido que los nutrimentos (carbohidratos, aminoácidos o ácidos orgánicos) que son exhudados por las raíces pueden servir como atrayentes. En algunas plantas superiores la deficiencia en potasio está acolmpañada por una disminución de resistencia ante la infección de la raíz por hongos; esto puede estar relacionado con el incremento en el contenido de azúcares y aminoácidos de las plantas deficientes en potasio, lo cual resulta de la síntesis reducida de polímeros. Los insectos puedenser atraídos por sustancias específicas segregadas por las plantas, como aceites esenciales o aceites de mostaza; éstas son, sin embargo, sustancias secundarias, no nutrimentos o metabolitos primarios. INVASI6N. La situación fisiológica quepermite a un patógeno entrar y establecerse está pobremente comprendida.Lasheridas y aberturas naturales, como estomas, son comunes puertas de entrada, como lo sonlas estructuras delicadas o de pareddelgada, como las hojas o pelosradicales.La fuerte humedad incrementa la probabilidad de infección por bacterias pero no por virus. A diferencia de la mayoría de los hongos y ciertas bacterias, la entrada de virus es un proceso pasivo y ocurre con frecuencia víapequeñasherid,as en célulasindividualesque se curan más tarde o a través de inyección por insectos. La invasión de una planta es influenciada por su estado fisiológico. Cualquier factor que incremente el contenido de carbohidratos de una hoja, como alta luminosidad o baja temperatura, disminuyelaprobabilidad de infección viral,mientrasque las condiciones que favorecenladisminucióndel contenido decarbohi.dratoshacen a laplanta más susceptible. El establecimiento de una exitosa invasión requiere también la precisa reciprocidad de factores nutricionales delhuésped !r lasdemandasdelpatógeno. Ahora se está enfocando el interés en factores químicos que se encuentran sobre las superficies celulares, del huésped o del parásito, que permiten el “reconocimiento”. Usualmente, sin ese reconocimiento el patógeno no puede vincularse al huésped O penetrar después de ello. Tales factores pueden ser proteínas capaces de un vínculo selectivo tanto para célulascorno del parásito. Un buen ejemplo sonlas lectinas, glucoproteínas dela soja, que tienen una interacción fuerte Y específica con los lipolisacáridos superficiales de cielrtas cepas de huésped especifico, fijador de nitrógeno Rhizobium (ver Capítulo 8, página 208).
FISIOLOGfA DE ORGANISMOS ESPECIALES
662
TOXINAS. Los síntomas de enfermedad son frecuentemente (aunque no siempre)
elresultadodesustancias tóxicas producidasporelpatógeno. Los síntomas de varias enfermedades pueden simularse en plantas aplicandoextractos de patógenos cultivados. Aquéllos pueden manifestarse lejos del sitio de infección, lo cual demuestra que las toxinas pueden ser sustancias difundibles o transportables. Varias toxinas han demostrado ser análogasa los metabolitos que se necesitan, que actúan inhibiendo importantes reacciones en el metabolismo de1 huésped. Una de tales toxinas, que ha sido bien estudiada, es producida por Pseudomoms tabaci y causa la enfermedad roña del tabaco. La toxina es un dipéptido que al actuar inhibe la enzima glutamina sintetasa (ver Capítulo 8, página 227), causando con ello unasobreproducciónde amoníaco. Se trata, presumiblemente, de un análogo de la glutamina, como se muestra en la Figura 26-3. Otra toxina específica es el ácido fusárico, mostrado también en la Figura 26-3, el cual parece actuar mediante quelatificación del hierro. Otras sustancias tóxicas incluyen los polisacáridos mucilaginosos producidos por ciertas bacterias que dañan la planta bloqueando su sistema transportador de agua. Ciertas plantas resistentes no responden a la aplicación de toxinas, lo cual sugiere que las plantas susceptibles pueden estar condicionadas de cierto modo por el efecto de la toxina que permite el establecimiento y distribución del patógeno. SUSTANCIASDE CRECIMIENTO. Algunosmicroorganismospatógenos e insectos producen sustancias idénticas a las hormonas vegetales naturales; ellas causarían, por lo tanto, síntomas característicos de severo desbalance hormonal. Sin embargo, también se pueden producir los mismos síntomas cuando, como resultado de la invasión por un patógeno, la planta huésped se estimulaa sí misma para producir unacantidadexcesivadesustanciasde crecimiento. En este casoes extremadamente difícil o imposible determinar la fuente de la “toxina” que causa los síntomas característicos. En muchoscasoslasobreproducción de hormonasesel resultado del metabolismo tanto del huésped como del parásito. COOH
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Toxina del tiz6n del fuego de Pseudomonas Tabaci
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Glutamina
“CH, --CH,--CH,
Y N d A c i d o fusirico, toxina de Fusarium oxysporum. Causante de la marchitez vascular
Figura 26-3. Toxinas fungosas (la glutamina no es una toxina, pero se muestra para comparacióncon la toxina del “ti26n de fUeg0“).
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Ejemplos de esta clase de efectos patogénicos son la producción de IAA por las bacterias de las agallas de la corona (Agrobacteriurn turnefaciens, ver Capítulo 18,piigina 463), de giberelinas por Gibberella fujikivroi causante de la enfermedad “plántula tonta” en el arroz (Capítulo 16, página 424), o de citocininas por muchos organismos patógenos; algunos de éstos producen los mismos efectos que las citocininas que se aplican a las hojas en senescencia: el tejido circundante envejece pero eltejidoinfectado permanece verde debidoal efecto de lacitocinina (ver Capítulo 22, página 591). Algunos organismos producen etileno o ABA, causantes de envejecimiento o senescencia al tejido del huéspe’d. RESPUESTAS FISIOLdGICAS AL PARASITISMO RESPIRACI6N. La más común de las respuestas ante la infección es un gran incremento de la respiración, hasta diez veces la del tejido sano. Si bien parte de éste puede deberse a la respiración del parásito, la mayoría se debe al huésped. Parcialmente podría deberse a la ruptura de barreras que separan substratos y enzimas o a la respiración de azúcares y otros compuestos solubles, que se movilizan de manera característica al sitio infectado. La respiración parece que llega a desacoplarse en ciertas infecciones, es decir, la oxidación de compuestos carbonados ya no e&á asociada con la producción normal del ATP. Cuando esto sucede la temperatura de los tejidos infectadospuede elevarse considerablemente, como también ocurre en tejidos tratados con dinitrofenol, un desacoplador de la fosforilación respiratoria. Se sabe que los narcóticos o agentes que suprimen la respiración o la acción de enzimas oxidantes, incrementan la susceptibilidad,peroello puede atribuirseala supresión de la síntesis de compuestos venenosos dedefensa,tales como fenolesoxidantes, o alternativamente, a la disminución de la capacidad del huéspled para remover compuestos movilizados como resultado de la infección. h t a afecta a numerosas enzimas; algunas incrsementan su actividad; otras la disminuyen y no surgeningún patróndiferente. E:l efecto Pasteur (página 135) puede anularse, y puede ocurrir una desviación desd’ela vía de glucólisis EmbdenMeyerhoff-Parnassa la víaaccesoriapentosafosfato.La respiración del tejido afectado a veces se torna más resistente al cianuro, y la proporción que ocurre vía oxidasas quecontienencobre, en vez del sistema de citocromos que contienen hierro, puede incrementarsesustancialmente. El significado de talescambios no está claro. FOTOSfNTESIS. La fotosíntesis disminuye a menudo en plantas infectadas, a veces debido a pérdida de clorofila o desorganización de cloroplastos, a veces por razones desconocidas. La tasa fotosintética puede incrementarse considerablemente durante los primeros estadios de infección; esto puede ser una respuesta al aumento de sustancias de crecimiento sintetizadas en el sitio infectado, ya sea por el huésped o por el parásito. METABOLISMO DEL NITR6GENO. Un resultado importante de la enfermedad es el uso de grandes cantidades de nitrógeno del huéspe’d para formarproteínadel parásito. Cierta multiplicación de virus parecerequerir una concomitante ruptura de proteínas en el huésped; los compuestos liberados de la ruptura de la proteína del huésped se utilizan para sintetizar prote.ína viral. Ciertas infecciones
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estimulan elcrecimiento de tumores en el huésped, derivando el suministro nitrogenado de éste hacia la nutrición del tumor o causando la síntesis de nuevas proteínas en el huésped que no existían en el tejido sano. Otros organismos patógenos pueden secretar enzimas digestivas destructoras de las proteínas del huésped. Condiciones que disminuyen la capacidad del tejido para sintetizar proteína, como el desprendimientode las hojas, hacen confrecuencia más susceptible al tejido ante el ataque parasítico. El nitrógeno soluble aumenta por lo regular en tejidos enfermos,presumiblemente como resultado de la degradación deproteínas.Las amidas se comportan de manera característica; la glutamina disminuye y la asparagina aumenta dramáticamente. El contenido de ácido ribonucleic0 se incrementa de modo característico en esos tejidos. TRANSLOCACI6N. Muchas enfermedades vegetales se caracterizan por marchitez
o “damping off” causadas por interferencia del transporte del agua. La infección de raíces por bacterias, hongos o nematodos abate considerablemente la capacidad de la planta para absorber agua. Las infecciones bacterianas o fungosas pueden obstruir el xilema del tallo de manera mecánica al inducireldepósito de masas de goma, lamas, o mucilagos, derivados ya sea del huésped o del parásito, como en la enfermedad del olmo holandés. Inclusive las infecciones virales pueden inducir este tipo de reacción. La masa de la infección microbiana puede ser tan grande que obstruya los vasos de xilema o éstos pueden obstruirse por la formación de tilosas (expansiones de células parenquimatosas hacia el interior del lumen de los vasos). Finalmente,una respuesta comúnalaenfermedad es elincremento de la transpiración. Cualquiera o la totalidad de estos factores pueden descontrolar tanto el balance que causan marchitez temporal o permanente. La enfermedad parece tener un fuerte efecto sobre la translocación y movilización de solutos.Por lo común hay ungran incrementoenlaconcentración de metabolitos solubles en el sito de la infección. Esto puede ser causado en parte por la ruptura del tejido del huésped, por el incremento de la importación de compuestos desde otras partes de la planta, y por la disminución del transporte hacia el exterior. El fotosintetizado que se forma del 4 C 0 2 en hojas de trigo infectadas por la roya permanece en ellas durante un tiempo mayor que en las hojas sanas. 1,000 Se han encontradoconcentraciones de fosfato en hojasenfermas,hasta veces mayores que las de tejidos normales. Se pueden mantener en las hojas altas concentraciones de ciertas sustancias aun después que el patógeno ha sido muerto experimentalmente, quizá como resultado deaberraciones del metabolismo del huésped, las cuales son subsecuentes a la infección. El mismo patógeno puede viajar enel tejido conductor del huésped. Muchos patógenospenetran las hojas o raíces o a través de lasuperficie del tallo parecen encontrar fácilmente su rutahacia el floema y diseminarse por toda la plantaa través de este tejido. La penetración del xilema con frecuenciaocurre a continuación de la herida. SUSTANCIAS D E CRECIMIENTO Y RESPUESTA MORFOL6GICA. La patogenicidad se acompaña confrecuencia de grandes incrementosenauxinas,particularmente IAA. Muchossíntomasdelaenfermedad,comoformación de tumores, epinastia, cambios en tasa de crecimiento y forma, aberraciones en la formación de la pared celular, etc., pueden ser claramente resultado de incremento en concentración de IAA, etileno, citocininas o giberelinas, o imitados por éstos. Muchas bac-
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terias patógenasposeenlacapacidadpara sintetizar etileno, el cual essinduda responsable de la típica epinastia a ciertas enfermedades bacterianas. Por lo regularesmuy difícil o imposible saber si el exceso de auxina procede del huésped como reacción a la infección, del patógeno, o sise debe a la pérdida de actividad de la auxinasa del huésped. Investigaciones con precursores radioactivos de IAA sugierenque tanto elhuésped como el parásito pueden coadyuvar el incremento del IAA que causa la epinastia en las papas infectadas con la enfermedad, marchitez deGranville (Pseudomo~~s solanaceurum). La bacteria formadora de agallas Agrobacterium tumefuciens, es capaz de sintetizar IAA, pero los tumores causados por la infección y el desequilibrio asociado del metabolismo del IAA continúan mucho después que el patógeno ha cedido (ver Figura 26-4). Ciertas enfermedades virosas son acompañadas por un incremento de formación de IAA, y los síntomas de la enfermedad pueden estimularse asperjando el tejido con IAA. Puesto que los virus no pueden formarla, el incremento debe ser consecuencia dela estimulación del metabolismo delhuésped.Laactividad de la IAA oxidasa puede abatirse pero ello no es resultado de una inhibición de las enzimas porque la polifenoloxidasa y la ácido ascórbico oxidasa, pueden incrementarse. El hecho de que los virus también inducen con frecuencia el envejecimiento prematuro en plantas ha conducido a ciertos investigadores a vincular los fenómenos deenfermedad y envejecimiento en términos de perturbaciones del metabolismo hormonal. Se ha demostradoquela resistencia a la roya del trigo está asociada a una mayor actividad oxidante de la IAA del tejido, 10 que impide
Figura 264. Agallade la coronaen el tomate. (De C. Chupp y A.F. Sherf: Vegetable Diseases and their Control. Ronald Press Company. Nueva York, 1960, p. 35. Utilizada con permiso.)
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la característica subida en el IAA de la infección 0 10 reduce a niveles normales con más rapidez. El aumento en concentración del IAA puede ser un importante factor en la infección al suavizar las paredes celulares e inhibir la formación de la pared secundaria, lo cual mejora las condicones en favor del crecimiento del patógeno; probablemente sea también responsable en parte del incremento en la translocacibn. La infección radical por nematodos está acompañada a menudo por la formación de células gigantes derivada de la ruptura de paredes celulares entre células adyacentes. El desarrollo y mantenimiento de células gigantes requierelapermanente presencia de nematodos, los cuales evidentemente aportan algún material o sustancias cuya continua presencia es necesaria para tal efecto. La presencia de estas células gigantes provee alojamiento a los nematodos que perforan las células contiguas, a menudo sin matarlas, para succionar los nutrimentos que necesitan. Algunos nematodos causan agallas; los extractos de tales gusanos también las producen, lo cual sugiere que segregan sustancias formadoras de tales estructuras. Alternativamente, se ha sugerido también que las proteasas que segregan los nematodos pueden liberar grandes cantidades ya sea de IAA enlazado a proteínas, o del precursor del IAA: el triptofano. Sin embargo, si bien todos los nematodos segregan proteasas, no todos forman agallas. La formación de agallas también es característica de varios insectos, tales comoafidios, Diptera,Lepidóptera, Hirnenóptera (avispas, moscassierras),los cuales aovan en plantas. Esa formación puede ser inducida por el IAA o alguna otra sustancia de crecimiento segregada por el ovipositor, pero éste no es siempre el caso. El hecho de que distintos insectos produzcan agallas peculiares, en términos de tamaño, forma y color, indica que la fisiología de esa formación es más compleja que la mera introducción o formación de una sustancia del crecimiento en el sitio de invasión (ver Figura 26-5). Lainfestación de árboles o arbustos leñososporafidios puede producircambiosenla anatomía de la madera muy similares a los causados porlaaplicaciónde IAA,pero, nuevamente, no puede demostrarse que los afidios producen el IAA o sus precursores. El resultado del parasitismo de árboles o arbustos por miembros de numerosos géneros de plantas superiores vagamente conocidos como muérdagos, es con muchafrecuenciaunanotoriaaberración del crecimiento llamada “escoba de bruja” (Figura 26-6), la cual parece ser causada por un disturbio en el equilibrio de hormonas de crecimiento del huésped. Se presenta por lo regular una marcada hipertrofia del tejido o la formación de una densa masa de ramas cortas que dan la apariencia de una escoba. El muérdago se nutre mediante haustorios que penetran en los tejidos del tallo del. huésped. La naturaleza y origen del desbalance de hormonas del crecimiento que produce los síntomas característicos, no se conocen. Se ha propuesto la sobreproducción de citocininas como la causa inmediata. Otro parásito que ataca varios importantes cultivos es la cúscuta (Cuscuta sp.). También invade los tejidos por medio de haustorios (Figura 26-7) que penetran hasta el floema del huésped. Allí las puntas de los haustorios producen estructuras en forma de mano que abrazan los tubos cribosos con numerosos dedos (Figura 26-8). Los tejidos por encima del sitio de infección usualmente mueren, presumiblemente por deficiencia nutricional. Ciertasinfeccionespareceninterferirelmetabolismo de las hormonas de crecimiento a tal grado que causan laabscisión de las hojas.Normalmente la abscision se evita por exceso de IAA y se favorece por su reducción o la producción de ácid0 abscísico. Se desconoce la manera en que las infecciones pueden
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A
C
Figura 26-5. Agallas de las plantas. Insectos agallas, diferentescausandiferentestiposde aun en la misma planta. Compárense (A) la agalla arracimada del solídago y (B) la agalla esférica del solidago causadas por diferentesespeciesdemoscas.Adviértase, asimismo, lasagallas (C) sobre la superficie (c6lulas parenquimatosas) y (D) superficie inferior (tejido vascular)dehojasdel roble, causadas es una porun Acaro y unaavispa.Cadaagalla excrecencia masiva de tejidos del huésped; (E) AgallaRosaMusgosa (producidapor una avispa)queconsisteenunamasadetejidos bracteoides.
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Figura 26-6. Escobasde bruja sobreel abetonegro,El atrofiamiento del tallo principal y la densa proliferación de ramas son causados por la infección de muérdago.
afectar tales hormonas, pero al causar la prematura abscisión de las hojas infectadas, el mecanismo actúa a modo de protección contra la diseminación de la enfermedad. Unos cuantossíntomascaracterísticosson causados por la interferencia ddl metabolismo normalde las giberelinas. Ciertas infecciones virales pueden reducir su contenido natural; el achaparramiento resultante puede resolverse mediante la aspersión de ácido giberélico. La enfermedad giberélica mejor conocida es la bakanae disease (literalmente “plántula tonta”) del arroz, en la cual ocurre un alargamiento extremadamente rápido delas plántulas luego de la infección por el hongo Gibberella fujihuroi, que produce giberelina. Esta es una de las pocas enfermedades cuyos síntomas se explican y comprenden con facilidad. ’
RESPUESTAS ANTE EL AMBIENTE. Las plantasinfectadasconunaenfermedad causante de marchitez o que afecta la absorción y el transporte del agua son mucho más susceptibles a la sequía. Se han detactado algunas respuestas menos claras, tal vez más fisiológicas que mecánicas. La resistencia a temperaturas extremas a veces se afecta por la enfermedad. El trigo infectado por la roya, por ejemplo, es más susceptible a daños por heladas pero se torna más resistente al calor. Tales respuestas acaso se deban a cambios en el balance de agua de la planta, o bien a algunos otros mecanismos fisiológicos más importantes. LESIONES. Las plantas enfermaspueden ser lesionadas mecánicamente por parásitos u organismos patógenos. Puede ocurrir la obstrucción de los vasos de
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Figura 26-7. Fotomicrografia quemuestraloshaustoriosde la cúscutainvadiendoeltallode una planta. (Copyright 1960 por H.J.W. Uitgeversmaatschaplpij N.V., Amsterdam. Texto en in& Co., Ltd. ReimpresodePlantMarvels inMiniature gles Copyrigh 1960porGeorgeHarrap por C. Postmas mediante permiso de John Day Company, Inc., Publisher.)
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CBlula acompañante del hospedero
. "Dedos"
de las células contactantes del parásito
I
HOSPEDERO
Figura 26-8. Dibujo de un haustorio de cdscuta al hacer contacto con un tubo criboso enel floema del hu8sped. (Redibujado de I . Dorr, Proto-
plasma, 75:167-84. 1972.)
transporte o inclusive la ruptura del tejido por masas de microorganismos infectantes. Desórdenes nutricionales son consecuencia de la disminución de diversos elementos nutrientes, que son derivados para sostener el metabolismo del parásito. Esto es particularmente evidente en el caso de infestación por plantas superiores parásitas, como bejucos o parásitos tales como la cúscuta (Cuscuta sp.). Seha determinado que del 75 al 90% de la sacarosa-14Caplicada a hojas de Vicia faba parasitada se transporta al parásito Cuscuta reflexa en un periodo de 24 horas. La remoción de las yemas y ápices en crecimiento del parásito no impide el transporte de azúcares hacia él, lo que sugiere que el mecanismo que desvía los azúcares desde el huésped opera en el punto de la infecci6n más que como resultado de la translocación hacia vertederos generada por los ápices del parásito en activo crecimiento. La estrangulación mecánica puede seguir a la infestación de árboles o arbustos por ciertos bejucos (por ejemplo, el dulceamargo (Celastrus scandens). Los árboles pueden sucumbir ante los efectos del sombreado por parásitos tales como el musgo espanol (Tillandsia usneoides), que no parece causar ningún desorden fisiológico serio o patogénico al huésped. INTERACCI~N HUÉSPED-PARASITO
Se ha meditado mucho y se ha realizado bastante experimentación acerca de la pregunta: ¿qué aspecto de la interacción huésped-parásito determina el alto grado de especificidad de la mayoría de las infecciones? El fisiólogo canadiense M. Shaw ha señalado la posibilidad de varios niveles de interacción entre el huésped y el parásito, como se muestra en la Figura 26-9. Evidentemente, la clave para com-
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PARASITOS Y ENFERMEDAD Ambiente
!
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Efectos fisiológicos
iL
l. sustancias presentes antes de inoculación
2. sustancias sintetizadas post-
’
Inoculacion 3. sustancias sintetizadas de novo despues de la inoculación \/ el proceso parasitic0
--
Figura 26-9. Resumen de interacciones huésped-parásito. (Modificado de M. Shaw: Can. J. Bot.,45: 1205-20.1967.)
prender y eliminar la enfermedad reside en alguna parte de esta difícil y compleja ;rea de interrelaciones fisiológicas y bioquímicas. Shaw ha demostradorecientemente la formación de nuevas proteínasen hojas de trigo infectadas de roya que sólo son características de la infección, pero no del huésped infectado ni del parásito en cultivo puro. Ello sugiere que pueden existir enzimas o proteínas funcionales “híbridas” en el tejido infectado, necesarias para que se establezca o continúe la relación huésped-parásito. Esto indica a su vez que debe existir un intercambio de material entre ellos. Habría, como en las infecciones virales, un intercambio de DNA que comprendiera cistrones enteros o segmentos de cistrones. Alternativamente, podría tener lugar un intercambio de RNAm o de algunas moléculas pequeñas que podrían actuar como inductores específicos para activar la síntesis de enzimas. Se ha encontrado que por lo menos un organismo patógeno: Cronurtium sp. causante dle la roya ampollante del pino, crecebajocultivocuando se aísla del tejido del huésped mediante una hoja de celofán. Esto significa que el intercambio - d e haberlo- debe ser a base de pequeñas moléculas capaces de difundir a través del celofán. Cualquiera sea el mecanismo exacto que se establezca,esevidente que la relación huésped-parásito debe considerarse como un sistema nuevo distinto al del huésped o al del parásito por separado. Ahora se está empezando a abrir el camino para comprender este tipo de sistema, con cuya comprensión puede procederse a su control. La eliminación de la enfermedad en base a su control (es decir, la propia interacción huésped-parásito) en vez de intentar la mortandad de organismos patógenos, sería un paso gigantesco para el avance de las ciencias agrícolas.
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FISIOLOGfAESPECIALES DE ORGANISMOS LECTURAS ADICIONALES
Artículos en Annual Rcrlieui o f Entomology and Phytopathology. Bollard, E . G . , y R.E.F. Matthews: The physiology of parasite disease. En: F.C. Steward (ed.): Plant Physiology. A Treatise, Vol. IVB. Academic Press, Nueva York, 1966. pp. 417-550. Chupp, C . , y A.F. Sherf: Vegetable Diseases and Their Control. The Ronald Press, Nueva York. 1960. Goodman, R.N.Z. Kiraly, y M. Zaitlin: The Biochemistry and Physiology of Infectious Plant Diseases, D.Van Nostran Co., Inc.Princeton, N.J. 1967. Wood, R.K.S.: Disease in Higher Plants. Oxford University Press, Londres, 1974. Yarwood, C.E.: Responses to parasites. Ann. Rev. Plant Physiol., 18:319-38. 1967.
Capítulo 27
SIMBIOSIS
TIPOS DE SIMBIOSIS La simbiosis puede considerarse como una forma de parasitismo recíproco en el que uno o ambos socios se benefician de la asociación y ninguno sufre a causa de ella. Son posibles muchos y distintos niveles de asociación, desdeuna libre y casual agregación de especies diferentes hasta la relación estrecha, precisa y permanente denódulosradicales o líquenes. Todaslassimbiosisposeen una cosa en común: permite a uno o ambos socios soportar mejor los rigores del ambiente. Algunas asociaciones tienen unaclararelacidlnhuésped-invasor, enla que su invasor, tampoco deriva el huésped, si bien no sufre daño por la presencia de ningún beneficio de él. Esto puedeconsiderarseunaformadeparasitismo extremadamente exitosa, en que el parásito no se perjudica a sí mismo por el dario a su huésped.Otras asociaciones sonclaramentede beneficio mutuo, enlasque cada socio suministraalgoqueel otro necesita o puedeutilizar. Ciertamente, la asociación puedesuministrar condiciones o sustancias químicas queseríaninaprovechables para uno u otro socio por separado. Se ha sugerido que la presencia de cloroplastos y mitocondrias enlascélulasdeplantas eucarióticas sedesarrollaron de relaciones simbióticas entre las primeras células eucarióticas heterotróficas y algas procarióticas primitivas o invasores bacterioides. Las asociaciones simbióticas pueden ser facultativas, donde los socios pueden vivir ya sea solos o en asociación, u obligadas, en, que uno o ambos socios son incapacesdesobrevivirindependientemente. Todos los distintos nivelesdeasociación son posibles. Las epifitas sólo crecen o se apoyan sobre su huésped; t a l es el caso de helechos y ciertas orquídeas tropicales quae se apoyan sobre troncos de árboles. Una intima asociación entre las células de;ambos socios selograenlos líquenes, los que desarrollan, en ciertas especies, la relación enel punto de penetración de células algales por haustorios fungosos. La asociación m á s intima se da cuando un parásito se emplaza en el interior del tejido o célula de otro, como en micorrizas (hongos-raíces) y bacterias fijadoras de nitrógeno (ver página 207) 0 la frecuente asociación animal-planta en la quelascélulasalgales viven dentro del cuerpo de protozoos o celenterados. La especificidad de la asociación varía desde muy leve, como en el caso de algunas (per0 no todas) plantas epifitas, hasta muy fuerte como en el caso de batterias fijadoras del nitrógeno. Se presume que tal especificidad se debe a la capa-
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FISIOLOGfA DE ORGANISMOS ESPECIALES
cidad de proteínas como lectinas dealgún miembro de la simbiosis para reconocer los sitios de enlace en la superficie celular del otro miembro (ver Capítulo 26, página 661). La base de la especificidad probablemente sea la misma que la de la infección parasitaria. La epifita alga roja Polysiphonia lanosa se desarrolla sólo en los nudos del alga parda Ascophyllum nodosum, si bien las plantas adultas pueden sobrevivir yfotosintetizar por largos periodos separadas del huésped. Presumiblemente los mecanismos de esta especificidad extrema se relacionan con algún requerimiento para la germinación de las esporas de la planta epifita, los que sólo se encuentran en ese sitio preciso del huésped particular donde crece la epifita. Otras especificidades pueden estar relacionadas al balance, a los requerimientos nutricionales precisos, arequerimientoshormonales,a la presencia de metabolitos específicos, atrayentes o repelentes,acaracterísticas físicas de la planta huésped o a la combinación de muchos factores. Las siguientes secciones examinan con brevedad algunas asociaciones simbióticas típicas cuya fisiología ha sido investigada con cierta profundidad.
ASOCIACIONES Una interesante asociación química se encuentra en los frutos del arroz en cáscara donde el sulfur0 del hidrógeno (H2S) puede acumularse a niveles tóxicos en la rizosfera anóxica. La bacteria Beggiutoa obtiene su energíamediante la oxjdación del H,S y es un morador común de los inundados sembradíos de arroz. Este sobrevive porque el tóxico H,S es removido, y la bacteria prospera debido a su necesidad de oxigeno producido por las plántulas de arroz. RecientemeRte seha enfocado el interés hacia los “gremios vegetales de defensa”. Estas son asociaciones facultativas de plantas que interdependen funcionalmente de los herbívoros. En algunas de ellas un “miembro” de la asociación soporta a un parásito de una plaga seria. Por ejemplo, la vid silvestre de California es atacada con una langosta de la hoja, que a su vez es controlada por un parásito de los huevecillos. El parásito de huevecillos requiere de la zarzamora como huésped alternante. La vid y la zarzamora crecen a menudo en estrecha asociación y las variedades de vid de la asociación retrasan la producción de hojas de primavera hasta que los parásitos de huevecillos se han desarrollado lo suficiente en base a las primeras hojas de zarzamora, para controlar las langostas. Otras asociaciones incluyen miembros tóxicos o repelentes que a veces pueden ser mimetizados por otros miembros comestibles. La protección puede lograrse por medios químicos o físicos, o por ocultamiento. Son posibles muchas otras asociaciones de utilidad recíproca, las cuales probablemente representan sistemas simbióticos bastante laxos que no han persistido el tiempo necesario para estrechar la interdependencia entre especies y evolucionar.
MICORRIZAS
Las micorrizas son pequeñas raíces o pelos radicales de muchas especies, en su mayoría árboles, que se han infectado con hongos y forman una asociación de larga vida en la que el hongo vive dentro o sobre las células de la raíz. Un manto o vaina de hifas fungales puede rodear la raíz, actuando esencialmente a manera
SIMBIOSIS
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Figura 27-1. Raíces micorrízicas. A. Pequeñasraícesde pino (Pinus strobus), dosde ellas con infección y tres conmicorrizas ( X 10). B. Pequeñasraícesde pino (Pinus sfrobus) convertidasenmicorrizastuberculares o nodulosas (X 5). C y D. Rakes est6riles y micorrízicasdelabedul amarillo (Befulaalleghaniensis) (X 10). E y F. Secciones longitudinales de pequeñas raíces (de P. strobus que muestran epidermis, corteza y parte de la estela. Adviertase que las c6lulas corticales se han agrandado transversalmente en la raíz infectada (E) y que los espacios intercelulares estitn ocupados por una red de hifasfungosas (X 500). (Fotografías cortesía del Dr. V. Slankis,Ministerio Canadiensede Recursos Naturales, Rama de investigación Forestal, Maple,Ontario.)
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de esponja y reemplazando los pelos radicales que no crecen, 0 no pueden hacerlo. Ocurren algunos cambios morfológicos, en particular la producción de raíces cortas y muy ramificadas con expansiones en formadeclava ensus extremos, como se muestra en la Figura 27-1; éstas pueden resultar de la actividad auxinica. micoPuedenestimularsemediantela aplicación de IAA, y sesabedemuchos biontes que forman esta sustancia. Están involucrados numerosos hongos (pueden ser miembrosde Basidiomycetes, Hymenomycetes o Gastromycetes), y algunas delas asociaciones que seformannoson muy específicas. Ciertas setas comunes de los bosques son los cuerpos fructíferos de hongos miconrízicos. Como algo peculiar, estos hongos usualmente no segregan celulasas o proteasas. Ciertos factores desconocidos parecen estar involucrados en el establecimiento de asociaciones micorrízicas. Si bien los hongos se desarrollan en un medio complejo, su crecimiento se acentúa considerablemente sisecultivan con ellos algunas piezas de raíces de árbol. Aparentemente cierto exhudado de la raíz controla y aún impide la entrada del hongo. Las raíces del tomate impiden la entrada infección se circunscribe a partes específicas de de hongos, y enlasdelpinola pequeñas raíces. Las simbiosis micorrízicas no son unilaterales. El hongo absorbe azúcar del huésped, y otros factores tales como vitamina B, a-cetoácidos y aminoácidos. Por otraparte, la absorción deminerales porlas raíces se incrementa considerablemente por la presencia de micorrizas, tal vez debido a cambios de permeabilidad en las células radicales. La presencia de micorrizas es esencia1 para el crecimiento normal de muchos árboles. Aunque inicialmente se pensóque funcionaban sólo como órganos para el suministro de nutrimentos de la planta huésped, ahora está claro, en particular por el trabajo del fisiólogo canadiense V. Slankis, que la planta huésped recibe también hormonasdel crecimiento (tales como auxinas y citocininas) del hongo simbiótico. Este exceso de hormonas afecta profundamente no sólo la apariencia externa (Figura 27-1A a D) sino también la morfología interna (Figura 27-1E y F) de las raíces. Ellas bien pueden ser responsables de una mayor eficiencia enla movilización y transporte de nutrimentos enlaplantahuésped (ver Capítulo 21, página 562). Asimismo, el color verde más intenso y la acentuada resistencia a la temperatura y la sequía de plantas con micorrizas pueden atribuirse al incremento en concentación hormonal en la planta huésped. La asociación parece continuar sólomientrases de mutuo beneficio para ambos socios. Los factores quereducenlacapacidaddel árbol para suministrar nutrimentos (por ejemplo sombra excesiva) o que reducen la necesidad de absorción del árbol, como suministro excesivo de agua o nutrimentos, tienden a causar la ruptura o desaparición de la asociación. Las asociaciones micorrízicas pueden ser complejas y extensas, involucrando más de un macrosimbionte. Se pensó originalmente que las plantas heterotróficas carentes de clorofila del género Monotropa (pipa de indio y otras) que viven en el suelo de bosques templados de coníferas, eran saprófitas. Ahora se sabe que ellas obtienen su nutrición de los árboles vecinos mediante el paso de sales y carbohidratos vía hifas micorrízicas, las cuales están asociadas con sus propias raíces y las de los árboles cercanos. ORQU~DEAS
La mayor parte de las orquídeas verdes y todas las saprófitas forman una estrecha
SIMBIOSIS
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y obligada asociación con un hongo, usualmente del género Rhizoctonia. La aso-
ciación es en esencia micorrízica, el hongo penetra en la raíz y las células radicales de la orquídea. Sin embargo, la asociación vamás allá que la de una micorriza de árbol de varias formas. Las semillas de orquídeas son diminutas e incapaces de germinar a menos que selesproveade nutrimentos para su crecimiento hasta que sean autótrofas. En la naturaleza, muchas de tales semillas no germinan hasta que se infectan con un hongo, el cual presumiblemente provee el estínnulo para germinar, luego de lo cual se establece un flujo de carbohidratos y nutrimentos del hongo a la orquídea, por lo que ésta se desarrolla esencialmente como parásito del hongo. Sin embargo, cuando la orquídea se torna verde y autótrofa, o bien desarrolla raíces o rizoides que permiten la nutrición saprofítica, los papelesseinvierten.Ahoraelhongo inicialmente un parásito recibe su nutrición dela orquídea, y laplantaquefue del hongo, es parasitada por él. El desarrollo de ciertos tubérculos de orquidea dependeen forma similar de la infección por hongos, los cuales proveen el estímulo inicial para el crecimiento y la nKtrición durante éste, y más tarde se transforman en parásitos de la planta autótrofa. Esta clase de asociación difiere de otras simbiosis en que, si bien el movimiento bidireccional de nutrimentos ocurre en beneficio de ambos socios, está separado en el tiempo. Sin embargo, éSta es una asociación eficiente y exitosa. Algunas orquídeas saprófitas como Corullorhizu y Neottia poseen una intima asociación con sus micorrizasqueincluyen una extensa destrucción de células fungosas. El micobionte vive y parece prosperar en la corteza externa de las raíces o rizoides del huésped, desempeñando una tarea esencial en la simbiosis al absorber nutrimentos y agua.Sin embargo, el hongo, penetra profundamente enlas capas internas de la corteza y allí es destruido o digerido por el tejido del huésped. No está claro si ésta es una reacción ante la e.xcesiva actividad, que tiende a patogenicidad del hongo o tan solo un método para nutrición de la Orquídea. A pesar de la similitud con una reacción a la enfermedad, esta simbiosis es obligatoria y notablemente estable. LÍQUENES ASOCIACIONES DE LfQUENES. Los líquenes forman unadelas
asociaciones simbióticas más exitosas. La plantacompuestaposee una existencia enteramente separada y diferente a uno u otro de los socios, y su morfología es a menudo tan distinta quecualquier socio cultivado porseparadoes irreconocible. Varios grupos distintos dehongosde encuentran en los líquenes, siendolos Ascomicetes, Basidiomycetes y Deuteromycetes los más comunes. El socio algáceoespor lo común una Chlorophyceae unicelular o filamentosa, aunque las Cyanophyceae no sonraras.Sin embargo, no ocurre crecimiento filamentoso enlasalgas quese asocian en líquenes. El socio algáceo usualmente está presente como células aisladas o en pequeños grupos celulares (Figura 27-2). El. hongo es el socio dominante, controlador de la morfología y la fructificación del 1:iquen. La asociación es sólo por conveniencia y serompedebido a la muerte o crecimiento desparejo de los socios si los nutrimentos, agua u otros factores, se desbalancean. La asociación en liquen se forma con facilidad.Puedenpresentarse “matrimonios de prueba”cuandolasesporasfungales en germinación encuentran a las algas. Si lasalgas son capaces de soportar las demandas del hongo (que pueden incluir invasión haustorial de las célulau de alga), se forma una aso-
FISIOLOGfA DE ORGANISMOS ESPECIALES
ciación permanente. Pueden involucrarse tambiénformas adicionales: ciertos líquenes contienen bacterias fijadoras de nitrógeno de algas, y son por lo tanto muy independientes. Una de las características más obvias del metabolismo de los líquenes consiste en que es bastante lento, Las tasas de fijación de carbono y respiración son sólo una fracción de las de plantas superiores en base al peso, y la tasa de crecimiento de algunos líquenes es tan lenta que se mide en milímetros por año. Figura 27-2. Diagramas de secciones transversas de los tres principales tipos de líquenes: A, crus. thceo; B, folioso; C, fruticoso. (Reimpreso mediante permiso del editor, de Vernon Ahmadjian: The Lichen Symbiosis. Ginn and Company, Bosto
Corteza
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1
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Rizinas
A
B
SIMBIOSIS
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A
D
Figura 27-3. Líquenes en desarrollo sobre (A y D) roca granítica, (B) flanco deuna roca de construcción, y (C) tronco de árbol. Ellos obtienen escaso 0 ningún nutrimento desus substrates. (Fotografías (A) Y (B), dela colección del fallecido Dr. R. Beschel, Queen’s University; (C) cortesía de G. Bidwell; (D) cortesía del Dr. W. Maas, Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá, Halifax, N.S.)
FISIOLOGfA DE ORGANISMOS ESPECIALES
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De hecho, el lento ( y bastante predecible) crecimiento de los líquenes seha utilizado como técnica de fechamiento histórico, por ejemplo para establecer la edad o periodo de lasmás recientesperturbaciones de losas sepulcrales. Los liquenólogos también han utilizado tasas de crecimiento y el tamaño de plantas existentes para establecer las tasas de avance o retiro de glaciares. Los líquenes pueden sobrevivir en sitios extremadamente inhóspitos, sobre rocas desnudas expuestas y grietas pobremente iluminadas, y son los primeros invasores en muchas asociaciones ecológicas (ver Figura 27-3). Pueden hacer esto en parte porque sus requerimientos nutricionales son muy bajos, como consecuencia de su lenta tasa de crecimiento. Sin embargo, su tasa de pérdida y absorción de agua es extremadamente rápida, probablemente lo más importante como mecanismo de sobrevivencia. Cuando las condiciones se vuelven desfavorables los líquenes se secan con gran rapidez y por ello pueden soportar extremos de calor mucho más grandes que la mayoría de los tejidos. Cuando las condiciones vuelven a ser otra vez favorables para el crecimiento, absorben agua rápidamente y pronto reasumen su capacidad metabólica. INTERACCIONES METAB6LICAS. Parece, por lo tanto, que las algas están “protegidas” dentro del talo del liquen, así como provistas con agua y minerales en tanto sean aprovechables. A su vez, el alga suministra la nutrición de carbono para ambos socios. Existe cierta evidencia de que las sustancias del hongo, posiblemente auxinas o ácido ascórbico, estimulan la fotosíntesis del alga. Las algas de líquenes tienden de manera característica a retener gran parte de su carbonofijado en forma soluble, en vez de convertirlo en almidón y otras reservas. Cuando las algas entran en simbiosis, ocurren ciertos cambios metabólicos. Se producen excesivas cantidades de carbohidratossolubles en cantidadesmuy pueden producirse nuevos carbohidratoscuyasíntesisno se chomayores, llevó a cabo por el alga durante el crecimiento libre. Los cambios en la tasa de producción de carbohidratos pueden estar relacionados al hecho de que el crecimiento del alga se reduce considerablemente, aunqueno pasa lo mismo con su tasa de metabolismo. Los productos de fotosíntesis de las algas simbióticas pueden incluir cantidades mucho más grandes de alcoholes polihídricos, característicade los líquenes que se encuentran en laformade vida libre.El carbono del alga simbiótica se utiliza incuestionablemente en la nutrición de la masa completa del liquen. Cuando a los líquenes se les suministra 4 C 0 2 enlaluz,elcarbonoradioactivo fijado por fotosíntesis en el alga se mueve rápidamente a todas las partes Tabla 27-1. Exportación de 14C fijado por fotosíntesis del simbionte algáceo de un liquen. Cantidad de 14C02 fijado, %
asociación laEnAlgas aisladas Algas de liquen vida en fresco en Exportado Retenido en la fase soluble algácea o respirado Incorporado en la fase insoluble algácea
cultivadas libre
40
8
2
58
72
48
2
20
50
Datos de T.G.A. Green, recalculados de D.C. Smith: The Lichen Symbiosis. Oxford University Press, Londres, 1973.
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del liquen, inclusive a donde nohaycélulasalgáceaspresentes. El socio fungal puede a menudo cultivarse bien en azúcares simples o disacáridos, de manera que la contribución del alga probablemente se limita a alimentos carbohidratos. Quizás exista además cierto metabolismo característ.ico sólo dela asociación, pero node uno u otro socio por separado. Ciertos compuestos difenólicos llamados dépsidos se producen en los líquenes, los cuales no se encuentran en el alga ni en el hongo. El componente fungalpuedeproducir los precursores monofenólicos, pero únicamente la asociación completa es capaz de producir dépsidos. La fotosíntesis de algas en asociación sevemuy afectada por el hongo y la exportación de fotosintetizados desdelascélulasalgaleses afectada dramáticamente por la asociación. En un experimento, se suministró l4CO2 al simbionte (algal) Trebouxiu del liquen Xanthoriu aureola. La exportación del fotosintetizado de células algales decayó desde 40% de carbono fijado enel liquen a sólo 2 % en lascélulasaisladas,lascuales hicieron uso directo deuna proporción mucho mayor de carbono fijado (Tabla 27-1). Pareceque el componente fungaldela simbiosis afecta o controla para su propiouso la1 exportación del alimento manufacturado por el alga. La tasa de metabolismo del componente algiiceo también se acelera durante periodosde crecimiento o actividad (como fructificación) rápidosdelhongo.El fisiólogo norteamericano V. Ahmadjian ha sugerido un probable mecanismo. Conforme incrementa el metabolismo fungal se producen grandes cantidades de urea a base de arginina y otras fuentes, la cual es hidrolizada por la enzima ureasa, COmúnmente encontrada en líquenes, para producir arnoniaco y dióxido de carbono, lo que estimula a! alga para incrementar su fotosíntesis. El alga por lo tanto, está obligada a producir más carbohidrato para nutrir a.1 hongo en los momentos que se acentúa la necesidad. Se han propuesto otros mecanismos basados enla interacción hormonal, aunque sin clara evidencia que los apoye, y es posible que existan varios de tales mecanismos de interacción. RELACIONES CON EL AGUA. El socio algáceo en los líquenes es sensible a la luz y puede blanquearse o bien desarrollarse demasiado rápido para continuar con la
asociación si recibe excesivaluz. Se ha desarrollado un interesante mecanismo para regular la luz que llega al ficobionte, basado en la capacidad de los líquenes para reaccionar rápidamente a condiciones de humedad. La corteza delhongo actúa a manerade filtro luminoso. Cuandoel sol brilla intensamente se seca con rapidez; inversamente, a la sombra absorbe humedaden su entorno; cuando la corteza del hongo está seca, atraviesa mucha menos luz que cuando está húmeda, debido a los cambios endispersión y reflexión de éste. Asimismo, las células corticales se contraen al secarse y la acentuada densidad de laparedcelular actúa como filtro de luz.:Finalmente,lascélulasalgales se arrugan conforme se secan, absorbiéndose así menor cantidad de luz por célula. Por lo tanto, dentro de los amplios límites encontrados a menudopor líquenes que se desarrollan en condiciones expuestas, las actividadescomparativas de los socios fungales y algales se mantienen en la relación apropiada. Esto evita que se destruya la sociedad, lo cual resulta de un desbalance en la relación debido al crecimiento o metabolismo excesivos de uno u otro simbionte. PIGMENTOS. El control de fotosíntesis y crecimiento del ficosimbionte se alcanza además, por la síntesis devariospigmentospeculiares. Los líquenes se destacan por la producción de intensos pigmentos anaranjados, rojos, amarillos, pardos e
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DE
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ORGANISMOS ESPECIALES
incluso negros, cuando crecen al descubierto; mientras los miembros de las mismas especies desarrollados a la sombra son grises o blancos. El depósito de pigmentos sin duda le filtra al sensible ficosimbionte la luz excesiva. El mecanismo que estimula la formacióndetales pigmentos no estáclaro. Los líquenesque crecen parcialmente a la sombra y parcialmente a la luz forman una demarcación precisa de áreas pigmentadas y despigmentadas. Esto demuestra que los pigmentos no sólo se transportan sino que el estímulo para su formación queda delimitado con precisión por el sitio iluminado y no se extiende más allá de él. El mecanismo de percepción luminosa de esta reacción se desconoce pero presumiblemente reside en el simbionte algáceo. SIMBIOSIS ALGAS-INVERTEBRADOS
Se conocen muchas asociaciones simbióticas entre varias clases de algas y varios invertebrados. Algunos de éstos son bastante grandes e inmóviles, incluyendo la almeja gigante y otros moIuscos, anémonas de mar e hidras. Otros son pequeños y comprenden celenterados, gusanos planos y protozoos. Las formas móviles a menudo buscan áreas iluminadas donde la fotosíntesis es óptima, y ciertas anémonas buscan lugares somhreados o proyectan sus tentáculos si se les ilumina muy intensamente (por encima del óptimo). Las algas (o, en ocasiones, los cloroplastos) se localizan a menudo dentro de células animales y frecuentemente se dividen sincrónicamente con las células del huésped de manera que el número de células algales por célula de huésped es constante. Las algas fotosintetizan y transmiten productos específicos de fotosíntesis a sus huéspedes. Si se suministra 4 C 0 2 ,se produce una gama de sustancias radioactivas dentro de células algales. Se vierte al exterior pocomaterial de estas células si se cultivan fuera del huésped animal. Sin embargo, si se afiade un homogenado de células del huésped animal hay una liberación inmediata de compuestos selectos al medio (Tabla 27-2). Ello sugiere que los animales influyen en la exportación de metabolites por células algales. Evidentemente, lasalgas “alimentan”a sus hospederos y lo hacen bajo las órdenes de las células hospederas, como sucede en
’
Tabla 27-2. Productos de fotosíntesis a base de I4CO2 por un tipo de alga zooxanthelina aislada de una asociación simbiótica celenteradodinoflagelado, según es afectadaporincubaciónconhomogenadode células hubspedes. Productos dentro cblulas de
orgánicos
Fosfatos Glucosa Glicerol Lípido Glutamato Alanina Succinato Glicolato
Productos transferidos al medio
(tamaño relativo de la mancha cromatográfica)
+++ ++++ +++
+”+
+++S
+++ +++ -
+ + ++++ -
++ + +
Recalculado de datos de R . K . Trench, en D.C. Smith: Symbiosis of Algae With Invertebrates. Oxford University Press, Londres, 1973.
SIMBIOSIS
683
los líquenes. Algunasdelasalgas (aunque no todas) sontambiénfijadoras de nitrógeno, locuallashaceespecialmentevaliosaspara sus hospederosanimales. La obvia ventaja de esta clase de asociación sirnbiótica, así como lavariedad y gran número que de ellas se conocen, se ha considerado como positiva evidencia respecto a la evolución de cloroplastos a partir de asociaciones de algas con célulashuéspedes heterótrofas (verpágina 59). Naturalmente, estas asociaciones en laactualidadrealmenteno constituyen pruebadelorigenendosimbiontedelos organelos eucarióticos. Sin embargo, es fácil especular que las presionesambientales de ambientes en deterioro nutricional pudieron haber favorecido el desarrollo de tales asociaciones. SIMBIOSISDE LA FIJACIÓN DEL N I T R ~ G E N O La bien conocida asociación de las bacterias Rhizo(biurn con las raíces de leguminosas se describe en el Capítulo 8 (página 207). Se conocen muchas otras asociaciones simbióticas y variasdeellasinvolucraninteresantes modificaciones del desarrollodel tejido hospederoqueproveeunaexpresiónmás eficiente delas capacidadescombinadasde la simbiosis.Envarias asociaciones como lasquese establecen entre algas y helechos, hepáticas o ciertasplantassuperiores, tiene lugar escasa y obvia modificación morfológica. En otras, como enleguminosas y en la asociación entre aliso y un actinomiceto, se forman nódulos en las raíces en los cuales vive el simbionte invasor.
4
A
B
Figura 274. Raíces de la cicadácea Macrozamia riedlei infectada con el alga verde-azul fijadora de nitrógeno Anabaena sp. Las raíces infectadas han perdido su geotropismo positivo normal y crecen hacia arriba (A) Y se expanden en forma de clava (B). (Publicadas originalmente en J.S. Pate: Transport in symbiotic systems fixing nitrogen. En V. Lutgge y M.G. Pitman ( e d s . ) : Encyclopedia of Plant Physiology. Nueva serie, Vol. 28, pp.278-303. Springer Verlag, Berlin, 1976. Utilizadas con permiso. Fotografías cedidas amablemente por e l Prof. J.S. Pate.)
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ESPECIALES DE ORGANISMOS
Una de las más interesantes modificaciones es la simbiosis entre las raíces de la cicada primitiva Macrozamia riedlei y una especie del alga verde-azul Anabaena, que se muestra en la Figura 27-4.Las raíces infectadas se expanden en el extremo e invierten su respuesta geotrópica normal de manera que crecen verticalmente hacia la superficie del suelo donde los simbiontes algales presumiblemente interceptan suficiente luz para la fotosíntesis. El mecanismo subyacente de esta modificación del crecimiento de la raíz no ha sido investigado, pero podría ser interesante en el estudio del geotropismo.
LECTURAS ADICIONALES Ahmadjian, V.: The Lichen Symbiosis. Blaisdell Co., Waltham, Mass. 1967. Atsatt, P.R., y D.J. O’Dowd: Plant defence guilds. Science, 193:24-9. 1976. Scott, G.D.: Plant Symbiosis. Edward Arnold Ltd., Londres. 1969. Smith, D.C.: Symbiosis of AlgaewithIntlertebrates. Oxford University Press. Londres. 1973. Smith, D.C.: The Lichen Symbiosis. Oxford Universtiy Press, Londres. 1973. Smith, D., L. Muwatine, y D. Lewis: Carbohydrate movement from autotrophs to heterotrophs in parasitic and mutualistic symbiosis. Biol. Re[>., 44:17-90. 1969.
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SECCIÓN VI
FISIOL~GÍA Y
DISTRIBUCIóN
DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
Capítulo 28
FISIOLOGÍA DE LAS PLANTAS BAJO TENSIóN
LNTRODUCC16N La fisiología normal se mantiene bajo condiciones ambientales ideales. Sin embargo, lasplantasraramente viven bajo condiciones adecuadas.Por lo regularalgo falta; a menudo varios factores están lejos de lo ideal. Debido al hecho de la competencia, lasplantas viven frecuentemente en el límite desuscapacidadespara sobreponerse a una o más condiciones adversas. Esto produce una tensión considerable en el organismo, el cual reacciona mediante varios mecanismosbioquímicos y fisiológicos para superar, evitaro neutralizar esa tensión. Se ha realizado una considerable cantidad de investigaciónacerca de la planta bajo tensión por dos razones. La primera es que la comprensión a fondo de los mecanismos fisiológicos puedelograrsepor el estudio de plantas cuyos mecanismosestán afectados por tipos específicos de tensión, y los mecanismosde respuestade la planta a la tensión merecenestudiarsepor sí mismos.Segundo, lasplantas bajo cultivo con frecuencia enfrentan tensióndeuno u otro tipo y su capacidadpara soportarla esdegranimportancia económica. Además, muchosproblemas agrícolas se originan enel hecho dequelasbuenastierras existen en áreas de condiciones climáticas difíciles o desfavorables: frío invernal, heladastempranas,periodosprolongados de sequia, etc. Menosdel 10% dela superficie terrestre del planeta es adecuada para el cultivo. Existe una real necesidadpara crear cultivos que puedan resistir o tolerar tales condicones extremadamentedesfavorables y aprovechar lo quede otro modo serían tierrasinútiles. mejoramiento, lograrplantas más resistentes 0 Es más fácil, enprogramasde tolerantes a la tensión si comprendemoslos mecanismos de tolerancia y resistencia a la tensión. Tales plantas pueden, a la larga, ser mis eficientes que las variedades de alto rendimiento con que se apoya la “revolucilbnverde”,en países endesarrollo con climas tropicales o tensionantes.
EFECTOS DE LA TENSIdN Cualquier clase detensión es esencialmente análogaa la aplicaciónde una fuerza; el organismo debe ceder en cierta medida. La reacción a. la tensión puede ser elástica, es decir, luego que ésta cesa el organismo vuelve a su estado inicial. Alternativa-
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FISIOLOCÍA Y DISTRIBUCI6N LAS COMUNIDADES DE
VEGETALES
mente, la reacción puede ser plástica, el organismo permanece deformado o cambiado de cierta forma como resultado de la tensión. En cualquier caso, si ésta es demasiado grande, algo ha de romperse; el organismo quedairreparablemente dañado y muere. La tensión puede producir un efecto directo sobre el organismo, observable de inmediato. Ello puede o no acompañarse de efectos condicionantes. Muchas plantas se tornan más resistentes a la tensión luego de exponerse a dosis subletales de tensión, un proceso denominado fortalecimiento. Los granos de invierno, por ejemplo,pueden sobrevivir a las bajas temperaturas invernales después de una exposiciónprolongadaatemperaturas progresivamente bajas durante el otoño. De igual manera, la exposición a bajas temperaturas durante el invierno los mataría rápidamente dado que para entonces no están fortalecidas. En cierta planta la tensión puede producir efectos que van más allá de una o más generaciones y se comportan como si fueran factores heredados. El fisiólogo norteamericano H. Highkin encontró que las plantas de cacahuate desarrolladas bajo temperaturas anormalmente bajas se hacían más pequeñas degeneración en generación, tornándose enanas después de ocho generaciones. Silas semillas de las plantas enanas se cultivaban bajo condiciones normales, producían plantas enanas. Solo después de ocho generaciones bajo condiciones normales se produjeron nuevamente plantas normales. Además, las cruzas entre plantas enanas y normales producían descendientes intermedios. La base genética de la resistencia a la tensión recién ahora está recibiendo adecuada investigación. La adaptación genética puede logarse dedos maneras: desarrollando un genotipo que confiera resistencia (esto puede ser un importante proceso queimpliquemuchos genes) o por el desarrollo de una serie de genes capaces de producir varios fenotipos adaptados a distintos ambientes, conforme se necesite. Puede ser difícil, de hecho, diferenciar entre plantas que han desarrollado resistencia comoresultado deestosdos mecanismos. Sin embargo, las plantas formadas mediante el segundo mecanismo, es decir, con la adaptabilidad incorporada a su estructura genética, serían más versátiles en agricultura que las plantas formadas para condiciones específicas. Merece advertirse que el problema inicial de desarrollo con que una planta comienza a vivir puede modificarse por la tensión del ambiente sin ninguna respuesta genotípica. Debido a los efectos ambientales sobre el metabolismo, translocación y crecimiento de las plantas paternas, la de sus semillas puede afectarse en forma subsecuente. Por tanto, la experiencia de los padres puede transmitirse a su descendencia sin la intervención de mecanismos genéticos de ningún tipo. Las reacciones de las plantas a la tensión ambiental soncomplejas e implican muchos tipos de respuesta fisiológica, desde simples respuestas directas químicas O bioquímicas, a través de complejas respuestas hormonales o del desarrollo, hasta efectos hereditarios que parecen ser de carácter genético. La inferencia es que el estudio de la respuesta a la tensión o resistencia a la tensión es tan complejo como toda la fisiología vegetal. Ciertamente, puede decirse que el estudio de estos aspectos del comportamiento vegetal, fundamental para la agricultura y la investigación de la ecologia vegetal, constituye la reciente y más importante rama de la fisiología vegetal. TIPOS DE TENSIóN Las principales clases de tensión a las cuales se exponen las plantas son las ambien-
FISIOLOGfA DE LAS PLANTAS BAJO TENSION
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tales resultantes de extremos de clima: sequía, calor, frío y helada. Algunas otras tensiones resultan del emplazamiento geográfico o físico de las plantas y su proximidad entre unas y otras: sombra, niveles de radiación, deficiencias o excesos en el suelo (incluso minerales y agua, Capítulos 10 y ll), así como la altitud, que es un complejo de muchas tensiones. Otras clases de tensión pueden resultar de los efectostóxicos de contaminación natural o artificial (industrial por ejemplo), radiaciones ionizantes, los efectos delavadopor precipitación excesiva, etc. Se pondrá atención primeramente sobre los efectos y la adaptación a los principales factores ambientales de sequía, alta temperatura, baja temperatura y congelación. Losefectos de estos factores están interrelacionados estrechamente. La resistencia a la alta temperatura puede implicar también resistencia a condiciones de sequía, lasque frecuentemente vanacompaña.das. La resistencia al congelamiento parece estar principalmente interconectada con la resistencia a la deshidratación de los tejidos. El desarrollo del fortalecimiento ante un factor confiere a menudo cierto grado de fortaleza ante otras tensiones. Como resultado, el estudio de la resistencia a la tensión ha sido difícil y lento, y no se han propuesto teorías generalesde trascendencia. Se consideraránestudiosespecialesde resistencia a tensiones específicas, pero debe tenerse continuamente presente que la resistencia a la tensión esun fenómeno complejo y multifacético; todos los detalles han de concordar con cualquier teoría general antes de ser ,aceptados.
RESISTENCIA A LA TENSIÓN: P R ~ E V E N C I ~Y NTOLERANCIA La resistencia a la tensión no es un fenómeno simple, ni existe un solo mecanismo de resistencia ante cualquier tipo particular de tensión. Dos amplios tipos de resistencia a tensión son prevención y tolerancia. Debe! advertirse que estos términos no implican ningún tipo de capacidad activa por parte de la planta para determinar su propia suerte; son solamente términos convencionales para describir distintos tipos de mecanismos de respuesta. La prevención se basa usualmente en un mecanismo que permite crear un ambiente interno dentro de la planta de tal manera que sus células no estén bajo tensión, aun cuando el ambiente externo seamuy tensionante. Por ejemplo: una hoja queevita la alta temperatura mediante la transpiración, con lo cualmantiene una temperatura interna más baja; o un cacto que evita la sequía mediante una extrema conservaciónde suagua interna, con lo cualnosufre internamente de sequía. La tolerancia, por otra parte, es la capacidad para soportar la tensión; significa sobrevivir o aun funcionar normalmente bajo condiciones tanto internas como externas de tensión extrema. Ejemplos: ciertos musgos que pueden soportar la extrema desecación en época de sequía pero se reavivan con la rehidratación; algas o bacterias capaces de vivir y prosperar en manantiales calientes, funcionando en temperaturas que matarían a otros organismos. Ambos tipos de resistencia sehandesarrolladoparala mayoría desituaciones de tensión y ambos tipos pueden estar presentes en la misma planta. Evitar la tensión noimplicauna fisiología especializadasino solamente dispositivos mecánicos o morfológicos que lepermitenescapar a los efectos de condiciones ambientales extremas. Como tal, este tipo de resistencia a tensión no es tan interesantepara el fisiólogo como la tolerancia a tensión. La tolerancia implicael
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FISIOLOGfA Y DISTRIBUCIdN LAS DE
COMUNIDADES VEGETALES
desarrollo de mecanismos fisiológicos especialesque capacitan al organismo para sobrevivir bajo condiciones que serían inhibitorias o letales a las especies o individuos fortalecidos. En este capítulo se consideraránlosmecanismos de tolerancia a las formas de tensión ambiental más importantes. Luego seseguirá considerando en el capítulo siguiente cómo incide el fortalecimiento ante la tensión enla distribución mundialdelas plantas, y de quémaneraimpactaenla agricultura. MEDIDA DEL FORTALECIMIENTO La medicióndel fortalecimiento es extremadamente difícil porque la tolerancia de la tensión varía con gran amplitud, no sólo respecto al individuo, raza o especie vegetal, sino también de acuerdo a la historia previa del individuo. Por lo tanto, las plantas pueden desarrollar o adquirir fortalecimiento por exposición a tensión subletal, que a veces se desarrolla como resultado de otras experiencias aparentemente sin relación, como cambios en la duración del día. Además, la tasa a la que se aplicauna tensión, así como su duración, son factores vitalesde interacción que determinan la magnitud del efecto tensionante. La mayoría de los intentos de medición del fortalecimiento han consistido en determinar el grado de tensión, arbitrariamente aplicada (pero bajo condiciones cuidadosamente controladas) para matarel 50% dela población experimental. Con esto no se logra medir la dispersión de la resistencia (por ejemplo, el porcentaje dela población que sobreviviría al 5 ó 10% mayor o menor de tensión). Sin embargo, la simulación delas condicones naturales en el laboratorio espor lo tiempo. En regularmuy difícil o imposible, o simplementeimplicademasiado consecuencia, esta forma de medir la tensión no es particularmente útil a los científicos de la agricultura. Además, los procesos naturales de fortalecimiento han de considerarse si se desea medir la resistencia a la tensión en plantas cultivadas. Consecuentemente, los granjeros son mucho más hábiles para distinguir los extremos de tensión (duración e intensidad) que un cultivo dado puede soportar sin lesionarse seriamente (quizá con un 10% menos de mortalidad). Puesto que la duración e intensidad de la tensión estánvinculadas con frecuencia demanera compleja (usualmente, a mayor duración corresponde una intensidad menor de resistencia), las mejores medidas posibles del fortalecimiento son solamente burdas pautas indicadoras de vigor en el campo. SEQUfA
,
PREVENCIdN Y TOLERANCIA A SEQUfA. La sequía es probablemente una de las tensiones más comunes que las plantas han de soportar. Se han desarrollado numerosos mecanismos para evitar la sequía. Las plantas anuales sobreviven a los periodos de sequía en forma de semillas; las plantas desertícolas pueden cubrir todo su ciclo devida durante un breve periodo, a continuación de unalluvia.Muchas plantas han desarrolladomediosespeciales para absorber agua con eficiencia o para retenerla fuertemente (cutícula, modificaciones estomáticas, etc., ver Capítulo 14). Tales plantas sobreviven a la sequía porque sus tejidos internos están protegidos contra un alto gradode tensión. Existen ciertas plantasdel desierto como el cacto Opuntia, quesobreviven e incluso continúan metabolizando durante meses bajo las condiciones más extremas, como por ejemplo enun dese-
FISIOLOGfA PLANTAS DE LAS
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cador rodeado por los más fuertes absorbentes de agua. Sin embargo, estas plantas solamente retienen el agua. Si las condiciones de! sequía son lo suficientemente extremas, o se prolongan, pierden agua a pesar de sus mecanismos de protección; luego, si no es alta su tolerancia, como a menudo es el caso, pueden sucumbir. L O S IIIeCaniSmOS de tolerancia a sequía aún no se comprenden por completo. Las consecuencias de la deshidratación son complejas para el protoplasma vivo. La sequía a menudo acompaña al problema de calor excesivo, lo cual causa varias lesiones características conducentes a la desintegración y la muerte. Esto se considerará en la siguiente sección. La primera consecuencia directa dela deshidrataciónconsiste probablemente en la pérdidade moléculasde agua que actúan como capas protectoras alrededor de las micelas coloidales, sobre las membranas y sobre (así como dentro) de las circunvoluciones complejas de la estructura terciaria de las proteínas. Las moléculas de agua actúan no sólo como un sol.vente para sustancias químicas sino como espaciadores que coadyuvan a mantene.r los fluidos complejos enuna configuración estable. Cuandosoneliminadas,las partículas o superficiescon cargaseaproximan entre sí. No sólo se concentran lassoluciones sino quelas superficies coloidales reactivas se aproximan unas a otras enel puntodonde se unen y desnaturalizan. La creciente concentración del jugo celular y los fluidos intercelulares determinan un gran descenso del potencial de agua de los fluidos, los cuales someten aúnmásal protoplasma a la tensih mediante una creciente tendencia a la pérdida de agua. Pueden tener lugar otros efectos de la concentración: el desbalancedelosprocesos bioquímicos causadoporlas concentraciones de metabolitos anormalmentealtaspueden contribuir a ladesorganizaciónmolecular. Además, la alta concentración de ciertos solutos pueden efectivamente "&nizar"las proteínas, El mismo resultado puede seguir a los cambios de pH celular causados por la concentración de solutos ionizados icidos o básicos.
CONSECUENCIAS DE LA DESHIDRATACI6N.
MECANISMOS DE TOLERANCIA A SEQUfA. Debido a que la sequía tiene tan variados efectos, no sorprende que varios y diferentes mecanismosde tolerancia parecen habersedesarrollado.Presumiblemente todas laspl!antas terrestres tienencierto"' grado de resistencia a sequía. En la mayoría de las plantas éSta es conferida, aparentemente, por la presencia de sustancias hidrofílicas del protoplasma, que pue- ,.:> den ser complejas y de alto peso molecular como las propias proteínas, o ciertos carbohidratos, como el ácido algínico y demás polisacáridos coloidales de muchas algasmarinas.Loscompuestosde bajo pesomolecularpueden ejercer un doble efecto. Algunospuedenser fuertemente hidrofílicos, como los alcoholes polihídricos quecomúnmente se encuentran en lasalgas litorales; estasplantasestán expuestas a severastensionesdedeshidratación entre lasmareas y comonoestán protegidas mediante una cutícula tienen que apo,yarseen mecanismos internos para retener agua.Aunquenofueran específicamente hidrofílicas, las sustancias de bajo peso molecular como el azúcar a veces se elaboran en épocas de sequía, debido quizá a que su presencia en la solución abate! directamente el potencial de agua del jugo celular, lo cual ayuda a la retención del agua. Sin embargo, tales mecanismos solamente se traducen en conservación del agua Y noayudan a protegereldelicadoprotoplasmadeladeshidratación.Por lo tanto algunas plantas que poseen muy alta concentración de azúcar, como la cañade azúcar, tambiénsonsusceptibles a la sequk, mientrasque otras, como el pino, queposeensólobajas concentraciones de azúcares y otros solutos, son A'
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altamente resistentes. Evidentemente, los factores importantes de resistencia a la sequía residen más profundamente en la química básica del protoplasma. El fisiólogo norteamericano Y. Vaadiaha sugerido que el fortalecimiento ante la sequía puede tener relación con la capacidad de la planta para enlazar el agua a las proteinas. Esa agua de ligamiento puede estar presente en una configuración próxima al estado cristalino del hielo, que se opone muy firmemente a ser removida de los tejidos. Se ha sugerido que bajo la tensión dela sequía aparecen ciertos tipos de proteínas resistentes, quizá caracterizadas por una configuración que resiste la desnaturalización (es decir, no se forman enlaces internos 0 intermoleculares confacilidad). El fortalecimientoa la sequía dependería entonces principalmente de la capacidad de la planta para sintetizar ciertas proteínas. Los intentos para aislar tales proteínas o para transferir la resistencia a sequía mediante extractos de plantas que pudieran contenerlas,sólo han producido resultados equívocos. El fisiólogo ruso P.A. Henckel ha propuesto que la resistencia está asociada con la elasticidad protoplásmica. Sin embargo, 81 señala que la mayoría de los factores que confieren o se asocian con resistencia a sequía, tales como células más pequeñas,altocontenidodeácido nucleico, sonelaborados en la planta durante su desarrollo bajo la influencia de déficit de agua. Así que estos mecanismos de resistencia a sequía presumiblemente no están involucrados en la tolerancia innata a la sequía repentina o inesperada. Las funciones metabólicas en ciertas plantas tolerantes a falta de agua permanecen relativamente indemnes ante la desecación, como la fotosíntesis en el alga roja Porphyru, la cual se recupera de inmediato ante la rehidratación. En otras plantas, como los musgos y levaduras tolerantes a sequía, la característica importante es una capacidad para reparar o reconstruir los mecanismos respiratorios o fotosintéticos dañados porla sequía, no para mantenerlos. Ciertas plantas han desarrollado la capacidad para tolerar o sobrevivir ante extremos considerables de sequía. Ciertos musgos se sobreponen a éSta en estado de desecación pero se reactivan ante la rehidratación. Muchas plantas del desierto, como la “gobernadora” (Larrea divaricatu), pueden sobrevivir durante largos periodos con un contenido de agua tan bajo con el 30% de su peso total, aunque el crecimiento y metabolismo activos virtualmente se detienen bajo tales condiciones. Exactamente qué propiedad físicao química del protoplasma de estas plantas permite tal comportamiento, se ignora; parece estar relacionada a la capacidad del protoplasma para enlazar agua, la cual es entonces retenida con tenacidad extraordinaria por los tejidos. CALOR LfMITES DE TOLERANCIA AL CALOR. Las plantas varían ampliamente en su tolerancia al calor. Evitar el calor es posible en órganos como hojas transpirantes, peroportranspiración sólo es posible unadisminucióntérmicade no más de unos pocos grados, y en tal caso solamente a expensas de un gran incremento de pérdida de agua. La mayoría de las plantas que sobreviven a las altas temperaturas lo consiguen en razónde sus características internasque las capacitan para soportar o tolerar el calor. Las plantas desertícolas se caracterizan por loregular por su alta tolerancia al calor. Los miembros del género Cactus, que evaden la sequía, pueden aguantar hasta6 0 T , y especies de Atriplex, típicas tolerantes a sequía, pueden sobrevivir a temperaturas de 50°C. Algunas plantas inferiores, algas, hongos y
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ciertas bacterias pueden soportar temperaturas mayores aún. Organismosque habitanenmanantialesvolcánicos cálidos logranaguantar temperaturas próximasal punto de ebullición del agua. Por otra parte, la mayoría de las plantas no aclimatadas o especializadas a condiciones desérticas sedañan o mueren sise mantienen por cualquier periodo de tiempo a temperaturas que excedan de 35-40°C. MECANISMOS DE TOLERANCIA AL CALOR. El efect,o directo de laalta temperatura esla desnaturalización y coagulacióndelas protsínas. Sin embargo, un efecto colateral importante es el incremento de la tasa de pérdida de agua que acompaña a las altas temperaturas. Por lo tanto, muchos mecanismos de resistencia al calor son en realidad mecanismos de resistencia a sequía. La frecuente correlación que muestranlasplantas entre calor y sequía ha conducido a variosinvestigadores, especialmente al fisiólogo norteamericano J. Levitt', a señalar que cualquier teoría que explique la tolerancia al calor debe también explicar la tolerancia a sequía, y viceversa. Puesto que las diferentes proteínas poseen diferentes grados de estabilidad al calor, es razonable esperar que la tolerancia a éste debe estar asociada a la estabilización de enzimas más sensibles en las células.Esto podría lograrse simplemente incrementando la tasa de producción enzimática para contrarrestar su creciente tasa de destrucción. Alternativamente, lasenzimas existentes podrían estabilizarse mediante ciertos mecanismos secundarios, o pudieran desarrollarsemecanismos que capacitarían al organismo para manufacturar proteínas de mayor estabilidad. Los experimentos con microorganismos han demostrado que la adición de compuestos simples a menudo reinicia el crecimiento luego que éste se detiene cuando se eleva la temperatura. Muchos organismoss pueden crecer en temperaturas mucho más altas cuandoselessuplementa con ácido ascórbico u otras vitaminas. Evidentemente los sitemas productores de estas sustancias sonmás sensibles al calor que otras máquinas metabólicas. El hecho de que organismos que no han recibido suplementación se recuperen con rapidezcuandodesciendela temperatura indica que el efecto es sobre la maquinaria metabólica más que sobre el material genético celular. Sólo una o dos enzimas parecen ser afectadas inicialmente; conforme se eleva la temperatura, la situación se complica y el organismo encara progresivamentemayores dificultades para mantenerse conforme se le afecten mayornúmerodesistemas. Escasos experimentos comparables han tenido éxito con plantas superiores. Existe cierta evidencia de que la adición de adenina puede mejorar la tolerancia al calor de ciertos tejidos vegetales. En dondesehanrealizado experimentos lo!; resultadossugierenque los organismos de alta temperatura tienden a poseerenzimasmás termoestables que sus contrapartes de plantas no tolerantes a temperaturas elevadas. La termoestabilidaddemuchasenzimasparecedependeren cierta medidade latemperatura en la cual ellas se produjeron. Por lo tanto, la tolerancia al calor es una condición que puede adquirirse en cierto grado; sibien esto puedenoser ventajoso para organismos expuestos a un clima de rápidas y amplias pero infrecuentes variaciones térmicas, podría serdecididamente útil a organismosque crecen enclimas donde se presentan usualmentetemperaturas muy altas. Todo nuestro conocimiento actual sugierequela tolerancia al calor es principalmente resultado de la capacidad de ciertos organismos para producir proteínas más estables ante aquél; su capacidadparareemplazar con rapidezlas proteínas dañadas por el calor también puede ser importante. La naturaleza depro-
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teínas termoestables o los mecanismos con los cuales éstos pueden estabilizarse, no están claros.
BAJA TEMPERATURA Y CONGELACIóN ENFRIAMIENTO Y CONGELACI6N. La resistencia al enfriamiento, lo mismoque la resistencia a sequía, es un proceso multifacético, que se complica por el hecho de que la mayoría de las plantas son capaces de vigorizarse ante el frío, es decir, adquirirprogresiva resistencia mediante exposición a las bajas temperaturas. Pueden existir diferentes efectos de la baja temperatura, ya sea en relación al efecto directo de la reducción de la temperatura sobre los procesos vitales de la planta, o a los efectos de formación de hielo y congelación. De cierto número de factores alguno puede ser la causa final de muerte por congelación, según la planta y sus circunstancias. Las plantas tropicales son usualmente susceptibles al enfriamiento, es decir, los efectos lesivos o letales de bajas temperaturas por encima de la congelación. Tales plantas pueden ser lesionadas portemperaturas tan moderadas como 12-13°C y pueden morir por temperaturas entre O y 5°C. Evidentemente, la congelación no está involucrada. Este efecto puede resultar de la sensibilidad delas proteínas a bajas temperaturas. La mayoría de las plantas de regiones templadas o árticas no sondañadas seriamente por el enfriamiento; sin embargo, losproblemasque enfrentan son los efectos de la congelación de suagua interna y la consiguiente formación de hielo. Esto se pone de relieve por el hecho de que el material vegetal deshidratado, como semillas y otros tejidos secos que pueden normalmente sobrevivir a la desecación extrema, no sufren por el enfriamiento y el deshielo; ante la hidratación, sin embargo, tales tejidos pierden su especial resistencia al daño por congelación. Demanera característica los tejidos en crecimiento activo son mucho más susceptibles al dañoporheladaque los latentes, algunosde los cuales pueden soportar temperaturas de hasta -196°C (nitrógeno líquido). El daño por congelación puede ser doble. Los cristales de hielo en sí pueden ocasionar lesión mecánica, al romper membranas delicadas y la organización celular. Además, la consecuencia de la formación de hielo es una baja en el contenido deagua de los tejidos, lo cualcausaeventualmenteuna situación de sequía. El agua de los espacios intercelulares posee un potencial alto mientras que la del interior del citoplasma o de la vacuola tiende a poseer un valor de $ más bajo o negativo. Por tanto, los cristales de hielo tienden a formarse inicialmente en los espacios intercelulares, y la continua congelación determina queel agua abandone los protoplastos conforme crecen los cristalesde hielo intercelular. Duranteeldeshielo, lasplantasqueaguantan la congelación tienden a reabsorber hacia SUS protoplastos el aguaderivadadelafusiónde tales cristales. En las plantas no fortalecidas elagua tiende a permanecer en losespacios intercelulares; en ellas, asimismo, el hielo se forma más rápidamente dentro de los protoplastos, donde pueden causar daño mecánico directo. El fisiólogo norteamericano P. Mazur ha sintetizado la consecuencia de 10s eventos de la congelación: 1 . LOS cristales de hielo se forman afuera, no en el interior, de los proto-
plastos. 2. LOS solutos dentro de los protoplastos se concentran más,Conformeel
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el aguase elimina. Si el enfriamiento esmuy rápido, los protoplastos pueden congelarse, pero si es lento, probablemente sólo se deshidratan. 3. La precipitación o coagulación de los solutos concentrados tiene lugar en los protoplastos, lo cualpuedecausarcambiosconsiderablesenel pH si los compuestos ionizados se precipitan. 4. Por debajo de la temperatura eutéctica (por lo regular de “36” a “40°C) toda el agua tisular se congela, 5. Conel tiempo, los pequeños y angulosols cristales de hielo sevuelven grandes y esféricos con más baja energía libre superficial. La resultante distorsión de los componentes celularespuedeampliareldaño mecánico. El enfriamiento lento puededafiar más por sus efectos deshidratantes; durante el rápido enfriamiento el ‘efecto nocivo de la formación de cristales de hielo puede ser mayor. Existe mucha variación entre plantas respecto a las tasas reales de “lento” o “rápido” congelamiento. La condición normal en el campo es una congelación lo siguiente: la conrelativamente lenta y el daño que puede ocurrir se deriva de centración y precipitación de solutos, cambio de p:H, reducción del agua celular, contracción celular o plasmólisis, así como reducción crítica delaseparación espacial de moléculas sensibles. Todos o cualquiera de estos factores podría causar la muerte celular. COmO es deesperarsehan desarrollado varias teorías diferentes para explicar los efectos de la congelación y la resistencia ante ella. Éstas pueden clasificarse de modo general en relación a: 1 ) desnaturalización de proteínas por baja temperiatura, 2) efectos deshidratantes, 3) efectos de concentración electrolítica, 4) efectos del azúcar, 5 ) efectos estéricos y 6 ) formación de cristales de hielo. Se hasugerido que pueden formarse proteínaLs especiales no susceptibles a ante lacongelaladesnaturalización o la deshidratación enplantasvigorizadas ción, o que incrementos en otros factores, por ejemplo RNA en plantas vigorizadas, pueden retardar la desnaturalización. Mecanismos antideshidratantes pueden incluir: la formación de proteínas hidrofílicas especiales, tal y como lo sugirió el fisiólogo canadiense D. Siminovitch; o unaelevada concentración de electrolíticos que protegerían el agua tisular contra su eliminación por formación de hielo. Se ha observado por mucho tiempo que los tejidos fortalecidos ante la congelación poseen una concentración de azúcar mayor que los tejidos no fortalecidos y se ha sugerido a menudo que los mecanismos del fortalecimiento a congelación involucran azúcares. Desafortunadamente, el paralelismo entre ese fortalecimiento y la concentración de azúcares no es completo y en muchas plantas el desarrollo del fortalecimiento no va acompañado de un incremento de azúcares. El fisiólogo norteamericano P. Steponkus ha. observado que el fortalecimiento ante congelación se puede lograr situando tejidos en solución de sacarosa, peroel fortalecimiento completo nose alcanza a menosquesehaya dadoun pretratamiento de frío. Ha sugerido que se necesita un efecto doble: 1) la síntesis de proteínas nuevas, especialmente adaptadas,estimuladapor tratamientos fríos y 2 ) tales proteínas hande ser de un tipo capaz de estabilización adicional por la presencia de mayores concentraciones deazúcares. Exactamente cómo éstos estabilizarían a aquéllos, se ignora. Levitt hasugerido que las moléculasde proteína se aproximan estrechaTEORfASSOBRE RESISTENCIA AL ENFRIAMIENTO.
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mente entre sí por la concentración celular resultantedeladeshidratación. Los enlaces S-S se rompen y en la regeneración no logran reconstruirse en la configuración correcta debido al anormal empaquetamiento de los moléculas; un procesotal resultaría en la desnaturalización proteica. fi1 sugiere que las plantas resistentes al congelamiento producen proteinas con más enlaces hidrofílicos (con lo cual ceden el agua con menos facilidad) y que el fortalecimiento es acompañado por la formacibn de mayornúmero de enlaceshidrofílicos y menos cantidad de enlaces hidrofóbicos en importantes proteinas reactivas. Un mecanismo alternativo procede del trabajo del fisiólogo norteamericano C.R. Olien quien observ6 que los polisacáridos de la pared celular extraídos de plantas fortalecidas al congelamientotiendena evitar laformación de cristalesdehielo,mientras que los ext.raídos de plantas no fortalecidas no muestran tal tendencia. Una tercera posibilidad se dioa conocer en el trabajoreciente de H.G. Volger y U. Heber en Alemania. Demostraron la presencia de ciertasmoléculasproteicas pequeñas (pesomolecular 10,000-20,000) en hojasfortalecidas ante congelacióncon una efectividad 1,000 veces más grande para proteger membranas cloroplásticas del congelamiento,que los compuestosde bajo peso molecular como sacarosa o glicerol. Cada uno de estos mecanismos aporta posibilidades interesantes y alternativas. La solución definitva al problema posiblemente proceda de una mayor y más amplia investigación. FORTALECIMIENTO A LACONGELACIóN. Esteproceso es complejo y no bien comprendido. En muchas plantas está estrechamente vinculado a los efectos del serie de pretratamientosespecíficos, o fotoperiodo, y algunas requierenuna “experiencias”, con el fin de alcanzar el máximo fortalecimiento. Muchas plantas o un fotoperiodo apropiado al principio de este necesitanperiodosdelatencia proceso. Esta inducción preliminar es seguida por la necesidad de un periodo de no congelantes).Como crecimiento o sobrevivencia, atemperaturasbajas(pero regla, la longitud y severidad del tratamiento frío determina el grado de fortalecimiento alcanzado. Las plantas pueden perder su fortalecimiento en este estadio de su desarrollo si se someten a altas temperaturas. En muchas de ellas el fortalecimiento las protege sólo de temperaturas bajas, no de la congelación. Éstas mueren si se congelan, estén o no fortalecidas. Muchas otras plantas fortalecidas pueden soportar bajas temperaturas (debajo de OOC) porque s u punto de congelación ha descendido y en realidad se congelan a bajas temperaturas. Unas cuantas especies extremadamente vigorizadas adquieren el máximo fortalecimiento sólo después quese exponen a bajas temperaturas (debajo de O’C). Aparentemente se necesitan una fuente de energía y ciertoproceso del metabolismo en algunos estadios de este proceso porque la presencia de inhibidores metabólicos, o el grado de extenuación parcial resultantedebaja intensidad de luz durante el mismo retarda o impide la adquisición del fortalecimiento a la congelación. No se sabe si la necesidad de energía es primaria, específica o sólo parte de la necesidad metabólica normal que se ha satisfacer para que las reacciones de aquél prosigan. RADIACI~N Las plantas pueden estar expuestas a tensión por
demasiada o escasa radiación en
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formadeluz.Lasombraexcesivacausa desnutrición, anomalías de crecimiento (elongación de entrenudos, debilidad, tallos pobremente desarrollados, ramificación pobre y debilidad general). Sin embargo, estos últimos efectos son el resultado directo de una iluminación inadecuada; las consecu.encias de la desnutrición y disfunción de los mecanismos controladores del creci:miento en los que interviene la luz. Las adaptaciones a condiciones deluz o desombra (tolerancia a tensión) trabajan primordialmente en el sentido de incrementar la eficiencia fotosintética e incluyen cambios en el área foliar, grosor de la kámina, contenido de clorofila, cantidad y orientación de cloroplastos, así como espesor de lacapaenpalizada. fistos se discuten en el Capítulo 14 (página 353). Ot>rostipos de radiación incluyen el calor (ver página 372) así como efectos de radiaciones ionizantes. La radiación natural rara vez es lo bastante alta como para perturbar a las plantas, pero pueden aparecer flujos de alta intensidad generados artificialmente bajo condiciones experimentales. Las plantas se han expuesto con referencia a radiación de varios grados de intensidad a fin de estudiar sus efectos, pero aquí no se los considerará. Un acontecimiento más frecuente, cuyas consecuencias rara vez se reconocen o examinan, es la exposición de plantas o células a muy altos flujos de radiación durante experimentos fisiológicos con el uso de isbtopos como rastreadores. Se han manejado escasos estudios con la comprensión que se precisa; sin embargo, 4 C 0 2 de alta actividad específica afecta fuertemente seha encontrado queel las reacciones de fotosíntesis bajo estudio y altas ldosis de agua a basede tritio (3 H2O) inhiben fuertemente o matan células metabolizantes de semillas en germinación. Con frecuencia se pasa por alto en estudios con rastreadores que si bien se utilizan sólo pequeñascantidadesde isótopos microcuries o milicuries), los tejidos están en intimo contacto con el isótopo, y la dosis de radiación ionizante porunidadde tejido puede ser muy alta. La posibilidad de que la radiación influya sobre las reacciones o procesos bajo estudio siempre debe eliminarse cuidadosamente en experimentos de rastreo.
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CONDICIONES DEL SUELO Se han estudiado las consecuencias de deficiencias minerales (Capítulo 10) que resultan cuando los minerales del suelo se presentan en concentración demasiado baja o están enlazados muy fuertemente. Además, las deficiencias o condiciones inadecuadas del suelo pueden resultar por sequía o inundación. La consecuencia de agua excesiva puede ser, a menudo, que los suelos sevuelvan anaeróbicos, y ciertas plantassensiblessufrande anoxia. Ello puede afectar la capacidad dela raíz para absorber agua.Algunas plantas (el maíz es un buen ejemplo) pueden literalmente ahogarse,morirsepor falta de agua porque un déficit de oxígeno impide que sus raíces la absorban aunque estén inmergidas en ella. Los suelos pueden contener materiales o compuestos tóxicos, como l a sal, >; que en exceso es nociva. Se han desarrollado varios mecanismos en plantas a fin de ,í evitar o tolerar la tensión por su exceso, tal y como se describe en el Capítulo 10 (página 268). Las que la evitan como el mangle (también conocido como regulador de sales) no la absorben, pero poseen mecanismos para excluirla de sus raíces. Las tolerantes (acumuladores de sal) como Atriplex poseen jugo celular demuy bajo II, (aproximadamente -200 bars, comparadoconlos -20 a -30 barsdelas , hojas normales), por lo que son capaces de absorber aguasaladade alta concentración. Estas plantas toleran altas concentraciones salinas internamente y elimi- J' nan el exceso secretándola a través de glándulas especiales en sus hojas. 7
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ALTITUD
Los efectos y tensiones de la altitud son el complejo de todas las condiciones
climáticas características delaselevacionespronunciadas. Las condiciones del tiempo son mucho más violentas en elevaciones altas y el éxito delas plantas depende en gran medida del microclima superficial, máxime si se considera que lo modifican las condiciones topográficas. La radiación es mayor en altitudes elevadas. La radiación directa puede ser intensa pero la difusa es mucho mayor debido a la relativa delgadez de la cubierta denubes. La radiación violeta y ultravioleta es particularmente intensa en altitudes elevadas,aunque los niveles del rojo y el infrarrojo no se afectan mayormente. Las plantas que crecen en elevaciones altas probablemente han desarrollado resistencia a los posibles efectos nocivos de la luz ultravioleta. Una epidermis gruesa, que es típica de plantas alpinas, parece funcionar como filtro ultravioleta. Las temperaturas promedio tienden a ser más bajas en altitudes mayores de acuerdo a un factor de aproximadamente 5°C por cada mil metros. Tal situación es más un aspecto de temporada de crecimiento corta que de temperaturas invernales extremadamente bajas; lasmás bajas temperaturas que se alcanzan noson muy afectadas por la altitud. Las temperaturas del suelo y la plan-ta en elevaciones altas son algo mayores que en las bajas debido a la delgadez de la cubierta del suelo y los altos nivelesde radiación. Sin embargo, los vientos fuertes pueden perturbar la cubierta de nieve en el invierno lo cual permite que las hojas e incluso el suelo se expongan y se tornen muy fríos. Lo peor consiste enlas impactantes fluctuaciones de temperatura que ocurren con mucha frecuencia. El aspecto más traumático del congelamiento es el cambio del punto decongelación existente, lo cual puede ocurrir con mucho mayor frecuencia en altas elevaciones que enlas bajas.Lasplantasque crecen a grandes alturas por 10 regularsonmucho másvigorosas ante la congelación que sus contrapartes delas alturas bajas; parece quelas condiciones de las elevaciones grandes conducen más hacia el fortalecimiento. El viento y la sequía son tensiones importantes a lasquese enfrentan las plantas de grandes alturas; casi todas ellas muestran condición xerofítica. El efecto del viento no es tanto bajar la temperatura (é&e sólo acelera el proceso de cambio térmico), como eliminar el agua. El frecuente déficit de agua y la delgadez de la cobertura del suelo hacen ineficiente el desarrollo de amplio crecimiento radicular como medio de evitar la sequía. La mayoría de las plantas de grandes alturas poseen hojas característicamente xerófitas: gruesa cutícula, área pequeña, estomas hundidos, etc., y se atienen al control de la pérdida de agua para sobrevivir. Unadelas adaptaciones a la tensión delasgrandes alturas m á s llamativas es la fotosíntesis de las plantas alpinas; ellas tienden a poseer valores de saturación de luz mucho más altos que las plantas de tierras bajas; se han registrado valores tanaltos como 7,000-10,000 bujías pie.Además, su eficiencia es mayor ante bajas concentraciones de dióxido de carbono. Esto compensa tanto la escasez de COZ a grandes alturas como el hecho dequela penetración del C 0 2 en hojas xerofíticas es estorbada pormecanismos que impidenlapérdidadeagua. Finalmente, el proceso de fotosíntesis funciona a menor temperatura en plantas alpinas, que en plantasde bajas alturas. Temperaturas óptimas de 10-12°Co aun menores no sonrarasenplantas alpinas, en comparación con lasde 20-30°Cde la mayoría de plantas de baja altura.
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La contaminación, sólo raramente un riesgo natural para las plantas, se ha incrementado al punto de crisis en las dos décadas pasadas. Las tensiones por contaminaciónsonprincipalmente químicas y resultanyasea de envenenamiento directo por materiales tóxicos o de sustancias tóxicas secundarias formadas en el aire O enla planta, a partir de los contaminantes. Mecanismosdedefensa como tales son la resistencia normal de las plantas ante compuestos tóxicos. LOSrecientes intentos para desarrollar líneas resistentes a la contaminación han sido moderadamente exitosos. Sinembargo, se esperaque el control de la contaminación hará innecesario este aspecto de la investigación práctica. El daño a la planta por el “smog” y la Contaminación es de dos tipos principales: el ozono (O,) en la atmósfera pareceser la causade mucho deterioro, pero aparentemente nodemanera directa. El fisiólogo norteamericano J.T. Middleton, trabajando en California, demostróque cierta reacción inestable o transitoria interviene en el ozono ehidrocarburossaturadoscausandoeldaño visiblede la contaminación. Ni los hidrocarburosoxidados ni el ozono en s í produjeron los mismos efectos. El daño consiste Primordialmente en el vidriado y bronceado de las hojas, así como el desarrollo de manchas cloróticas y necrosadas. El daño se produce principalmente sobre las superficies foliares que poseen estomas y no se presenta en el caso de que éstos permanezcan cerrados durante la exposición. Lascélulasepidérmicas,particularmentelas estomáticas, absorben cantidades excesivas deagua y pueden romperse, en tanto que las células mesomuy fílicas sedeshidratan. El crecimiento y desarrollodelasplantasnoson afectados por la contaminación amenosquesedesarrollenlesiones,peromuno filtrado “normal”. chasespecies crecen mejor en aire filtrado queenaire Se ha demostrado que enfermedadescomo weather fleck del tabaco, la black spot de la vid y tumores en el brócoli resultan del ozono y contaminantes orgánicos en la atmósfera (ver Figura 28-1C y D). El daño por ozono puede evitarse asperjando las plantas con soluciones de ácid0 abscísico que cierran los estomas. Desafortunadamente, esto también detiene la fotosíntesis y la producción. Además del daño por ozono, el cual parece sier mucho más severo en hojas maduras o en completo desarrollo, las plantas pueden sufrir por efectos de envenenamientocausadopor nitratos de peroxacilo (PAN). Estos compuestos, que atacan primordialmente hojas jóvenes o en desarrollo, se forman a partir de hidrocarburos no saturados, junto con dióxido nítrico (NO)o dióxido de nitrógeno (NO,) y oxígeno bajo la influencia de radiacionesluminosas o ultravioletasdel sol. Otros efectos son que la resistencia se acentúa y la fotosíntesis se abate en hojas dañadas por el “smog” del PAN (ver Figura 28-1A). Mucho se ha dicho acerca de los efectos de los, contaminantes, en particular de los surfactantes (detergentes), sobre la vida vegetal y sobre la fotosíntesis particularmente en el océano. Las algas son extremadamente susceptibles a este tipo de contaminación, la cud destruye la membranay la (estructura de tilacoides. Aun lasplantasdetierras costeras puedensufrir. Se ha demostradoqueel creciente deterioro por la sal a los pinos de las Islas Norfolk (Araucaria heterophylla), que secultivancomoornamentalesa lo largodelasplayasenAdelaida,Australia, resulta del incremento de detergentes en el mar procedentes de 1% aguas negras municipales. LOSdetergentes bajan la tensión superficial de aspersiones que caen sobre las hojas, y la absorción desalaumenta lo suficiente paradañar O matar el follaje.
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Uno de los peores contaminantes industriales (particularmente de la minería) y de la urbanización es el dióxido de azufre (SO2). Este gas es especialmente venenoso para los árboles, causándoles clorosis y enanismo (Figuras 28-1B, 28-2). Enormes áreas boscosas y muchas áreas suburbanas en todo el mundo civilizado están seriamente afectadas por SO, o una combinación de SO, y ozono, el cual parece ser especialmente venenoso. Seha logrado cierto éxito en la protección a las hojas contra el daño de oxidantes debido al “smog”, mediante la aplicación de sustancias reductoras a las plantas. Soluciones de sacarosa impiden cierto daño alfrijol pinto y a las hojas de espinaca. La aspersión o empapado con carbamatos, así como el empapado Figura 28-1. Algunos efectos de la contaminación sobre las plantas. A. Daños de ”smog” con nitrato de peroxiacilo a la planta de tabaco. Daño como este se presentahasta a 75 millas de la fuente contaminante. B. Lesiones por dióxido de azufre (SO,) al abedul blanco. C. La lesión ”weather fleck“ al tabaco debido al ozono. D. Daño por ozono a la petunia “White Cascade”. (Fotografías cortesía del Departamento de Agricultura delos Estados Unidos.)
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Figura 28-2. La contaminación por didxido de azufre y ozono daña pinos blancos a niveles relativamente bajos, causandola enfermedad "achaparramiento clordtico". Los científicos del Departamento de Agricultura delosEstados Unidos enlcerraronvarios pinos enfermosde 10 años de edad en cámaras de plAstico provistas de filtros removedores de contaminantes (A). Despuésdetresañoslos &boles estabansaludables y vigorosos (B), pero si se exponían otra vez al aire no filtrado, rápidamente mostraban de nuevo SevierOS síntomas de achaparramiento Unidos.) clorótico (C). (Fotografías cortesía del Departamento de Agricultura delosEstados
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con ascorbato de potasio, parecenproteger ciertas plantas deldañopor ozono, pero las hojas deben cubrirse por completo con esa aspersión. Lasplantas de tabaco sehan protegidocultivándolas bajo un dosel tratado con sustancias reductoras que destruyen el ozono. Se han producido algunasvariedades resistentes al “smog” mediante programas genotécnicos. Sin embargo, las medidas preventivas son caras e insatisfactorias. La única solución razonable a este problema es eliminar o controlar las fuentes de contaminación. A la larga, esto resultará más barato y mucho más eficiente, e incluso estéticamente más agradable.
LECTURAS ADICIONALES Artículos en el Annual Review of Plant Physiology. Levitt, J.: Responses of Plants to Environmental Stresses. Academic Press, Nueva York. 1972. Sutcliffe, J.: Plants and Temperature. Edward Arnold (Publishers). Ltd., Londres. 1977. Weiser, C.J.: Cold resistance and injury in woody plants. Science, 169:1269-78. 1970. Wolstenholme, G.E.W., y M.O. Connor(eds.): Ciba FoundationSymposium on the Frozen Cell. J.A. Churchill, Londres. 1970. Woodell, S.R.J.: Xerophytes. Oxford University Press, Londres. 1973. Woolhouse, H.W. (ed.): Dormancyand Suruiual. 23rd. Symposium of the Society for Experimental Biology. Cambridge University Press, Nueva York. 1969.
Capítulo 29
FACTORES FISIOL~GICOS EN LA DISTRIBUCIóN DE LAS PLANTAS
La distribución de las plantas y los factores fisiológicos en que se fundamentan los principios de la ecología son temas extraordinariamenteimportantes; sin embargo, son ajenos a la forma de estudiar la fisiología vegetal básica, por lo tanto se exponen aquí sólo brevemente. A pesar de todo, una de! las aplicaciones más importantes de los principios fisiológicos se refiere al estudia delas relaciones de las plantas con el clima, con factores ambientales físicos y fisiológicos, así como las relaciones entre ellos, Tal es la base del estudio de la ecología, y este capítulo describe algunosde los aspectos fisiológicos más importantes deladistribuciónvegetal y la ecología. Las plantas que viven en una región específi.ca pueden analizarse en forma general de dos maneras: como vegetación y como flora.La vegetación es el tipo o tipos de plantas que viven en la región, las clases de plantas que pueden vivirexitosamente dentro de las limitaciones impuestas por el clima y el ambiente, La flora, por otra parte, es el grupo de especiesde plantas actuales que formanla vegetación de una región. Por lo tanto, el tipo de vegetación de un área puede ser clasificada como, porejemplo, un bosque deciduo. Esto indica las clasesde plantas que dominan en la región. La flora enlistaría las actuales especies de árboles de bosquedeciduo y plantas asociadas que en realidad viven en el área; esas especies que pueden competir con éxito entre sí y coexistir para llegar a ser una parte más o menos estable de la comunidad vegetal del área.
LOS FACTORES FISIOL6GICOS EN ECOLOGfA Todos aquellos factores que significan tensión para el organismo, pueden afectar su distribución. Los factores fisiológicos pueden ser, en consecuencia, positivos o negativos; los factores ambientales físicos tales como luz o calor pueden ser demasiado intensos o no suficientemente intensos; las sustancias o substratos pueden estar presentes en exceso o en cantidades insuficientes. El ambiente est6 compuesto de muchos factores y estos están interrelacionados. Por lo tanto, el calor y el suministro de agua interdependen a tal grado que el calor excesivo puede llegar a ser insoportable excepto en presencia de agua excesiva. Todos esos factores que
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afectan de modo general al ambientetambiénafectan el tipode vegetación que puede vivir con éxito en un área. Los factores climáticos incluyen intensidad y periodicidad de calor y luz, precipitación y humedad relativa; los fisiogrsificos incluyen estructura del suelo, acidez, y composición de nutrirnientos, los cuales a menudo se relacionan con la naturaleza de la roca subyacente, y las condiciones climáticas locales causadas por el contorno físico del terreno. Los factores biológicos resultan de la naturaleza de la vegetación que se constituye, e incluyen el sombreado (competencia por luz), competencia por el agua, competencia por nuo aprovisionamiento de1 substrata, interacciones plantatrimentos,alteración animal, accióndeantibióticos, relaciones saprofíticasy parasitarias, así corno modificación de condiciones microclimáticas tales como pH o viento en el interior de las masas de vegetación. Todos estos factores, interactuando en una complejidad extraordinaria, afectan la naturaleza de la vegetación y la composición de la flora que existe en cualquier tiempo y área dados. Uno de los principios de la ecología es que la vegetación o la flora rara vez son estáticas. Puesto que la existencia de una flora casi inevitablemente resulta en la modificación de su ambiente ello cambia las condiciones al punto en quese producen cambios en la misma flora. Este proceso, que puede iniciarse en suelo desnudo o un cuerpode agua estéril se llama sucesión. Una sucesión ecológica a menudo culmina en un clímax estable, es decir, una flora que se mantiene a sí misma porque produce condiciones que se ajustan mejor a su propia reproducción y sobrevivencia. Bajo estas condiciones la competencia continúa sin disminuir, pero restringida a la competencia entre individuos de la flora del clímax vencedor, eliminándose las especies que no han tenidoéxito. Por otra parte, una condición en aparente equilibrio o inestable puede prevalecer en caso de que una flora genere condiciones favorables para la flora de algún estadio sucesional previo. Esto resultará en una situación cíclica en que dos o más fases de una sucesión se alternen unas a otras. Prescindiendo de los estadios de una sucesión o el tipo de clímax que se establezca, los factores fisiológicos que gobiernan la capacidad de sobrevivencia de cada individuo de cada especie (por ejemplo, en crecimiento, desarrollo y reproducción) son siempre los factores que determinan la naturaleza de la vegetación y la composición de la flora. La vegetación y la flora no son los únicos aspectos dinámicos de un ecosistema. Los factoresambientales pueden variar debidoa influencias externas o como resultado de la sucesión ecológica. Además, los hechos de la competencia y los extremos del ambiente colocan a las especies y los individuos de una comunidad bajo tensión, y pueden reaccionar ante ella de varias maneras. Las adaptaciones que resultan de factores ambientales tensionantes puedenser no heredables, es decir, las reacciones de los individuos a la tensión (como se discutió en el capítulo anterior). Alternativamente, las adaptaciones pueden heredarse, las cuales resultan en el aspecto de formas o variedades distintivas que se llaman ecotipos, 10s cuales están mejor adaptados para competir o sobrevivir bajo condiciones locales. Una lista de los tipos de adaptaciónmás comunes se ofrece en la Tabla 29 - 1 . Cualquier factor, o cualquier combinación de factores, puede limitar la distribución de una planta (esto es, limita su capacidad ya sea para sobrevivir o para competir). Hace mucho tiempo Justo von Liebig estableció la ley de los factores limitantes, la cual expresa esencialmente que el crecimiento definitivo de un organismo depende dela cantidad de nutrimentodisponible para é1 en cantidad mínima. Para las plantas ello incluye luz, agua y dióxido de carbono,así como nutrimentos
Tasa de crecimiento Mavor menor Daño Menor Altura final Más altas Más bajas Talla foliar Más grande Más pequeña Xeromorfismo Cambios en periodicidad o latencia Fortalecimiento ante frío o congelación Aumento en capacidad fotosinthtica Tasa máxima alcanzable Eficiencia ante escaso CO2 Eficiencia ante luz tenue Disminución de fotorrespiración Disminución de respiración oscura Reproducción mayor o más temprana Mejoramiento en rendimiento Tolerancia a ambiente nocivo
Plántulas escapan al sombreado sensibles jóvenes a tejidos Competencia por luz Daño menor por viento Tolerancia a la sombra Tolerancia a luz solar y sequía Sobrevivencia a sequía Adaptación a periodicidad climática Sobrevivencia al frío Mejor sobrevivencia para plantas tropicales de sol Mejor sobrevivencia en comunidades densas, luz brillante, alta temperatura Tolerancia a la sombra Eficiencia mayor, particularmenteen días largos; o alta temperatura Productividad mayor, particularmente en días cortos Competencia Sobrevivencia en agricultura Sobrevivencia en ecosistemas dominados por el hombre
*Las adaptaciones pueden ser temporales o permanentes en un individuo, o pueden heredarse, lo que resulta en la formación de ecotipor.
minerales. La leypuedeampliarseparaincluirfa.ctoresno alimenticios; debe reconocerse que los factores adversos o unasobredosisdealgún factor quese requiera en forma normal pueden igualmentelimitar el crecimiento. En un sistema complejo gobernado por una interacción de muchos :€actores, la concentración crítica (cantidad mínima) puede depender en gran medida de las concentraciones de otros factores queestánpor encima del rangonormalmenteconsiderado como limitante. El análisis de tal complejo de elementos ambientales puede ser, en consecuencia, extremadamente difícil. FACTORES QUE AFECTAN LA VEGETACIóN TIPOS DE VEGETACI6N. Existen cuatro tipos princi.palesdevegetación terrestre cuya distribución depende en gran parte de factores climáticos. Ellos son: bosques, pastizal, tundra y desierto; éstos intergradan entre sí y se han descrito algunos subtipos bien definidos. Así, la sabana representa un pastizal con árboles dispersos o aislados. El típico bosque mediterráneo o esclerófiio es un tipo característico de sabana o bosque disperso compuesto de árboles y arbustos que se distinguen por
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FISIOLOGÍA Y DISTRIBUCI6N DE
LAS COMUNIDADES VEGETALES
sus hojas duras, coriáceas, xeromórficas, Se han descrito muchos otros tipos menores de vegetacion que no necesitan considerarse aquí. La vegetacióndeaguadulce (marjal, ciénaga, sublitoral) dependeensu mayor parte de factores locales o fisiográficos. La vegetación marina, además de su dependencia de la temperatura está engranmedida relacionada a fenómenos locales, tales como suministro de nutrimentos, movimiento de agua, profundidad y turbidez, a sí como substrato rocoso. FACTORES HIST~RICOS. Muchos componentes vegetacionalespueden estar presentes como resultado de eventos histórico -geológicos. La distribución de las plantas ha estado gobernada en el pasado por cambios climáticos, que a menudo son de naturaleza cíclica. Por lo tanto una población continua establecida sobre grandes masas de tierra puede fragmentarse y separarse mediante sucesivas edades de hielo y los fragmentos pueden aislarse más aún por movimientos de la corteza y deriva continental. La vegetacióndeunlugaren particular, por lo tanto, está compuesta por las plantas que sobreviven bajo condiciones actuales y por las que estuvieron también presentes en la época de los grandes sucesos climáticos o geológicos más recientes, o pudieroninvadir en épocas posteriores. Las plantas que teóricamente pudieronsobrevivir o aun dominarlavegetaciónacasoestuvieron ausentesporbarreras físicas quelesimpidieronel acceso; otras plantasquizá menos adaptadas dominaron debido a la falta de competencia más efectiva. Tal es la razón por la que,las especies introducidas, a veces se dispersan rápida o explosivamente en un nuevo país en detrimento de la flora aut6ctona.
FACTORES GEOGRAFICOS. La vegetación es afectada por factores geográficos modificadores del clima.Lasgrandesmasas continentales tienden a poseerclimas extremosos ensu interior, pero se modifican mucho por la presencia del mar en sus márgenes. Una cordillera emplazada a lo largo de la costa marina usualmente produce un clima de alta precipitación pluvial, ya que el aire húmedo del ocean0 asciende a alturas más frías al chocar con las montañas. De igual modo, el flanco continental de una gran cordillera con toda probabilidad es más seco que el flanco marítimo. En consecuencia, los bosqueslluviosostienden a cubrir las tierras o desierto en el lado contrario que dan al mar, mientras que se producen sabana delascordilleras marítimas. Los patronesdelestado de tiempo, y por ello, de vegetacijn, sonmuy afectados por los patrones topográficos menores, los cuales afectan la velocidad y dirección del viento, lluvias locales y temperatura estacional. Las corrientes oceánicas soninmensamentepoderosas enlaregulación y modificaciones climáticas y, por ello, de la distribución no sólo de la flora oceánica existente en ellas sino de la flora de las masas de tierra circundantes. LLUVIA. El agua es probablemente el factor más importante que afecta la vegetación. Los patrones vegetacionales del mundo pueden estar directamente relacionados con la precipitación de verano e invierno, como se muestra en la Tabla 29-2. Los bosques, sean tropicales o templados, requieren agua o alta humedad relativa durante todo el año y por tal razón tienden a cubrir principalmente los bordes continentales donde prevalecen los climas marítimos. Las áreas con precipitación adecuada en primavera o verano, pero en lasque pueden prevalecer condiciones de sequía en otras épocas del año por lo regular están cubiertas de varios tipos de pastizal. Muchas gramíneas, además de poseer
FACTORES FISIOL6GICOS EN LA DISTRIBUCI6N DE LAS PLANTAS Tabla
707
29-2.Relación entre lluvia estacional y tipo de vegetación. Tipo de vegetaci6n
Lluvia de verano
Lluvia de invierno
Abundante
Abundante
Bosque. Mesof itico a hidrof ítico;
Abundante
Escasa
Sabana de gramineas. Latente el en
Escasa Escasa
todo el año
requiere agua
otoño, por tanto sobrevive a sequías de otoño o invierno que matm árboles
Desierro. Pllantas xerófitas; pueden especies las sobrevivir varios añosde condiciones adversas
Escasa
Abundante
Esclerófila (bosque sabana). Xer&fita, árboles de follaje coriáceo; vegetaciónmediterránea típica; brezal
sistemas radicales excepcionalmente grandes y eficientes, son también capaces de entrar en latencia a fines del verano; por eso pue!den soportar una considerable sequía en la temporada de crecimiento y pueden sobrevivir por periodos desequía extrema que a menudo se presentan a fines de verano o el otoño. Su necesidad de lluvia invernal es reducida. Cuando la precipitación es infrecuente, escasa o muy irregular, prevalecen condiciones desérticas. Los desiertos varían grandementeen su clima y vegetación, lo mismo que las regiones de bosquey de pastizal. Los desiertos fríos se presentan sobre campos nevados muy al norte o el sur y sobre eriales rocosos próximos a ellos, a s í como en las arenas y llanuras pedregosa? secas de los desiertos tropicales y subtropicales más comúnmente conocidos de Africa, Australia o sur de Estados Unidos.Ciertasáreasdelmundo tienen escasa precipitación y humedadrelativa duranteelveranoperopuedenposeerperiodosdemuyalta precipitación enel invierno. Tales áreas están cubiertas usualmente por sabanay bosques esclerófilos. Las gramíneas están presentes por lo común, y la vegetación mayor está constituidaporbosquessiempreverdesde hoja ancha de rasgos fuertemente xerófitos en áreas cálidas, o por brezales y marjales en temperaturasmás bajas. La importancia dela distribución estacional de la lluviapuedeapreciarse en la Tabla 29-3, la cual muestra una correlación de un número de variables climáticas con la vegetación. La transición de bosque a pastizalenvarias localidades (climática y geográficamente muy separadas) depende de la cantidad de lluvia invernal. Por debajo de 180-200 mmen altas latitudes o alrededor de los 300 mm en bajas latitudes, los pastizalesdesplazan a losbosques. Sólo enlasregiones analizadas más cálidasdonde la precipitación de veranoestambién extremadamente baja, el pastizal es reemplazado por sabana y desierto. La existencia de vastospastizalessiempreestácorrelacionadacon1;emporadashúmedas y Secas fuertemente diferenciadas. Esto se pone de manifiesto en la Tabla 29-4 que muestra Variaciones estacionales en algunas áreas típicas de vegetación de pastizal tropical y templada. HUMEDADRELATIVA. Este puedeser un importante factor independiente bajo ciertas circunstancias. La HR,más que la cantidad realde lluvia esprobablemente el factor crítico que afecta la línea divisoria entre tipos de vegetación. Normalmente está en estrecha relación con la precipitación. Sin embargo, en áreaso lugares des&-
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FACTORES FISIOLdGICOS EN LA DISTRIBUCI6N L,AS DE
PLANTAS
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Tabla 294. Variación estaciona1 de la lluvia1enalgunasáreas (total de pulgadas por estación).
típicas de pastizal
~~
~
Estación seca Estación húmeda ~
~
~~
Loango, Tropical Brasil Geraes, Mina
W. África
Temperatura Natal, S.Africa 30.8 15.2 Argentina Corrientes, Great Falls, Mont. Colby, Can.
1 11
58 51
4.6
23.2
3.5
9.9 15.2
3.6
Fuente: Modificada de H.A. Gleason y A. Cronquisti: The Natural Geography of Plants. Columbia University Press, Nueva York, 1964.
ticos con lluvias copiosas e infrecuentes seguidas de periodos extremadamente secos, la HR puedeser tan baja la mayor parte del tiempo que sólo las plantas extremadamente xerófitas pueden sobrevivir. Alternativamente, es posible tener lo que en esencia es un bosque lluvioso en un área de humedad constantemente elevada como la costa de California, siempre y cuando la precipitación no seamuy alta allí.
TEMPERATURA. Dentro de las limitaciones impuestas por el agua, la vegetación se ve marcadamente afectada por la temperatura. Las limitaciones de temperatura no son, sin embargo, tan grandes. Es raro, si es que existe, el excesivo calor para la vegetación y el frío excesivo sólo se presenta muy irdrecuentemente. Se han desarrollado plantas dentro de los principales tipos vegetacionales adaptadas a varios regímenes térmicos. Así, los bosques prosperan desde las regiones tropicales más cálidashastael lejano norte, hastadondealcanzan los límites, node frío sino de la baja humedad relativa que lo acompaña, lo cual impide un mayor grado de crecimiento. Además de los efectos directos de la temperatura, su periodicidad es importante. Los climas templadosy árticos están sometidos a grandes variaciones térmicas estacionales y los componentes de la vegetación han de ser capaces de soportarlas. La latencia es uno de los mecanismos más comunes para evitar la temperatura extremadamente fría, peroprecisa de mecanismosadicionalesparaasegurarque se observe la periodicidad correcta. Puesto que la periodicidad de las temperaturasrigurosas está estrechamente relacionada con ]la latitud, este componente climático, más que la temperatura absoluta, probablemente explique la tendencia muy fuerte de la vegetación a seguir líneas latitudhales en muchas partes del mundo. Las desviaciones de tales lfneas son por lo reguhr el resultado de la disponibilidad cambiante del agua. Debido a la acentuada dependencia dela humed.ad relativa en latemperatura, la disponibilidad del agua y la temperatura interactúan fuertemente en el establecimiento de límites para los tipos de vegetación. Estas interacciones se presentan diagramáticamente en la Figura 29-1. La diversidad detipos vegetaciondes decrece del fondo (cálido) a la parte superior (frío) como se evidencia por la forma triangular del diagrama. VIENTO. El viento raravezes importante, excepto como unafuerzadestructiva local. El daño físico que producen los vientos fuertes raramente afecta la vegetación
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FISIOLOG~AY DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
Desierto
frío
I
Tundra
,
Estepas Desierto templado
Bosque de coniferas
Bosque templado Pastizales
Bosque tropical
SabanaDesierto troDical
SECA e
matorral
I
1 CALIDA
Figura 29-1. Relaciónentre precipitación o humedad.
Bosque lluvioso
-
HÚMEDA
vegetación, temperatura y
de manera permanente. Sin embargo, cuando son continuos en lugares expuestos pueden tener un poderoso efecto modificante sobre el clima al incrementar la evaporación y la transpiración. Por lo tanto, las condiciones acentuadamente xerófitas sevigorizan y, por lo mismo, se modifica la vegetación. Los efectos típicos del viento, como enanismo o atrofiamiento se observan a menudo en lugares expuestos como promontorios costeros o tundra ártica. Éstos son el resultado tanto de la desecación por el viento como del efecto de materiales como sal, polvo o nieve transportados por aquél.
DURACIOND E LA PERIODICIDAD Y LA ESTACI6N. Estos factores son de extraordinaria importancia, particularmente en las zonas templadas y subárticas boreales y meridionales, donde alternan los periodos climáticos moderados y rigurosos. Las plantas pueden desarrollarse muy bien duranteel periodo de crecimiento e incluso son capaces de sobreponerse a las privaciones del invierno, pero si emergen demasiatarde, nosobreviven al clima. Algunas do temprano o permanecen activas hasta muy áreas muyal norte presentan condiciones climáticas adecuadas para el vigorosocrecimiento de especies del sur, pero la temporadade crecimiento no dura lo suficiente para permitir que las plantas completen su ciclo de vida; por lo tanto no consiguen sobrevivir. En muchasplantas el inicio de la latencia está relacionado a la longitud del día así como a la decreciente temperatura. Las que se han adaptado a latitudes menores tienden a entrar en latencia sólo en el momento en que los días se vuelven más cortos. Cuando tales especies se cultivan en latitudes boreales, con frecuencia las matan l a s heladas tempranas, a las cuales podrían sobrevivir con facilidad si la latencia se adelantase unos cuantos días. La duración de la temporada, o número de días libres de heladas, y parámetros similares están a veces -pero no necesariamente siempre- directamente correlacionadas con las isotermas de temperaturas medias. Si bien algunas plantas pueden estar limitadas por la temperatura, los parámetros anteriores son frecuentemente críticos en el sentido de que marcan el límite de los tipos vegetacionales.
FACTORES FISIOL6GICOS
EN LA DISTRIBUCI6N DE LAS PLANTAS
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FACTORES QUE AFECTAN LA FLORA
CLIMATICOS. ES posible trazar en mapas, líneas que conecten puntos de igual temperatura O límites de mperatura (isotermas), intensidad de luz, cantidad de lluvia, etc. Se ha encontrado con frecuencia que los límites geográficos de una especie coinciden muy de c e r a con una u otra de tales líneas. Por ejemplo, una más precirelación ocurre entre las bajas temperaturas de enero y el límite norte en Europa de una especie de rubia (Rubia peregrina)como se rnuestraen la Figura 29-2. Otras plantas pueden estar limitadas por agua o cantidad de lluvia. Un ejemplo de ello es la distribución del género Stylidium en Australia, mostrado en la Figura 29-3. Aquí la limitación es una necesidad de 500-700 mlm de lluvia anual. La relación no es tan precisa como en el ejemplo anterior; evidentemente algunos otros factores adicionales limitan la distribución en ciertas partes del rango geográfico. En realidad la distribución de una planta puede estar limitada por un grupo de factores que no están necesariamente relacionados. La distribución del arce azucarero (Acer saccharum)se muestra en la Figura 29-4, junto con varios límites meteorológicos; estaespecieparece estar limitada por la isoterma de temperatura media anual de -40°C en el norte. Hacia el sur, la distribución está relacionada con la “tibieza” invernal, con una temperatura mediaanual de “10°C. La delimitación occidental está en clara relación con el agua; la línea parala precipitación anual de 500 mmen el noroeste y 700 mmen el suroeste. Sin embargo, una relación mucho más próxima sobre el límite occidental se muestra con las áreas que separa la línea donde la evaporación sobrepuja la precipitación (oeste de la línea A-A) de aquellas en que la transpiración sobrepasa la evaporación (este de la línea A-A). La línea A-A tambibn marca los limites de la vegetación boscosa hacia el este y de pastizal al oeste. Este factor está relacionado tanto con la precipitación como con la temperatura, cuyas complejas interacciones excluyen a una u otra para considerarse como simple factor limitante. Por lo tanto, las limitaciones climáticas de una flora o sus componentes no sonimpuestaspor unasola característica (si bien esto puedepasar como enla Figura 29-2) sino por cierto límite producto de interrelaciones de dos o más factores, en los que ninguno de los componentes constituyen factores limitativos por sí mismos. El ecólogo finlandés V. Hintikka ha elaborado un multivariado análisis respecto a cómo afectan la distribución las condiciones climáticas. En la Figura 29-5 la distribución del abeto noruego (Picea abies)se colmpara con una “curva climática”, o sea una línea que describe un complejo de datos en que se incluyen precipitación, temperatura mediadeverano y temperatura mediainvernal.Una relación muy estrecha entre la distribución y la curva de clima puede verse sobre la mayor parte del rango geográfico de esta planta. Sin embargo, aun este análisis es incompleto. Evidentemente alguna otra condición climática ejerce una fuerte influencia sobre el lado oriental del mar Adriático, donde la distribución y la curva dimitica no coinciden. Además de loslímites absolutos de los factoresclimáticos, las floras son muy afectadas por la estabilidad del clima o algunos de sus factores, La inestabilidad es acompañada usualmente por diversidad florística, mientras que 10s climas estables se caracterizan por un número menor de especies. Como resultadode la estabilidad climática aquellas que no consiguen adaptarse son eliminadas por la competencia y sólo las mejor adaptadas sobreviven en cualquiera de 10s nichos. Cumdo las condiciones varían considerablemente se establecen limites de mayor amplitud
7
1
-1
en el rango de condiciones que limitan las especies, dando por resultado una flora menos estable y más variada. Los límites de variación en la flora son impuestos por el grado de inestabilidaddel clima.
FISIOGRAFICOS. Los factores del clima local son afectados por el relieve y estructura del terreno, y &tos afectan el patrón florístico en las áreas locales. La naturaleza fisiográfica y geoldgica de la roca madre sobre la cual se constituye el paisaje son de extrema importancia en la determinación de las condiciones de humedad, tipo de suelo, estructura y fertilidad, así como los extremos de sequía temporal,
FACTORES FISIOL6GICOS
EN LA DISTRIBUCI6N DE LAS PLANTAS
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frío, calor o exceso de agua que pudieran presentarse. Por ejemplo, una yuxtaposiy rocas ya sea graníticas o metamórfico-sedimentarias ciónentrerocascalizas ácidas, está usualmente marcada por cambios en l a flora; esto se lleva a cabo por varios factores. En primer lugar, el suelo granítico es por lo regular laxo, arenoso, Acid0 y muy bajo en muchos nutrimentos. El suelo calizo, ,porotra parte, tiende a serm& rico, alcalino y arcilloso. El granítico, por su porosidad, es más susceptible de secarse en verano, en tanto que el arcilloso esmás propensoa la inundacih en periodos de humedad. La flora de las dos Breas depende de la capacidad de las plantas individuales para tener dxito o competir con eficac:iaen las condiciones especiales de pH, nutrición, tensión de agua, etc., típicas de cada Area. Empero, este patrón e s a subordinado al principal patrón de vegetación, impuesto por los grandes factores climáticos considerados con anterioridad. CONTAMINACI~N. Dentro de Areas definidas la flora puede ser muy alterada por la presencia de la contaminación natural o la producida porel hombre.Una visitaal Figura 293. Precipitación media anual en pulgadas en relación a la distribuci6n de S t y l i d i m en Australia. (De P. Dansereau: Biogeographv. The Ronald Press,Nueva York. 1957. Utilizada con permiso. Figura original cortesía del Dr. Dansereau.)
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FISIoLOGfA Y DISTRIBUCIdN DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
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Figura 29-4. Lrmitesbioclimdticosdel arceazucarero (Acer saccharum), quemuestra coincidencia con elementos meteorológicos (el Brea sombreada es la distribución del arce azucarero). 1, 30 pulgadasde precipitaciónanual; 2, mediaanual mínima de -4OOC; 3, 20 pulgadasde lluvia anual; 4 , 10 pulgadasde precipitación mediaanualdenieve; 5, minima mediaanualde -1O'C. Línea A-A, véase texto, página 659. (De P.Dansereau: Biogeography. TheRonald Press, Nueva York, 1957. Utilizada con permiso. Modificada de una figura original cedida amablemente por el Dr. Dansereau.)
Parque Nacional de Yellowstone convence rápidamente del poderoso efecto de la contaminación, no sólo la hecha por el hombre sino tambikn la natural (en este caso la efusión del agua caliente subterranea de muy alto contenido de minerales). La contaminación producida por el hombre a veces es más sutil, a menudo más extendida y puede ser muy grave. Cientos de kilómetros cuadrados de bosque en áreas próximas a trabajos de minerfa y fundición han sido devastados por emanaciones de dióxido de azufre (SO2 ) o tan severamente modificados que quedan inutilizables para explotación maderera o recreación. Los líquenes son muy sensibles a la contaminación y se han reducido drásticamente en áreas donde se han concentrado instalaciones de industria pesada. Regiones enteras del centro y norte de Europa están afectadas por las emanaciones originadas en el Ruhr. En un estudio
FACTORES FISIOL6GICOS EN LA DISTRIBUCIdN DE :LAS PLANTAS
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de los líquenes del área próxima a Sudbury, Canadá, se encontró que su diversidad estaba relacionada estrechamente al nivel de dióxido deazufre en el aire, producido por las fundidoras cercanas, como se muestra en. la Figura 29-6. Evidentemente la contaminación es una poderosa fuerza destructiva que puede perturbar definitiva y seriamente el medio, en vastas Qreas del mundo si no se pone bajo control. La competencia es resultado del lhecho que las plantas necesitan espacio para crecer. Los factores específicos por los que compiten son principalmente nutricionales: luz, didxido de carbono, elementos nutrientes y agua. En circunstancias especiales la competencia puede alcanzar el nivel de contienda física (por ejemplo, los efectos estrangulantes de ciertos bejucos), pero normalmente la competencia es esencialmente un proceso pasivo. Un competidor exitoso debe ser capaz no sólo de sobrevivir sino de completar su ciclo de vida más rápida y eficazCOMPETENCIA.
Figura 29-5. Distribución delabetonoruego (Picea abies) comparadaconuna"curva climática" derivada de datos sobre precipitación pluvial, temperatura media de verano y temperatura media de invierno. (De V. Hintikka: Ann. Bot. Soc. Vanamo,,34:5.1963. Utilizadacon permiso.)
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I
I
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4
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Distancia dssde fundicion Cooper Cliff, millas
Figura 296. Relación entrela distribución de los líquenes y la contaminaci6n. (Adaptada de datos cortesía de D.H.S. Richardson y K. Puckett, Laurentian University, Sudbury, Ontario.)
mente que las demás plantas bajo la tensión de factores mermados en lo nutricional o lo fisiológico. Lascaracterísticas fisiológicas quecapacitanalaplanta para sobrevivir o competir con éxito son las que la habilitan para tolerar mejor las tensiones, que ya se discutieron en el Capítulo 28. Las tensiones que usualmente resultan de la competencia son sombra, sequía, limitación de nutrimentos y la presencia de contaminantes bióticos: antibióticos producidos por un organismo que inhiben a otro. Los competidores predominantes han de ser capaces no sólo de sobrevivir mejor bajo condicionestensionantessino tambidn de producir condicionesdetensióna las demás plantas mediante un desarrollo más alto y rápido, producción de doseles foliares más grandes y densos o mayores y más eficientes sistemas radicales. L a competencia entre el arce rojo (Acer rubrum) y el arce azucarero (Acer saccharum) en áreas básicamente satisfactorias para el crecimiento de ambas especies provee un ejemplo interesante. El arce rojo resiste más los factores climáticos y puede desarrollarse mejor bajo circunstancias normales en las áreas donde los rangos de distribución de las dos especies se superponen. Sin embargo, el arce azucarero es más resistente a la sombra y sus semillas se desarrollan mejor y más rápido en áreas sombreadas, que las semillas del arce rojo.El arce azucarero tiende a dominar en arbolados mixtos. No obstante el hecho de ser menos vigoroso, es un com-
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petidor exitoso debidoa su mayorcapacidadreproductiva en las condiciones sombreadas que origina el desarrollo del bosque. Otro ejemplo que ilustra la inesperada amplitud de competencia es la que se da entre un &bol que se desarrollaen un prado y h grama quelo circunda. La grama puede sufrir en esta asociaci6n debido a la obvia competencia por luz; su hábitat puede volverse menos deseable por la caida de hojas de los árboles coníferos; en cuanto al &bol, debido a su extenso sistema radical, puede someter a la grama a severas tensiones de agua y nutrimentos. Ciertamente, la fertilizaci6n de un c6sped resulta con frecuencia en un acentuado e inesperado desarrollo de los &boles cercanos, sin que se note una mejorla en la apariencia del cdsped. SUCESIÓN. El efecto de la competencia consiste en que una flora raravez es Completamente estable. Una especie, o grupo de especies, es eliminada porotra a travbs de la competencia hasta que esencialmente se alccnza una situación más o menos estable. Este proceso se llama sucesión, y finalmente llega a un climax de mayor o menor grado de estabilidad. El proceso se inicia con la colonización de un substrato previamente est6ril medianteinvasión de especies' vigorosas capaces de sobrevivir a condiciones frecuentemente extremas. Las invasorassonusualmente xerófitas con gran rapidez; soncon frecuendebido a la tendencia del terreno yermo a secarse cia especies prolificas y de&pida reproducción, 10 que les permite establecerse durante cortos periodos que presentan buenascondiciones. Luego de la invasión, da comienzo una sucesibn enla que se llegan a establecer nuevas plantas, ya que cada etapa sucesional modifica las condiciones existentes para adecuarlas a plantas menos vigorosas.Muy a menudo se modifican las condiciones de manera que las plantas que hayen determinado momento se desarrollen mejor, pero a pesar de ello son reemplazadaspor nuevas especies de mayor capacidad aun bajo las nuevas condiciones; éstas incluyen el mejoramiento de la estructura del suelo para la retención del agua, mejor disponibilidad de nutrimentos de las partículas de suelo lo que trae porresultado mayor fertilidad, mayormasa vegetal con un consecuente incremento en el sombreado, temperatura y viento menos extremosos, valores de humedad relativa másaltos y efectos antibióticos. Hacia el final, la sucesión cambia aun clímax que consiste de especies capaces de completar exitosamente sus ciclos de vida en forma repetitiva bajo las condiciones que han llegado a establecerse y pueden competir con eficacia en todos sus estadios de desarrollo. Tal climax se& estable. ,A veces la flora de un climax tiende a formar condiciones que impiden o inhiben su propia reproducci6n, y esto conduce a una condición inestable en la que la últimn fase sucesionalse repite constantemente. La frecuencia y grado de reversi6n perjibdica de tal climax inestable depende principalmente de la tasa de crecimiento y reproducci6n de las especies dominantes que contenga, m& que directamente de las condiciones ambientales. La inestabilidad de un climax puede resultar tambidnde eventos no climáticos tales como incendios repetidos o recurrente infestacih por plagas de insectos 0 enfermedades.
MECANISMOS FISIOL~GICOSDE LA COMPETENCIA
Uno de los mecanismos de competencia m h importantes es la capacidad paracrecer mejor en condiciones adversas. Hemos mencionadoanteriormente las clases de
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FISIOLOGÍA Y DISTRIBUCI6N LAS DE
COMUNIDADES VEGETALES
tensión a las que las plantas pueden estar sujetas como resultado de la competencia. ES importante comprender que raramente se desarrollan bajo condiciones perfectas O ideales, aun cuando tales condiciones se presenten para una planta, alguna otra especie puede desarrollarse mejor y por lo tanto ser capaz de competir con éxito. Consecuentemente, muchas plantas crecen bajo condiciones extremas, sólo porque allí 10 hacen mejor que las demk. Por ejemplo, las halófitas pueden soportar condicioves de extrema salinidad que matan a las no halófitas. Las h&fitas, de hecho, pueden crecer mucho mejor en condiciones no salinas, pero no logran sobrevivir ante la competencia de las no halófitas más exitosas. Ellas compiten con éxito bajo condiciones salinas porque su capacidad a esos extremos es mayor que la de otras plantas. La competencia directa entre plantas trae como resultado déficits de agua y minerales. Bajo estas circunstancias las plantasposeedorasde la capacidadpara producir un sistemaradical más extenso o más eficiente son probablemente las que compiten con Cxito. La capacidad de crecimiento parece ser una función inherente, pero su expresión est6 muy afectada por las condiciones ambientales. Los mecanismos de respuesta para el crecimiento radical no han sido bien estudiados. Se sabe que las bajas temperaturas nocturnas promueven el crecimiento radical de muchas plantas, si bien no está claro por qu6. Sin embargo, una sensibilidad aumentada de tal respuesta sería un excelente mecanismo para mejorar las posibilidadesde sobrevivenciadeuna especie enunazona templada. Si tal mecanismo está realmente implicado, se desconoce. Mecanismos alternativos que propicien el crecimiento eficiente con bajos suministros de agua y minerales, o menor pQrdida de agua, mejorarían igualmente las probabilidades de éxito bajo competencia. Probablemente la competencia más importante entre plantas es principalmente por la luz, materiaprima de la fotosíntesis, aunque tambiCnen densos doseles foliares, el COZ. L a tolerancia a la sombra esun factor importante en la competencia particularmente para plántulas y plantas en desarrollo, Como consecuencia, se ha desarrollado en ellas una variedad de mecanismos, los cuales pueden dividirseen tres grandes categorías: mecanismosparaevitar la sombra, mecanismos que incrementan la intercepción deluz o COZ y mecanismos que aumentan la eficiencia. Evitar iasombra consiste principalmente en crecer con mayorrapidez y alzarsepor encima de los competidores productores desombra.Lasplantas en lasque está muy desarrollada la respuesta -controlada porhormonaspara incrementar la longitud del tallo y los entrenudos ante escasa luz, compiten exitosamente en densas comunidades. Aquí el efecto nocivo de un tallo débil, delgado y alargado es mínimo; la necesidad que importa realmente es alcanzar un dosel de hojas tan alto y rápido como sea posible. Una mayor intercepci6n de luz puede lograrse mediante respuestas morfol6gicas controladas por auxinas, por ejemplo el desarrollo de mecanismos para orientar la hoja hacia la luz y para la flexión de los pecíolos a fin de lograr la máxima cobertura en el mosaico de hojas, como se muestra enla Figura 29-7. Además, todos los mecanismos fisiol6gicos de tolerancia a la sombra, inclusive el incremento de clorofila, el incremento de número y orientación de cloroplastos, así como hojas más grandes y gruesas con mayor capacidad fotosintktica pueden ser importantes enlaCompetencia. Existe cierto indiciode que las hojas de plantas tolerantes a sombraposeenuna eficiencia de carboxilación mucho más grande,no obstante el hecho de poseer menor concentración de la enzima carboxilante: ribu-
DE LAS PLANTAS
FACTORES FISIOLdGICOS DISTRIBUCI6N EN LA
condicionesdesombra: (A) olmo, (B) hiedra. (De F.W. Went y L.O. Sheps: En F.C.Steward (ed.): Plant Physiology: A Treatise, Vol. VA. Academic Press, Nueva York, 1969. Utilizada con permiso.)
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losa bisfosfato carboxilasa. Es posible que mantengan una mayor concentración del substrato ribulosa bisfosfato. El mejoramiento demuchos factores acaso perfeccionaría la capacidad competitiva dela planta. La fijación primaria del (:O2 por 0-carboxilación como en plantas C4 (ver Capítulo 7 , página 188 y Capítulo 15, página 387) parece ser mas eficiente, particularmente a bajas concentracicmes de COZ y luz intensa, que la carboxilación primaria de RuBP de las plantasC3 . Esto capacitaría a las plantas con el ciclo Hatch y Slack para competir exitosamente contra las que no lo poseen, particularmente enagrupacionesdensas y bajo condiciones de intensa iluminación. Dichas condiciones prevalecen en pastizales donde la penetración de luz es buena y en d.reas tropicales, donde la intensidad de laluz y la temperatura son muyaltas. Bajo tales condiciones, la concentración de COZ puedereducirse un poco y la competencia por 61 acaso sea un importante factor para el Bxito de las especiesvegetales. La reduccióndela fotorrespiración en plantas C4 suspende laspBrdidas respiratorias, particularmente a altastemperaturas.Asimismo,las plantas C4 pueden soportar mejor la tensi6n deaguaporquela fotosíntesis continúa acentuadamente en condiciones deapertura estomática reducida,Porlo tanto, es de esperarse que las plantas C4 sean principalmente (si bien no exclusivamente) gramíneas y plantas que habitan o tienen su origen en hábitats tropicales mas secos. Los mecanismos que incrementan la eficiencia son principalmente fisiol6giCOS o bioquímicos. Éstos incluyen tasas de respiración disminuidas, fotorrespiración más baja y acentuada eficiencia de fotosíntesis ante escasa luz o baja concentración de COZ. É&os sesuperponenun poco con los mecanismos mencionados en p h a f o s precedentes pero se relacionan más con la eficiencia en la utilización de materias primas que con la eficiencia de suacu:mulaciÓn. Los valores experimentales respecto a la eficiencia delafotosintesjis varfan ampliamente y hay fundamentos para creer que esta variable pudiera eshr bajo control genético. Por lo tanto pueden existir variedades o especies genéticamente más eficaces que esta-
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COMUNIDADES VEGETALES
rían en ventaja competitiva bajo condiciones de umbría. Demanerasimilar, el grado de acoplamiento entre la tasa de respiraci6n y la necesidad de energíao carga energética(ver Capítulo 5, página 111) parecevariar entre plantas y tejidos. El acoplamiento m& efectivo significaria la eficiencia más alta y el desperdicio m& bajo. Es este factor, no meramente la tasa total del proceso, lo importante para el éxito o fracaso de las plantas o especies en competencia.
LECTURAS ADICIONALES Artículos bajo “Enviromental Physiology” en Annual Reviews of Plant Physiology y libros de texto sobre ecología vegetal. Evans, L.T. (ed.):Environmental Control of Plant Growth. Academic Press, Nueva York. 1963. Kellerman, M.C.: Plunt Geography. Methuen & Co. Ltd., Londres. 1975. Larcher, W.: Physiological Plant Ecology. Springer-Verlag, Berlin. 1975.
Capítulo 30
LASPLANTAS Y EL HOMBRE
INTRODUCCI6N Existen muchos niveles de interaccidn entre las plantas y el hombre en los que los principios fisiol6gicos representan una parte importante. El hombre depende de las plantas paraalimento, vestido, albergue, mantenimiento del ambiente y belleza natural. Pero las plantas y la flora tambibn necesitan del hombre, porque lasactividades humanas usualmente alteran el medio, a men.udo en forma destructiva. En muchas de sus actividadesel efectodel hombre sobre el ambiente no es deliberado, particularmente en las sociedades más primitivas. Sin embargo, a medida que las sociedades evolucionany se desarrollan, los ataques deliberadossobre la vegetación establecida en forma natural llegan a ser cada vez más fuertes. Las acciones destructoras incluyen la explotaci6n o cosecha total de los recursos renovables, tales como las primeras actividades de aprovechamiento forestal en Norteamérica, o la eliminación de gran parte o toda la flora por modificación destructiva del ambiente como la construcción de caminos, los sistemas que conducen a formación de cuencas de polvo, etcétera. Algunossistemasdelascivilizacionesde más alto desarrolloconducena ataques constructivos sobre el ambiente, tal es el ca.m de la agricultura, la modificación de la fisiografia paraadecuarla al crecimiento de plantas (por ejemplo terraplenes, terraceo, irrigación) y la modificación de las plantas mismas por diversos medios. Todas las tkcnicas para lapráctica y mejoramiento del cultivo de plantas han de basarse en un profundo conocimiento de la :tísica del ambiente y de la fisiología de aquéllos. No es esencial, por ejemplo, conocer los mecanismos de resistencia a temperaturas frías con el fin de seleccionar plantas más resistentes, pero si conociéramos los mecanismos exactos podríamos seleccionar con mayor precisión alguna propiedadespecifica, por ahora no fdcilmente manifiesta, que por s i misma o en combinación con otros factores, conferirían la resistencia deseada. IMPACTO DEL H0:MBRE SOBRE EL PAISAJE Ha existido una interminable argumentación filosófica respecto a si los efectos del hombre sobre el ambiente son naturales o no. L o s argumentos como tales aquí son irrelevantes pero amplían la perspectiva sobre el hecho de que el hombre in-
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FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
fluye en las plantas y la flora de maneras muy importantes, volviendo inestables los clímax previamente estables, manteniendo condiciones de inestabilidad, o eliminando por completo lasucesión ecol6gica normal. Muchosdelos efectos del hombre no son intencionales y resultan de otras actividades, pero gran parte del esfuerzo humano se invierte en el cultivo deliberado de plantas por toda clase de motivos, desde la agricultura y la jardinería de paisaje hasta la ingeniería ambiental integrada. En cada situación uno de los factores más importantes sonlas reacciones fisiol6gicas de los organismos bajo cultivo. Los animales reaccionan a sus ambientes principalmente a través de la expresión conductual y de su fisiología básica. Las plantas reaccionan totalmente mediante sus respuestas fisiológicas. Vale la pena, por lo tanto, hacer un breve resumen delas bases fisiológicas sobre las que el hombre y las plantas interactúan.
NIVELES DE INTERACCION. Existen varios niveles de interacción de acuerdo principalmente al grado de civilización o de cultura alcanzado por el hombre. En el nivelmás bajo, en el cual el hombre actúa únicamente como recolector, ocurre escasa interacción porque la intensidad de las actividades humanas es por lo regular muy baja; cuando el desarrollo cultural tiende hacia la cacería, las consecuenciasparalavegetaciónsongeneralmentesecundariasen relación a los cambios causados a la fauna. Por ejemplo, las grandesmanadasdeanimalesquepacen como el búfalo, tienden a mantener un clímax de gramíneas inestable que puede ceder ante el matorral o el bosque si los animales son eliminados.Conforme la caza es reemplazada por el pastoreo se producen cambios de gran amplitud en la vegetación por las prácticas de quema y apacentamiento, lascuales mantienen las Areasen pastizal o pradera que se transformarían, si se abandonan, en un clímax de bosque. Sin embargo, no es sino cuando se alcanza el nivel de agriculturaquese llevan a cabo cambios deliberados y a gran escala sobre la flora. La domesticación de plantas conduce a una fuerte selección de características especializadaspara rendimiento, fortalecimiento, mdtodos de cosecha y otras. Las modificaciones en la estructura, fisiografía y fertilidad del ambiente se efectúan para mejorar las condiciones de crecimiento. Frecuentemente se cultivan poblaciones vegetales puras, lo cual conduce a problemas especiales tales como déficits de ciertos nutrimientos específicos y desarrollo de altas concentraciones de organismos patógenos virulentos. Esto a su vez conduce a modificaciones adicionales de las plantas para abatir sus requerimientos nutricionales y elevar su resistencia a la enfermedad. El estadio final del desarrollo cultural del hombre, industria y urbanización, acentúa la interacción. Ahoralas plantas seven afectadas por contaminación y destrucción del ambiente, y tiene lugar una mayor selección y cultivo de aquéllos para mejorar el paisaje. Se desarrollan plantas altamente especializadas, con hábitos de crecimiento cuidadosamente regulados y máxima resistencia ante las adversidades del medio, paraintegrarlas al paisaje. Gramíneas para cdsped, arbustos omamentales y &boles de sombra, son el resultado de este nivel de interacción. MODIFICACI~N DEL AMBIENTE. Las modificaciones humanas son a menudo drhticas porque la vegetación clímax, al ser estable, retiene y mejora el suelo. Si hay una perturbación, el suelo puede deteriorarse o perderse. Con mucha frecuencia,
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en particular cuando delgadas capas de suelo se emplazan sobre un duro substrato rocoso, el suelo que se daña o se pierde no puede ser reemplazado, acaso por siglos. Como resultado, la fisiografía y aun el clima de una región, pueden modificarse. Un típico ejemplo de esta clase de interacción resulta de varias prácticas de explotación maderera, como se ilustra en la Figura 30-1. Los efectos secundarios de tales actividades incluyen fluctuaciones de mayor amplitud en las condiciones climáticas locales y en la disponibilidad de agua. Cuando el bosque se tala el escurrimiento del aguaesmás rápido y la retención disminuye. Por lo tanto, elnivel de agua en ríos, estanques y heas más bajas llega 11 ser más irregular y numerosas plantas no logran desarrollarse debido a la sobreabundancia o demasiada profundidad en primavera y la insuficiencia en verano. Como consecuencia, la fauna que depende de la flora tambien se ve afectada adversamente. La construcción de presas frecuentemente tilene el mismo efecto, como se muestra en la Figura 3 0 - 2 . Muchas presas se construyen en un intento de rectificar los problemas hidráulicos que conlleva el inapropiado manejo forestal, pero a menudo fracasan debido a la carencia de conocimientos acerca de las condiciones necesarias para el crecimiento exitoso de la vegetacih. La presa que se ilustra en la Figura 30-2 inunda un área de cerca de 200 millas cuadradas de bosque y arbustos en Quebec, Canadá. Ello genera un flujo irregular cleaguade manera que las crecientes deprimavera, con la corriente, le impiden ahora al salmón desovar enel río. Hay demasiada escasez de agua en el verano, por lo que la vegetación acuática ha muerto; como resultado los moluscos han desaparecidoy la rata almizclera que se alimenta de plantas, ya no habita en el área. La flora acdtica original del lago por encima de la presa ha sido eliminada porque la mayor parte del lago es demasiadoprofunda y porquelosniveles fluctuantes de aguala exponen durante el verano a lo largo de los márgenes. Finalmente, incluso el alce que se alimenta de esta vegetaci6n se ha ausentado. Lo que una vez fue una tierra forestal productiva abundante envida silvestre,ahoraes un erialinfelrtil. El control del agua debe llevarse a cabo a través del control de la vegetación plara mantener los suelos forestales, no mediante la construcción de presas y embalses.
MODIFICACI~NPOR LA AGRICULTURA. La agricultilra es la deliberada modificación dela tierra para el crecimiento de plantas útiles. Sinembargo, esto en sí mismo crea problemasdeenfermedades, control deplagas y malezas,rnantenimiento de suelo, fertilidad, etc. Las plantas cultivaldas deseables con frecuencia son incapaces de sustentarse por sí mismas y crecer bien en áreas con los límites normales de su rango geográfico o más allá de ellos, aisí que los programas de genotecnia debenencargarsedemejorarlas y ampliar su rango útil. Los avancesmás grandes en este área se derivan de un mero conocimiento de rasgos fisiológicos que deben seleccionarse y mejorarse por mdtodosgenotécnicos. Esto no siempre resultafAcil u obvio. Se ha trabajado mucho en el desarrollo deplantaspararegiones extremas, por ejemplo, papasparaáreasmontañosas y arroz para climas secos o templados. El alto rendimiento depende principalmente de las tasas de fotosíntesis y fotorrespiración durante el día y la de respiración durante la noche. Por lo tanto, si una región se caracteriza por bajas temperaturas nocturnas, una planta que posea alta fotosíntesis y alta respiracih sería una probable opción, ya que la baja temperatura nocturna compensaría la tendencia a la alta perdida de carbono durante la noche. Sin embargo, no desarrollaría bien en un clima caracterizado por noches cdlidas. De manera similar, una elevada tasa de
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Figura 30-2. Efectos de la construcción de una presa sobre 191 Upper Peribonka River, Quebec. A. Antes de la construcción de la presa. B. Despues de la construcción. (De P. Dansereau: Biogeography. The Ronald Press, Nueva York, 1957. Utilizada con permiso. Figura original cortes í a del Dr. Dansereau.)
fotosintesis bruta no es de mucha utilidad si la fotorrespiraci6n es tambibn alta, porque la productividad neta bajo estas circunstancias serábaja. El agua es costosa y a menudo difícil de obtener, de manera que es deseable tambidnrelacionarlacapacidad de fotosíntesis neta con lacapacidad para obtener y retener el agua. La necesidad de nutrimientos es otro factor que ha de estar en relación con las situaciones de campo. La alta productividad de una línea genética puede ser más que contrarrestada por su acentuada necesidad de fertilizantes o agua. Este es un real problema paralos países en desarrollo, en los que la revolución verde ha incrementado la producción agrícola con cultivos altamente rendidores. Estos cultivos exigen mejores condiciones de crecimiento y niveles de fertilizacih mucho más altos. Por lo tanto, elcosto de mantener la alta productividad puede sobrepujar los beneficios de mayor producción, lo que deja al país en peores condiciones de las que estaba. ADMINISTRACI~N DEL AMBIENTE. La jardinería de paisaje, o ingeniería ambiental en su sentido más amplio, es una forma de agricu1tu.m altamente especializada, y sus problemassonbásicamente los mismos. Solamente el “cultivo” es distinto: limpieza, belleza, mantenimiento de la tierra o abatimiento dela contaminación (un arbolado puede apartar una fábrica con igual eficacia tanto del oído como del ojo y, además, absorbe la contaminación atmosfdrica si las plantas estánfortalecidas). Existe la misma necesidad detolerancia a condiciones extremas; por ejemplo, la tolerancia a la sombra es necesaria en plantas de cesped plantadas bajo los árboles, y la tolerancia a la contaminación industrial y urbana es aún más importante.
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La resistencia a enfermedades está interrelacionada. La resistencia de plantas que viven bajo umbria por largo tiempo o la de las ornamentales, es extremadamente importante y puede estar estrechamente relacionada a niveles de contaminación,
PRODUCTIVIDAD Y AGRICULTURA Existe unabase profundamente fisiológica en los mCtodos agrícolas de mayor la éxito; muchos de ellos se desarrollaron empíricamente, peroeldesarrollode fisiología vegetalha hecho posible el descubrimiento de lasbases científicas de muchas “artes” exitosas, de modo que su utilidad seha extendido considerablemente. Gran parte dela investigación fisiológica sehadirigidodeliberadamente hacia el mejoramiento de la agricultura. Por ejemplo, varios de los primeros fisiólogos rusos trabajaron sobre el metabolismo del nitrógeno de plantas que crecian exitosamente en eriales estériles. Las plantas bajo su estudio no fueron aptas para alimentarse por si mismas, pero ellos esperaban, mediante su estudio, descubrir el secreto decultivarplantasprovechosas en tierras estériles o improductivas. El conocimiento moderno de los mecanismos fisiológicos del crecimient’o y metabolismo puede utilizarseahora en investigación para incrementar la calidad y cantidad de los cultivos y para mejorar lasobrevivencia o ampliar el rangoadaptivo de plantas deseables. Figura 30-3. Mejoramiento del prendimiento (retención) del fruto luego delaaspersiónde auxinas. El árbol enel primer plano se asperj6conácido naftalenacético, elcual impide la caida del fruto hasta la época de la cosecha. El montón grande de manzanas de la derecha consiste de caídas prematuras de árboles no asperjados. (Cortesía del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.)
LAS PLANTAS Y EL HOMBRE
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EL USO DE FACTORES DEL CRECIMIENTO. Muchas t6cnicas agrícolas diferentes se basan en distintos aspectos de la fisiología vegetal. Uno de los más evidentes es la aplicaci6n de factores y hormonas del crecimiento, así como productos químicos sintQticosmodificadores del crecimiento y el desarraollo. Las auxinas y el etileno fueron los primeros compuestos utilizados comercialmente, y los productos químicos de este tipo sehan sometido a tantos usos que enlistarlos a todos sería imposible.Ademásde sususosparaenraizamiento bien conocidos, la inducción de partenocarpia, el mejoramiento del prendimiento del fruto (Figura 30-3) y el raleamiento de frutos para mejorar el rendimiento (Figura 30-4), las auxinas se han utilizado con Qxitopara mejorar la densidad de crecimiento y el rendimiento de muchos cultivos. Una lista parcialde los usos de auxinas se da en la Tabla 30 - 1 . Las giberelinas han sido de amplio uso en agricultura. Uno de los primeros fue la inducción de partenocarpia, que resulta en frutos sin semilla, a menudo de mayor tamaño (Figura 30-5). El aumento de la cosecha y la mejor forma de frutos que forman racimos, como lasuvas,puede obtenerse tratando el racimo con Figura 304. Aclareo mediantesustanciasquímicasparamejorar el prendimiento del fruto en a manzanos "Golden Delicius". Estavariedadtiende a fructificar solamenteenañosalternos, menosqueseanaclareados. El tratamiento con hormonas sinteticas poco despuesde la flora&tos ci6n hace disminuir el número de flores y frutosperoaseguraunacargamásregularde año tras año y un incremento del rendimiento promedio. A. Arbolesasperjados consolución a 250 ppm de Sevin (1-naftilN-metilla carbamato) 15 díasdespuesde floración delaño anterior; han floreado nuevamente este año. Los árbolessin floración no recibieron tratamiento.
B. Arboles asperjados el añoanterior con NAD (naftaleneacetamida)a 34 ppm, 17 díasdespuesde la florac i h , y luego con Sevin a 500 ppm, 22 díasposteriores a lafloración. Los árboles tratados produjeron Los unabuenacosechaesteaño. árboles sin tratamiento, que produjeron abundamentemente el afio anfructificaron este terior, casi no aAo. (Fotografía original cortesía del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, gracias a la amabilidad del Dr. M.W. Williams.)
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
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Tabla 30.1. Algunos usos de auxinas. Uso o prop6sito
Concentracibn (cantidad)
Diversas auxinas naturales y sinteticas
Estimulación enraizade miento de estacas Promocidn de gemaci6n o brotaci6n Control del desprendimiento de las cápsulas del algodonero
100-10,OOO pprn
Espolvoreo o inmersibn
IAA
Prevencibn de la caída de hojas y frutos
10-100 ppm
Inmersión
NAA
Control de la caída de frutos antes de la cosecha
20-100 ppm
Aspersibn precosecha
Ácido 2,3,5-triiodobenzoico
Incremento en el rendimiento de la soja Inducción de formación de flores, incremento en el rendimiento de frutos de tomate
3-4 oz por acre
Aspersión foliar
200 ppm
Aspersibn a plántulas jóvenes
Compuesto
Ácidos N-arilftalámicos
Tratamiento
Auxinas naturales y sintéticas
Aumento en el rendimiento de papas, guisantes, frijoles, betabeles, maíz
1-10 oz por acre
Espolvoreo o aspersión durante el crecimiento
N A A , otras auxinas sintéticas
Control del prendimiento de fruto de muchos frutales
20-200 ppm
Aspersión a inflorescencias
GA, el cualdetermina el alargamiento del racimo y reduce así el apiñamiento (Figura 30-6). Muchos otros empleos de las giberelinas se listan en la Tabla 30-2. Las citocininas se han utilizado, si bien no en forma extensiva, para prolongar la vida de plantas o partes de ellas. Retardadores del crecimiento son útiles a menudo para impedir el crecimiento vegetatívo innecesarioantes de la produccih de semilla en algunas plantas y controlar su tamaño para facilitar la cosecha. Ciertos retardadores, como la hidrazida maleicason útiles para impedir labrotación en cultivos tuberosos como las papas durante el almacenamiento. Otra tkcnica es la inducci6n de poliploidía por agentes tales como la colchicina, lo que resulta en frutos más grandes y abundantes (Figura 30-7). En todas estas aplicaciones es generalmente ventajoso utilizar auxinas sintkticas como dcido naftalenacético, &ido indolbutírico, dcido paraclorofenoxiacético, etc., más quelasquesepresentanen forma natural. Esto se debe a que las enzimas estdn presentes en la mayoría de los tejidosvegetales para la rápida desintoxicación o para la natural destrucción de las auxinas, mientras que lasartificiales no son tan fhcilmente atacadas y por ello persisten y actúan durante más tiempo. Entre los nuevos reguladores de crecimiento de mayor utilidadestá el &ido N, N-dimetil-amino-succinámico(Alar-85 o B-9). Asperjado sobre árboles frutales durante o poco despues dela temporada de floración,mejora considerablemente la calidad del fruto y prolonga la maduración. Tambihn incrementa la facilidad de recolección mecánica del fruto. Algunosde los usos a que ha sido destinado este compuesto químico se enlistan en la Tabla 30-3. Otros nuevos productos que hansufridoampliaspruebasson el clorurode 2-cloroetil-trimetilamonio (CCC o Cycocel) y el ácido 2-cloroetil-fosfónico (Ethrel). El ampliorango de efectos
Figura 30-5. Induccióndepartenocarpiaenmanzanas"Wealthy". El tratamiento con giberelina A4 M) indujoen los frutosdeladerecha un crecimientomayorqueen los de la izquierda, queno se trataron. (Fotografía originalcortesíadel Dr. M.J. Bukovac,Michigan State University. East Lansing, Michigan.)
(lo-'
Figura 30-6.El tratamiento con giberelina 3 semanas antes de Ila floración causó el alargamiento de los pedúnculos florales en las uvas "Zinfandel". Ello reduce la aglomeración en los racimos, facilita la cosecha, y disminuyela posibilidad deputrefaccióinsobrelaplanta.ConcentracicSn de giberelina (izquierda a derecha): O, 10, 100 y 1,000 ppm. 1La concentración m 6 alta ejerció La concentraciónrectomendadaparaestavariedad es claramenteefectosnocivoscolaterales. 10 ppm. (Fotografía original cortesía del Dr. R.J. Weaver, University of California,Davis, Calif.)
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Tabla 30-2. Usos agricolas de las giberelinas. Tratamiento Concentración Uso Cultivos o propósito (cantidad) Cultivos vegetales Dehiscencia uniforme Incremento en producción de semilla
Producción de semilla en lechuga
5-1O ppm o 1-5 g/acre
Aspersión en estadio de 8-12 hojas
Incremento en la longitud del tallo Rendimientos superiores
Apio
25-50 pprn o
2-3 semanas we-cosecha
Reducción de las necesidades de enfriamiento Incremento de rendimientos
Madurez precoz en ruibarbo
Acentuación del desarrollo Cosechas tempranas
Alcachofa globosa
25-50 pprn o 5-10 g/acre
2-3 aspersiones en otoño
Ruptura del letargo Emergencia uniforme del cultivo
Papas para siembra
1/2-1 pprn
Inmersión o aspersión de las "semillas" antes de la siembra
Inducción de masculinidad en flores con gineceo
Producción de semilla 500-1.500 pprn en pepino híbrido
5- 1O gtacre 250-500 ppm Y
AI principio del periodo de inducción de Drecocidad
50-100 ml/corona
Aspersión durante estadio de 2-4 hojas
Cultivos frutales Incremento en tamaño de baya y racimo. Racimos abiertos
Uvas sin semilla "Black Corinth"
2.5-5 ppm
Se asperja una vez poco despues de floracidn
Mejoramiento en tamaño de baya Racimos abiertos
Uvas sin semilla "Thompson"
2.5-20 pprn
Aspersión en plena floración
2 0 4 0 pprn
Aspersión durante prendimiento de fruto (en toda el área húmeda del racimo)
(1 6-48 glacre) Inducción de frutossin semilla
Inmersi6n de racimosantes de floración Inmersi6n en prendimiento de f r u t o
Uvas "Delaware"
Incremento en tamaño de baya Maduracidn apresurada
lnmersibn 2-3 semanas prefloración
Uvas para vino de racimo compacto
1-10ppm según
Retraso senescencia d e cáscara Reducción de problemas de cáscara
Naranjas "Navel"
10 ppm a 500 gallacre
Aspersión conforme se desarrolle el color reauerido
Retraso e n madurez frutos
Limones
Igual que para naranjas "Navel"
Aspereibn previa a la perdida del color verde
Reducción amarillamientos virosos Mejoramiento calidad de frutos
Cerezas "Red Tart"
15-25 pprn
10-15días posteriores a caída de @talos
Racimos abiertos Reducción en putrefacción d e bayas
variedad y 100 gallacre
(Continúa)
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LAS PLANTAS Y EL HOMBRE Tabla 30-2. (Continuación) Uso o propósito
Cultivos
Tratamiento
Concen~traci6n (cantidad) 5-1O PPITI
3 semanas antes de cosecha
Retraso de madurez Prolongación de cosecha Frutos más firmes y grandes Reducción de ruptura de frutos
Cerezas dulces
Mejoramiento en retención de frutos Reducción del periodo improductivo
Peras (ciertas variedades)
10-20 ppm
Aspersi6n durante floracibn o caída de pdtalos
Mejoramiento tamaño frutos Causa retención de frutos con escasas semillas
Arándanos, arándanos agrios, uva con semilla, tomates
10-50 ppm
Aspersibn durante floración o caida de pbtalos
normal
Otros usos y cultivos Incremento de a-amilasa y proteolasa. Mejoramiento en propiedades del malteo
Malteo de cebada
Estimulo del desarrollo temprano primaveral
Grama y cbsped
1 ppm o 1 giton
10-50 pprn o
Afiadir al agua de maceracidn
Aspersi6n durante principios de primavera
2-10 g/acre
-
Mejoramiento de tamaño y longevidad de flores Aceleramiento del desarrollo de tipos arb6reos
Geranio
5-1O ppm
Aspersi6n a botones florales al principio de lacoloracibn Repetir aspersiones a follaje de parte superior
Promoción del crecimiento de tallos Incremento en producci6n de azúcar
Cañaazúcar de
200 ppm
Aplicación adrea en invierno, 3 meses antes de la cosecha
Fuente: S.W. Wittwer: Growth regulants in agriculture. Outlook on agriculture, 6:205-17, 1971. Reproducción con permiso de Imperial Chemical Industries, Limited.
que estas sustancias ejercen sobre varias plantas pueden verse en las Tablas 30-4 y 30-5. Evidentemente, la utilización de agentes sintkticos para controlar el crecimiento y laformade las plantasesunfrentenuevoimportanteentecnología agrícola. Mucha investigacih est4 dedicdndose enestos días a esta rama del manejo de los cultivos. Ungrannúmerode productos est611 probándose en la remota posibilidad que demuestren su utilidad, pero muchos de losmás provechosos estudios sobre los productos que ocurren en forma natural y sus análogos sintéticos se han encauzado por consideraciones fisiológicas. As;pectos raros o interesantes del desarrollo, la sospechosa presencia de nuevos o desconocidos agentesy los conocidos o intuidos efectos de hormonas y compuestos sintéticos, todos han aportado guias para esta importante investigación. El control químico de malezas se ha desarrollado dramáticamente desde el descubrimiento del 2,4-D, el 2,4 -5 -Ty similares auxinas sintkticas. La ampliación del crecimiento de esta dinámica rama de lainvestigacih vegetal est6 indicada por
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Figura 30-7. Aumento en el tamafío de
los racimos co-
mo consecuenca de poliploidía inducida con colchicina en las uvas "Loretto". Izquierda, diploides.Derecha. Tetraploides.(CortesíadelDepartamento de Agricultura de los Estados Unidos.)
el hecho de que una publicación del gobierno canadiense sobre control químico de cizañas enlista más de 200 agentes químicos disponibles en 1974,y una guía de 1977 para insecticidas, herbicidas y fungicidas en los Estados Unidos enlista casi 300 preparaciones. CRONOMETR~A. El valor y la adaptabilidad de un cultivo pueden mejorarse enormemente mediante una selección cuidadosa de la temporada de plantación y cosecha, por razones no obvias desde el punto de vista empírico. Por ejemplo, podría esperarse razonablemente que la siembra temprana de la semilla provea una temprana maduración del cultivo. Sin embargo, un efecto completamente deletéreo puede derivarse de la tempranaexposición a condiciones desfavorables, y la semilla yacente por mucho tiempo en el suelo puede sucumbir ante plagas de insectos u hongos. Un ejemplo más: el forraje para ensilar, cosechado al principio de la temporada posee por lo regular mucho más fructosanas que cuando se cosecha en forma tardía. Elalto contenido de azúcarespromuevela fermentación eficaz del forraje e impide el desarrollo debacterias que causan laproteolisis y la putrefacción, asi que la cosecha temprana asegura un alimento de mejor calidad. Muchasplantasposeenprecisasnecesidades térmicas, diurnas y nocturnas, paraunaproductividad máxima y undesarrollo apropiado, y tales necesidades pueden cambiar en el transcurso del desarrollo de la planta. Por lo tanto, un conocimiento exacto de los requerimientos de la planta y sobre los datos fisiográficos o climáticos de una región permite seleccionar variedadesmásprometedorasen cuanto a mejor crecimiento y producción, asi como a la mejor Bpoca de siembra para el máximo rendimiento. Tales análisis han sido elaborados por el fisiólogo norteamericano F. Went y sus colegas. Algunosdatos de sus experimentos se representan en la Figura 30 -8.
Tabla 30-3. Usos agrlcolas y hortícolas del Bcido N, Ndimetilaminosuccinámico (Alar85 o B-9). Tratamiento Concentracidn Uso Cultivos o prop6sito (cantidad)
1 , ~ - 2 , C ppm O Aspersi6n posfloraci6n.
ReduccMnvigor del BrboldelManzano” dias inducci6n 45-60 de floraci6n lnpedimento de calda prematura del fruto Acentuaci6n de calidad frutal y de la vida en almacenamiento Retraso de floraci6n, incremento en retenci6n del fruto lnducci6n de maduraci6n uniforme Aceleraci6n de maduracibn Aumento de color
que de antes 1,000-2,COppmcosechaselaadelante
4.000 ppm Aplicaci6n (5-15Ib/srre) Durazno*
1 ,ooO-4,000ppm (6 Ib/acre)
AI principio del endureci. miento del hueso
Mejoramiento retenci6n en Uva* de frutos
2.000 PPrn
En floracidn temprana
Cereza en agria” Adelanto de 7 dlas comcha frutal Mejoramiento y mayor uniformidad en color Reduccibn en la aceleraci6n de remoci6n de frutos Incremento en color de paquetes y pasteles congelados
2,000-4,ocX,ppm
2-3 semanas posfloracibn
4 lbI100 gal (6-12 Ib/acre)
Adelanto en madurez la y Cereza dulce* color del fruto Aumento de sdlidos solubles Disminucibn en la aceleraci6n de remoci6n de frutos Aumento en la resistencia a las rupturas
,
en otoiio
1.000-2.0CK)pPm
Dos semanas después de floraci6n
(3-6 Ib/acrd
Aumento de rendimiento Mayores grados de calidad Resistenciaa sequla
Cacahuates
(1-1 1/2 Ibjacre)
Aumento de rendimiento y número de tubérculos
Papas
3,000-6.OOO ppm Aplicación durante formaci6n de tubtirculos
Mejoramientode transplantes Retenci6n concentrada de los frutos Facilitaci6nde cosecha mednica
Tomates
2.500-5.000 ppm Cronometraje variable
Producci6n de plantas atractivas, compactas, verdeoxuras, de floraci6n temprana
Plantas de macizos 2,500-5,OOC~ ppm Aspersi6n (petunia, bocas de drag6n, calhdula, salvia, zinnia)
Estimulaci6n del emplazazamiento rápido de las podas de plantas herbdceas y lefiosas
Ornamentales 1.000-5.000 lnmwsibn PPmmornenthnea de
El cronometraje no cr í t i a
es
a plantas jbvenes
fragmentos de tallo
Fuente: S.W. Wittwer: Growth regulants in agriculture. Ourlook on Agricu/ture, 6:205-17, 1971. Reproducci6n con permiso de Imperial Chemical Industries, Limited. *Autorizado para uso comercial.
736
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCION LAS DE
COMUNIDADES VEGETALES
Tabla 304. Usos actuales y en proyecto para el cloruro 2cloroetiltrimetilamonio (CCC o Cycocel) Tratamiento Concentracibn Uso Cultivos o propósito (cantidad) Acortamiento y vigorizaci6n de la planta Impide el acame Aumento en rendimiento Acentúa crecimiento radical Aumento d e amacollamiento
Trigo, avenas, centeno, en Europa occidental
Plantas vigorosas, compactas y simetricas Floración temprana
Flor de nochebuena Crisantemo, azaleas y otras ornamentales
Resistencia a sequía Resistencia al f r í o Resistencia a la sal
Solas, col, tomate
2,500-5.000 pprn
Aspersión foliar
Estimulante de crecimiento
Bocas de dragón
50-500 ppm
Aspersión foliar
Aumento en prendimiento de frutos
Uva
100-1,000 pprn
Aspersi6n foliar
Mayor tamaño del fruto peso de la baya
O
1 a 1 1/2 Ib/acre trigo de primavera 1 1/2 a 2 Ib/acre trigo de Invierno
Aplicaciones al suelo
Imbibición del suelo
Tomate
Tallos gruesos y compactos adaptados al transplante Floración temprana
Tomate
10-1O0 ppm
Imbibición delsuelo
Incremento en floración, frecuencia de cápsulas, y rendimiento
Algodón
25-50 pprn 5 g/acre
Aspersión foliar 70 días posemergencia
Fuente: S.W. Wittwer: Growth regulants in agriculture, Outlook on Agriculture, 6:205-17. 1971. Reproducción con permiso de Imperial Chemical Industries, Limited.
CONTROL DEL AMBIENTE. Otras tecnicas agrícolas se han diseñado para obtener mayores ventajas de la adaptabilidad fisiológica de las plantas. La aplicación de fertilizantes es un importante ejemplo: debido a factores de costo y contaminación, es deseable reducir las aplicaciones al mínimo. Aquí no sólo importan las cantidades sino un conocimiento del equilibrio de los nutrimentos que se necesitan; un conocimiento completo de las condiciones del sueloes lo conducente parauna utilización más eficaz de los nutrimentos tanto naturales como aplicados. El control del agua es igualmente importante. En áreas de lluvias esparcidas, los análisis cuidadososdeterminan el momento durante la temporada de crecimiento en que aquCllaes indispensable o demáximautilidad en tbrminosderendimiento. En algunas áreas la irrigación est&tan firmemente controlada que la lluvia puede considerarse un perjuicio que daña o arrastra por lavado al suelo. Las películas de plástico se han utilizado ampliamente para controlar la pérdida de agua del suelo, matar las malezas entre las hileras y calentar el suelo en primavera para promover la temprana germinación y el crecimiento de las plantas. Se han logradograndesavancesen la tecnología de invernadero. Esto ha conducido en Norteamérica al desarrollo de instalaciones muyelaboradas para producir cultivos fuera de temporada o frutos y hortalizas que exigen especiales cuidados; y lo más importante es que se han preparadoextensas heas de ambiente
LAS PLANTAS Y EL HOMBRE
737
agrícola modificado a bajo precio para producir alimentos en los países en desarrollo. Muchas comunas agrícolas chinas, por ejemplo, tienen acres de invernaderos sencillos construidos esencialmente a base de fosos o trincheras en el suelo con bajos muros de adobe y cubiertas de vidrio o plástico, como las que se muestran en la Figura 30-9. Siendo subterráneas senecesita poco o ningún calor y las esteras de juncos pueden extenderse con facilidad sobre los techos de vidrio en las noches raramente frías. Enormes cantidades de víveres frescos para las masas populares de China son producidos de esta manera. Su dieta está en marcado contraste con la carencia de hortalizas frescas durante el invierno en países nórdicos peor manejados desde el punto de vista agrícola, como Rusia. Ciertas tecnicas culturales especializadas son a veces ventajosas. Por ejemplo los bejucos como la vid pueden cincharse en el tallo para impedir el descenso del flujo de nutrimientos. Esto incrementa los suministros nutricionales a los frutos y resulta en cosechas d s abundantes. El daño a la cepa radical puede sobrevenir, sin embargo, si el proceso no se controla cuidadosamente. Los cultivos hidropónicos o en arena, a gran escala, han sido factibles bajo condiciones especiales, por ejemplo en el tlrkico, donde la luz puede ser más que adecuada en verano, pero los Tabla 30-5. Usos potenciales del ácido2-cloroetilfosfónico (Ethrel). ~~
Uso o propósito
Concentracibn Cultivos
~~
~~
~~~~~~
~
Tratamiento (cantidad)
Aceleraci6n de maduraci6n
Piña
1-6 Ib/acre
Aspersion foliar
Inducción de maduraci6n uniforme
H¡go
250-500 ppm
AsDersión foliar
Acentuación delcolor Aumento en rendimiento
Tomate
500-1,000 ppm
Aspersión durante el estadio de fruto verde maduro
Aceleración de absición de frutos Facilitamiento de cosecha mecánica
Muchos tipos de frutales arbóreos y arbustivos
500-2,000 ppm
Aspersión precosecha
Inducción de femineidad
Pepino, calabaza y melón
100-250 ppm
Aspersión al principio del estadio de primera hoja verdadera
Inducci6n de absici6n floral Aclaramiento de frutos
Manzano, durazno
100-200ppm
Aspersión 10 días posfloracidn
Inducción de fructificación
Ornamentales
1
Aspersión foliar
Inducci6n de floraci6n uniforme
Pifia, Bromelias
1-6 Ib/acre 1O0 ppm
Aspersión foliar Aspersión foliar
Estímulo para apertura de capullos
Rosal
2,500 ppm
Dos aspersiones sobretallos
PPm
Defoliación precosecha
Viveros
Aspersión foliar
Inducción de produccidn de bulbos
Cebolla
Aspersi6n durante desarrollo temprano
Reducciónde incidencia y severidad del acame Incremento de macollaje
Cereales (trigo, cebada, avenas, arroz, centeno), guisantes
1-2 Ib/acre
Aspersión sobre cultivo joven
Fuente: S.W. Wittwer: Growth reulants in agriculture. Outlook on Aigriculrure, 6:205-17. 1971. Reproducci6n con permiso del Imperial Chemical Industries,Limited.
738
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES Chile pimiento Tomate
Amapola de California
Edad, meses
Oxnard, clima costero Indio, desierto a baja elevación Riverside, valles interiores Pomona, valles intermedios Barstow, desierto a mediana elevación
Figura 30-8. Las temperaturasnocturnas6ptimasdevariosestadiosenlavidade se danmediantelascurvasdeldiagramasuperior. Las curvas tresplantasanuales en el diagrama inferior muestran los promedios de temperaturas nocturnas durante California. Adecuando las curvas de la parte 1950 y 1951 de cuatro localidades en de arriba con las de la parte de abajo es posible determinar el momento 6ptimo para la siembra de esas especies. Las curvas adecuadas al diagrama inferior corresponden al (a) chile pimiento y (b) amapola de California.(De F.W. Went: El clima y la agricultura. En J. Janick, R.W. Schery, F.W. Woods y V.W. Ruttan (eds.): Plant Agriculture. W.H. Freeman 81 Co., San Francisco, 1970. Utilizada con permiso.)
periodos libres de heladassondemasiadobreves y el climademasiadovariable para el cultivo exitoso a la intemperie. Allí el costo de la tCcnica llega a ser relativamente de menor importancia en comparación con los costos de transportación aérea de hortalizasfrescas.Demanera similar, con el método deinvernaderoes posible incrementar la floración y cronometrarla con exactitud para ocasiones
LAS PLANTAS Y EL HOMBRE
739
especiales mediante la manipulación apropiada de la longitud del día. Tales tdcnicas son ahora ampliamente utilizadas en horticultulra. Todos estos mdtodos, a sí como las prácticas de rotación de cultivos, aplicación de abono verde con arado, fertilizaci6n selectiva, etc., se basan en conceptos de fisiologia vegetal aplicados alas necesidades de laagricultura.
IJn reciente y muy interesante artículo científico con este título escrito por un equipo de investigadoresagrícolas y fisiólogos vegetalesdirigidospor E. Lemon enlaUniversidaddeCornel1(ver Lecturas Adicionales, página 745) destaca la importancia de la fisiología vegetal así como la tecnología computacional en la agricultura. Lemon y sus colegas han creado un modelosuelo-planta-atmósfera (MSPA.), el cual está diseñadopara “1) Definir a escala de superficie foliar enuna plantación, dequémaneracada hoja (y la superficie del suelo) responde a un clima dado e inmediato; 2) determinar, sobre bases meteorológicas, la naturaleza de ese clima; 3) predecir las ressumar, capa foliar tras capa puestas específicas de hoja y suelo a ese clima, y foliar (y superficie de suelo), las respuestasde toda‘La plantación”. L o s componentes esenciales del modelo se muestran en la Figura 30-10, junto con sus predicciones. El diagrama de flujo del modelo se muestra en la Figura 30-11. Si bien un modelo como el MSPA tiene limitaciones en su utilidad actual (principalmente por limitaciones denuestro cono’cimiento del comportamiento de las plantas, es decir, por limitaciones en acopio e introducción de datos), puede no obstante, suministrar una sorprendente cantidad de información acerca de un cultivo y su relación con el ambiente. A partir de variosrasgosfoliares y dela comunidad, a s í como del clima externo, el modelo puede predecir el microclima en una comunidad, en la hoja y en la superficie del suelo. Tambidn puede predecir la actividad de las hojas y la comunidad vegetal en procesos tales como fotosintesis, respiraci6n, evaporación,transpiracióne intercambio de calor. Tales modelos pueden utilizarse, con cautela, como poderosas herramientas para ayudar al hombre a ordenar sus prioridades de los rasgos de la comunidad vegetal para cualquier resultado que desee, trátese de produccih, naturaleza y conservación del agua, modificación del clima, o disfrute estdtico.
“EL TRABAJO DEL SOL EN UN CAMPO DE MAIz”.
1 4 )
ADAPTACI6N Y DESARROLLO DE PLANTAS PARA NECESIDADES ESPECIALES La selección o formación de nuevas variedades de plantas para adecuarlas acondición o propósitos especiales es principalmente un problema genético. Sin embargo, es preciso, antes de intentar la cirugía genética, colnocer con precisión lo que se necesita. En algunos casos, esto no es difícil, por ejemplo, las plantas deornato necesitan ser tan vigorosas como sea posible, además de ornamentales. En otros casos esto no es tan fácil. Puede pensarseinicialmente que la productividad de una planta sea una combinación de su capacidad para fotosíntesis, fotorrespiración y respiración oscura. Sin embargo, no basta intentar solamente el incremento de la primera y la disminución de las otras dos. Una planta de frijol con alta fotosíntesis y baja respiración que produce mucho follaje y escaso fruto no ofrece ninguna ventaja. A veces se requieren productos especiales de las plantas, tales como alcaloides, narcóticos, u otras drogas y sustancias químicas. Como ejemplo: muchas pro-
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
740
I
A
Figura 30-9
-+
LAS PLANTAS Y EL HOMBRE
Figura 30-9. Producci6nagrícola eninvernaderosenuna comuna pr6xima a Pekín, China (A) y (B) muestraninvernaderossencillos y debajo costo, parcialmentesubterrdneos y con cubiertas de junco contra las noches frías. (C).El jefedelComitb Revolucionario delacomunademuestra la alta calidad de la producci6n agrícola de los i'nvernaderos a la esposa del autor.
teínas vegetales son deficientes en el aminoácido lisina, esencial para el desarrollo deanimales. Se han producido líneas genéticas especiales o mutantes de trigo y maíz que poseen un contenido delisinasuperiora:\normal. Esto aumenta enormemente su valor alimenticio. En muchos casos, la producciónde compuestos necesarios puede mejorarse medianteun ajuste de condicionesde maneraespecífica para afectar el equilibrio fisiológico de la planta. Porejemplo, glutaminay asparagina se producen comercialmente suministrando 14CQ a las hojas enla luz. Los rendimientos pueden incrementarse considerablementepo:r la adición de sales de amonio al fluido de cultivo foliar y ajustando la duraciónde los periodos de luzy oscuridad. Parece probable que muchas propiedades de las plantas de mayor provecho comercial pueden mejorarse mediante selección del m6todo cultural apropiado, a fin de afectar su fisiologfa en la forma requerida. Unma investigación útil podría encaminarse hacia cualidades tales como resistencia o (estructurade fibras (lino, madera), contenido de aceite de semillas como lino, cacahuate, girasol o soja, aceites esenciales saborizantes como los de menta, o bien abatir la producción de compuestos tóxicos (como las cumarinas deltrébol que produce el venenoso dicoumarol, causante de la enfermedad del trébol dulce en el ganado. En estos días se escucha mucho acerca de la crisis energ6tica. La mayoría de la gente no seda cuenta que del 40 al 90% dela energía alimenticia procedente
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCI6N DE LAS COMUNIDADES VEGETALES
742
Angulo del so1
Velocidad del viento Concentraci6n de COZ Concentraci6n de vaoor de HqO I
Fotosíntesis-luz
p
I
Submodelos del cultivo Pronóstico cultivo de
1
Estructura del cultivo (bngulo follar y distribución da área)
Fuente-vertedero Flujo Respiración-temperatura
zpJ
Distribuci6n de la luz
Distribución del viento
Resistencia de estomas U
Transferencia hoja-aire
Magnitud de difusión vertical
Modelo de humedad del suelo Modelo de COZ Balance de energía: Rn-H-LEAP-S*
Figura 30-10. ResumenesquemhticodeunmodelomatemAticosuelo-planta-atmifera (MSPA) se necesitan,submodelos,asícomoprediccionesdiurnas queofrecedatosdeingresosque representativasdel clima y actividadde la comunidad (es decir, intercambiodevapordeagua y di6xido de carbono). Abreviaturas: altura (z),viento (u),luz (Lt),concentraci6n de di6xido de carbono (C),vapor de agua (e), temperaturadelaire ( T O ) , presibndevaporsuperficial (es), humedad superficial del SM (71, fotosíntesis (P), respiración ( R ) , temperatura foliar (T), suelo o potencial deagua resistencia estomhtica (rJ, Area superficial foliar (F), magnitud de difusi6n vertical (K), radiaci6n neta (Rn), calor perceptible (HI,calorlatente (LE),equivalentedeenergía fotoquímica (hP),y almacenamiento de calor del suelo (S). (De E. Lemon, D.W. Stewart y R.W. Shawcroft: The sun‘s work in a cornfield. Science, 174:371-378 (1971). Copyright 1971 por la American Association for the Advancement of Science. Utilizada con permiso.)
de la agricultura (plantas o animales de granja) se deriva del petróleo, no del sol. El petróleo se necesita para mover tractores y maquinaria de granja, producir energía para elaborar fertilizantes, para cosecha, almacenamiento, preparación,embalaje y distribución de alimentos. Hay que poner en el futuro una confianza mucho mayor en el sol, ímica fuente de energía libre. M.Calvin, famoso por su trabajo sobre fotosíntesis, recientemente sugirió cultivar como plantas alimenticias las especies que producen grandes cantidadesde aceites, terpenos o sustancias químicas, de l a s cuales pueden extraerse ftlcilmente compuestos orgánicos industrialeso combustibles. J. Levitt, muy conocido por sus trabajos sobre la tensión en las plantas, ha sugerido construir pequeñas estufas en las granjas para convertir las enormes cantidades de desperdiciosagrícolas y plantas inútiles en coque para combustible. Ciertamente, con estos m&odos, podrían lograrse “cultivos de combustibles” de plantas o regiones de otra forma inútiles para la agricultura para producir energía de manera directa y a bajo costo.
743
LAS PLANTAS Y EL HOMBRE MSPA Caracter isticas del cultivo
I
Caracterlsticas de lindero
1 Submodelo de distribuci6n de luz
1 Estimaciones iniciales, temperatura del aire, vapor de agua, COZ, temperatura foliar
Submodelo de radiacibn neta
I
L-J---" Submodelo de intercambio de viento y turbulencia
Balance de energía cálculo foliar, de temperaturas foliares
t Submodelo d d
I I '
I de
algebraicas
I
fuentes,
de aire, presibn de vapor, concentraci6n de COZ
+
Submodelo de fotosíntesis
1
fuentes y vertederos
Producci6n total
Periodo siguiente
Detención
Figura 30-11. El procedimientogeneraldel MSPA, presentadoenformadediagrama de flujo. (De E. Lemon, D.W. Stewart y R.W. Shawcroft: The sun'swork a cornfield, Science, 174:371-378 (1971). Copyright 1971porlaAmericanAssociationforthe Advancement of Science. Utilizada con permiso. Fotografía originalcortesíadel Dr. Lemon.)
744
FISIOLOGfA Y DISTRIBUCIdN DE
LAS COMUNIDADES VEGETALES
LAS PLANTAS Y LA CONTAMINACI~N La contaminación es fundamentalmente un problema de origen humano que daña las plantas (verCapítulo 28). Sin embargo, delhecho de que las plantas son dañadas por la contaminación se infiere que lcs contaminantes mismos deben interactuar con las plantas y por lo tanto, consumirse en el proceso. Dicho en otros términos, las plantas pueden sereficaces absorbentesde contaminantesatmosf4ficos, siempre y cuando el nivel de contaminación no sea lo bastante alto para matarlas o lesionarlas severamente. Este hecho se ha demostrado mediante experimentos similares a los experimentos de fotosíntesis con 14CQ, en los que se les ha permitido a las plantas absorber sustancias tales como monóxido de carbono, dióxido de azufre y ozono, en cdmaras cerradas. Las contaminantes sólo se absorben cuando los estomas están abiertos; cuando permanecen cerrados (como consecuencia de agua escasa, oscuridad, o abundante di6xido de carbono), la absorción de contaminantes se interrumpe. Debido a que la absorción continúa durante considerables periodosde tiempo, debe concluirse que los contaminantes son metabolizados. Con excepción de algunos de ellos que son orgánicos, poco se sabe aún acerca de las vías metabólicas o los vertederos finales de los contaminantes que se absorben. El ozono probablemente es convertido en oxígeno. Se sabe que el monóxido de carbono es metabolizado activamente por microorganismos y plantas al ingresar a las vías C1,y el dióxido de azufre probablemente se utiliza como sulfato en el metabolismo del azufre normal de la planta. Este último punto se apoya en el hecho de que es difícil -si no imposible- cultivar plantas que muestren síntomas típicos de deficiencia de azufre en grandes ciudades industriales. Evidentemente obtienen todo el azufre que necesitan de la atmósfera. Una consecuencia de la absorción de contaminantes por las plantas es que éstas purifican la atmósfera. De hecho, probablemente las plantas sean de tremenda importancia al reducir la contaminación abrea. La concentración de ozono en Los Angeles, donde la contaminación por esta sustancia es muy severa, disminuye desde más de 150 ppb (partes por billón) hasta menos de 30 ppb, a unas 50 millas de distancia en favor del viento. El ecólogo norteamericano Pa.Waggoner ha calculado que una gran parte de esta disminución se debe a la absorción foliar por la vegetación en los sistemas interyacentes y llegó a la conclusión de quela vegetación que sobrevive a la contaminación realmente puede desempeñar un papel importante en el mejoramiento de un ambiente de contaminaciones. EL PAPEL DEL FISI~LOGOVEGETAL
Actualmente la población del mundo se incrementa casi sin control. Sólo un porcentaje muy bajo de la actual población mundial se est6 alimentando a un nivel mucho más que satisfactorio. Parece inevitable que deba ser de la más alta prioridad la tarea de producir y procesar alimento para el mundo en el futuro cercano. Las sobreproducciones del momento en ciertas área de la tierra más afortunadas son fenómenos locales. Se espera que los factores que conducen a la sobreproducción, tales como los problemas de distribución y la economía de demanda, sean resueltos. Luego todos los recursos tecnológicos y científicos del mundo deben aplicarse a los problemas de producción y productividad. La agriculturallegará
Y
LAS PLANTAS
EL HOMBRE
745
inevitablemente a industrializarse y, mediante una centralización de apoyos y dirección, requerirá y utilizar&un número mayor de tecnólogos expertos y científicos básicos, muchos de los cuales deben ser fisiólogos vegetales. Además, la ingeniería ambiental en todos sus aspectos: embellecimiento, creación y mantenimiento deparques y áreasrecreativas,depuraciónde aguas negras y desperdicios, regeneraciónambiental, sociología humana y psiquiatría en relación al medio ambiente, demanda ciencia básica y tecnología. Los fisiólogos vegetales se necesitarán en todos los niveles, como tecnólogos, ingenieros, expertos, innovadores, en agricultura y ciencias ambientales. Inevitablemente, los fisiólogos vegetales tambihn deben continuar procurando comprender más a fondo la forma en que trabaja la planta, prosiguiendo en la investigación científica. En consecuencia, la enseñanza y práctica de la fisiología vegetal ocuparánen el futuro un sitio valioso y seguro.
LECTURAS ADICIONALES Dansereau, P.: Biogeogmphy. The TonaldPress Co., Nueva Y'ork, 1957. Evans, L.T. (ed.): Crop Physiology.Cambridge University Press, Nueva York. 1975. Furon, R.: The Problem of Water - A World Study. American Elsevier Publishing Co., Inc. Nueva York. 1967. Janick, J., R., W. Schery, F.W. Woods y V.W. Ruttan: Plant Science. W.H. Freeman & Co., San Francisco, 1974. Lemon, E., D.W. Stewart, y R.W. Shawcroft: TheSun's work in a cornfield.Science, 174:371-78 (Oct. 22,1971). Milthorpe, F.L. y J. Moorby: An Introduction toCrop Physiology. Cambridge University Press, Nueva York, 1974. Page, B.G., y W.T. Thomson: The Insecticide, Herbicide, Fungicide Quick Guide, Thomson Publications, Fresno, Calif. 1976. Scientific American Books: The Biosphere (1970);Man and the Ecosphere (1971).W.H. Freeman & Co., San Francisco. Weaver, R.J.: Plant GrowthSubstances inAgriculture. W.H. Freeman& Co., SanFrancisco, 1972. Wittwer, S.H. : Growth regulonts in agriculture. Outlook onAgriculture, 6: 205-17 (1 97 1).
Índice de autores
Abeles, M.B. (etileno), 625 Abelson, P.H. (metabolismo de aminoácidos),
223
Berlin, JD. (movimiento del agua), 301, Berry, J.A. (fotorrespiración), 382 Beschel, R. (líquenes), 679 Biddulph, O. (transporte), 332, 333,
302
340, Addicott, A.B. (abscisión), 594 345 Addicott, F.T. (ABA), 426, 571, 598; (abscisión), 595 Bidwell, G. (líquenes), 679 Ahmadjian, V. (simbiosis), 678, 681, 684Bidwell, R.G.S. (apertura de yemas), 553; (compartimentalización), 567; Alford, D.K.(nutación), 504 (estimulación auxínica de la fotosíntesis), Allard, H.A. (fotoperiodo), 512 565;(estimulación auxínica del Ammirato, P.V. (embriogénesis), 622 transporte), 566;(fotorrespiración), 379, Anderson, D.B. (movimiento del agua), 303 (fotosíntesis), 201, 202; 381, 38'6; Anderson, J.M. (fotosíntesis), 174 (fotosíntesis en algas), 645;(metabolismo Anderssen, F.G. (savia vascular), 329 del nitrbgeno), 244 Andreae, W.A. (conjugación del IAA), 646 Bieleski, R . L . (crecimiento), 438 Armstrong, D. J. (acción auxínica), 606; Bjorkman, O. (fotosíntesis C4), 394, 395 (citocininas), 555 Arnett, R.H., Jr. (botánica), 76-84, 87-90 Black, C.C. (anatomía de la hoja); 190; (CAM), 197;(estructura del cloroplasto), Arney, S.E. (respiración), 144 195;(fotosíntesis), 406;(fotosíntesis Arnold, W. (fotosíntesis), 159 C4, COZ,metabolismo), 196, 205 Arnon, D.I. (exigencia de cloro), 287; (fotosíntesis), 161;(nutrientes esenciales), Black, M. (germinación de la semilla), 577; 275 (germinación y letargo), 458 Aronoff, S. (transporte por floema), 348 Blackman, F.F. (difusión de los gases), 354; Ashby, E. (heterofilia), 478 (fotosíntesis), 159-160 Atsatt, P.R. (sistema de defensa), 684 Blinks, L.R. (fotosíntesis), 168 Audus, L.J. (geotropismo), 484 Bohning, R.H. (movimiento del agua), 303 Bollard, E.G. (parasitismo), 716 Baker, D.A. (transporte de iones), 325 Bolter, D.(síntesis de proteínas), 244 Bal, A.K. (citología), 52 Boney, A.D. (algas), 565 Barker, W.G. (desarrollo floral), 481 Bonner, J. (bioquímica), 262;(citología), 50; Barlow, P.W. (geotropismo), 486 (fotoperiodo), 515;(respiración), 150, Barnett, N.M.(acción auxínica), 605 155 Bassham, J.A. (fotosíntesis), 182, 184, 205Bonner, W.1). (respiración), 150, 156 Bebee, G. (iniciación de raíz), 434 Bormann, F.H. (injertos de raíz), 639 Beevers, H. (movilización de las grasas), 457; Borodin, I.P. (producción cíclica de (respiración), 135, 156 proteínas.), 234 Bendall, F. (fotosíntesis), 161 Borthwick, 1'I.A. (fitocromo), 516, 518-20, Benson, A.A. (grasasen plantas marinas), 652 524
748 Bose, J.C. (transmisión del estímulo), 502 Bouck, B. (polaridad), 431 Bowling, D.J.F. (absorción de iones), 325 Boyer, T.C. (deficiencia de cloro), 287 Bradbeer, W.J. (letargo), 579 Brauner, L. (geotropismo), 488 Braungart, D.C. (botánica), 76-84, 87-90 Bretz, C.F. (crecimiento), 470 Briggs, G.E. (electrolitos), 325 Briggs, W.R. (crecimiento), 470;(fitocromo), 523, 547; (fototropismo), 489 Broeshart, H. (nutrición), 272; (sistema suelo-planta), 292 Bronk, J.R. (bioquímica), 34 Brotherton, T . (transporte), 328 Brown, C.L. (morfología del árbol), 640 Brown, H.T. (difusión a través de estomas), 354-56 Brown, R.W. (movimiento del agua), 306 Broyer, T.C. (absorción del agua), 296, (requerimiento de CI), 287; (transporte activo), 317 Bruisma, J. (fototropismo), 491 Brumfield, R.T. (morfogénesis), 465 Bulcovac, M.,J. (partenocarpia en manzano), 731 Büning, E. (ritmo circadiano), 537 Burbano, J.L. (movimiento del agua), 301 Burg, A.E. (etileno), 620 Burg, S.P. (etileno), 602, 620 Burns, R.C.(fijación del nitrógeno), 213, 244 Burris, R.H. (CAM), 197; (fotosíntesis), 406; (fotosíntesis C4), 196, 205 Burstrom, H.(transporte activo), 318 Butler, W. (fotoperiodo), 519, 521 Calvin, M. (fotosíntesis), 161, 177, 182, 184, 205; (plantas oleaginosas), 742 Campbell, E. (movimiento del agua), 306 Camus, C . (diferenciación), 474 Canny, M.J. (transporte) 340; (transporte por el floema), 348 Cardini, C.E. (síntesis de sacarosa), 198 Carnahan, J.E. (fijación del nitrógeno), 211 Catsky, J. (fotosíntesis), 406 Chadwick, A . V . (etileno), 602 Chailakhyan, M.K. (antesina), 534, 535; (estimulación floral), 534, 535; (termoperiodo), 513, 516, 517;(floración) 527, 547, 615; (vernalización) 544 Chapman, H.D. (deficiencia nutricional), 292 Cherry, J.H.(citocininas),618;(senescencia), 592 Chibnall, A.C. (metabolismo de proteínas), 244; (senescencia), 592 Childers, N.F. (nutrición), 279 Cholodny, N.K.(antesina), 534; (geotropismo), 486
fNDICE DE AUTORES Chupp, C. (agallas), 665; (enfermedad) 671 Cleland, R.E. (desarrollo), 438; (efecto del IAA), 604,605 Clowes, 7.A.L. (citología), 49, 50, 55, 7 4 ; (morfogénesis), 465, 466 Collander, R. (permeabilidad), 310 Cooper, J.P. (fotosíntesis), 406 Cooper, W.C. (iniciación de raíz), 434 Cordes, E.H. (bioquímica), 104 Cori, C. (síntesis del almidón), 246 Cote, W.A. (estructura dela madera), 639 Crafts, A.S. (transporte), 327; (transporte por floema), 348 Craig, W.R. (desarrollo floral), 481 Craigie, J.S. (respuesta osmótica), 650 Crane, J.C. (fitohormona), 458 Cresswell, M.M. (crecimiento), 438 Crisp, C.E. (transporte por el floema), 348 Cronquist, A. (geografía vegetal), 708-10 Cumming, B.G. (ritmos), 541, 547 Curtis, O . F. (transporte), 341 Cutting, C.V. (metabolismo del nitrógeno), 249 Dainty, J . (transporte de iones), 326; (transporte por el floema) 348 Daniel, T.W. (movimiento del agua), 306 Danielli, J.F. (estructura de la membrana), 51 Dansereau, P.(biogeografía), 726, 727, 745; (distribución de plantas) 714-16 Darwin, C. (fitohormonas), 421; (nutación), 505; (potencial de acción),503 Datta, A. (cit.ocinina), 6 1 8 Davies, P.J. (auxina), 625; (citocinina), 617; (desarrollo), 438; (letargo), 574, 575 Davis, L.A. (abscisión), 595 Davson, H. (estructura de la membrana), 51 Dawson, E.Y. (biología marina), 565 De la Fuente, R.K. (abscisión), 596, 597; (fototropismo), 490; (geotropismo), 488 De Saussure, N.T. (fotosíntesis), 159 Devlin, R.N. (respiración), 146 De Vries, H. (transporte), 341 Dixon, H. (cohesión del agua), 303 Donaldson, L.A. (anatomía de la hoja), 190 Donnan, F.G. (equilibrio de Donnan), 313-14 Dorr, I. (infestación de cúscula), 670 Downes, R.J. (crecimiento), 505 Dumbroff, E.B. (absorción del agua), 298 Durzan, D.J. (metabolismo del nitrógeno), 244 Eagles, C.F. (letargo), 575 Eames, A.J. (estomas), 350, 351 Ehleringer, J. (fotosíntesis Cq ), 394 Ehrlich, P.R. (alcaloides), 243 Eidt, D.C. (letargo), 571 El-Antably, H.M. (letargo), 572
fNDICE DE AUTORES Ellis, R.J. (síntesis proteica),244 Emerson, R. (efecto Emerson), 167; (fotosíntesis), 160, 168; Engelbrecht, L. E. (citocininas), 564, 613; (senescencia) 591, 615 Epstein, E. (absorción de iones), 324; (nutrición mineral), 292 Esashi, Y. (etileno), 515; (germinación), 511-13; (letargo) 580-81, 583,586 Esau, K. (anatomía), 91 Escombe, F. (difusión através de los estomas), 354 Etherton, B. (transporte activo), 319 Evans, G.C. (crecimiento), 438 Evans, L.T. (ambiente), 722;(fisiología de cultivos), 745; (fitocromo), 524; (inducción floral),547 ;(transporte del estímulo floral), 529 Evans, M.L. (hormonas), 625 Evans, W.H. (GA), 612 Fawcett, C.H. (fitohormonas), 482 Feierabend, J. (efecto dela citocinina), 616 Fensom, D.S. (transporte), 341, 343 Ferguson, A.R. (crecimiento), 438 Field, P. (movilización de nutrientes), 556, 557 Fisher, D.B. (anatomla del floema), 337 Fletcher, R.A. (senescencia), 590, 592 Flint, L.H. (fotoperiodo), 518 Folkes, B.F. (respiración), 143 Forrester, M.L. (respiración), 148 Forward, D.F. (respiración), 156 Foster, G.N. (anatomía), 85 Foster, R.J. (transporte activo), 319 Fox, J.E. (citocinina), 617 Franke, W.W. (envoltura nuclear), 74 Fratianne, C.D. (estímulo floral), 531 Fried, M. (nutrición), 272; (sistema suelo-planta), 292 Fujino, M. (estomas), 363 Furon, R.(agua), 745 Galston, A.W. (citocinina), 617; (desarrollo), 438; (letargo) 573-75; (nictinastia), 499; (pulvinus), 499 Gardner, G. (enlace hormonal), 625 Garner, W.W. (fotoperiodo), 512 Gauch, H.G. (nutrición), 292 Gibbs, M. (fotosíntesis), 205 Glaziou, K.T. (acción de la auxina), 606 Gleason, H.A. (geografía vegetal), 708-11 Goddard, D.R. (respiración en árboles), 637 Goebel, K. (dominancia apical), 561 Goldsmith, M.H.M. (transporte de la auxina), 505,625 Good, N.E. (fosforilación fotosintética), 176 Goodman, R.N. (enfermedad), 671
749 Goodwin, R.H. (respiración en árboles), 637 Gordon, J.C. (nutrición con carbono), 552 Gorham, P.R. (transporte por el floema), 348 Govindjee (fotosíntesis), 205 Graham, C.F. (desarrollo), 438 Grant, B.F. (cloroplasto), 60 Green, T.G.A. (simbiosis), 680 Gregory, F.G. (producción cíclica de proteínas), 234, 235;(vernalización), 542, 543 Gregory, R.P.F. (fotosíntesis), 205 Greyson, R.I. (desarrollo de la flor), 481 Gunckel, J.E. (morfogénesis), 463, 464 Haberlandt, G. (embriogénesis), 450; (totipotencialidad), 428 Hager, A. (geotropismo), 488 Halaban, R. (nictinastia), 501 Haldane, ,I.B.S. (evolución), 204 Hales, S. (fotosíntesis), 159 Hall, J.L. (transporte de iones), 325 Hall, R.H. (citocininas), 625; (interacción hormonal), 622 Halperin, W. (embriogénesis), 451; (morfogénesis), 438 Hamner, K.C. (inducción floral), 537, 539; (fotoperiodo), 513; (ritmos), 541 Handler, P. (biología), 8 Hansel, H. (termoperiodo), 543 Hansen, E. (fisiología del fruto), 458 Hanson, A.D. (senescencia), 593 Hardy, R.W.F. (fijación del nitrógeno), 213, 244 Hartmann, K.M.(fitocromo), 524 Hartt, C.E. (fotosíntesis C4), 189 Hassid, W. (síntesis de celulosa), 246 Hatch, M.D. (fotosíntesis), 205, 406; (fotosíntesis C4), 189 Hattersley, P.W. (RuBPcasa), 192, 193 Haug, A. (,alginate), 651 Haupt, W. (fitocromo), 522 Hawker, L.E. (geotropismo), 485 Haxo, F.T. (fotosíntesis), 168 Heath, O.V.S. (estomas), 365, 374 Heber, U.(fortalecimiento ala congelación), 696; (resistencia a la helada), 696 Heinz, D.E. (abscisión), 595 Hellebust,
