Hormonas en plantas

Como vimos en clases anteriores la planta tiene la capacidad de percibir distintos factores
bióticos    (patógenos,    virus,  bacterias,  hongos,  etc.)  y  abióticos  (humedad,  temperatura,
exceso o falta de agua, frio extremo, concentraciones de gases, etc.).  
Revisaremos  como  las  fitohormonas,  (hormonas  de  plantas,  para  diferenciarlas  de
hormonas  convencionales  en  animales),  o  reguladores  de  crecimiento  participan  en  la
respuesta  a  estos  factores  bióticos  y  abióticos  para  la    regulación  del  crecimiento  y
desarrollo.
El efecto de la polinización en dos ecotipos de Arabidosis thaliana:
En dos ecotipos de  Arabidopsis thaliana, polinizada y no polinizada se observa  efecto de
la polinización. El fruto de arabidopsis en una silicua (Fruto simple, seco, abridero, cuyas
semillas se hallan alternativamente adheridas a las dos suturas). Cuando este fruto no ha
sido polinizado se observa  un pequeño crecimiento del ovario.  En cambio cuando esta
polinizado  hay  un  gran  crecimiento    y  desarrollo  del  fruto,  esto  para  ambas  plantas.  
¿Quien es responsable del crecimiento del fruto post-polinización?. Se  evaluó el efecto que
podría tener la polinización en el desarrollo del fruto. Se utilizaron frutos no polinizados y
se les agrego  distintas concentraciones de fitohormonas (auxinas, citoquinina y giberelina)
y  se  observo    que  algunos  tipos  de  auxinas  incrementaban  el  desarrollo  del  fruto  no
polinizado a cierta concentración. Lo mismo ocurría en el otro ecotipo.
 A  continuación  una  citoquinina  (benzil  adenina)  a  una  concentración  baja  o  intermedia,
estimula  el  crecimiento  del  fruto  y  en  cambio  a  una  concentración  alta  produce  la
malformación y la muerte del fruto.  Esto es para ilustrar que hay una segunda fitohormona
que participa en el crecimiento del fruto y cuando sus concentraciones son elevadas, puede
no estimular, sino que hacer el efecto contrario, inhibir el crecimiento y provocar la muerte
del  tejido  frutal.    Por  otro  lado,  la  giberelina,  que  es  el  ejemplo  que  ilustra  mejor  el
crecimiento del fruto normal, a concentraciones pequeñas o altas produce el crecimiento
del  fruto  parecido  al    del  fruto  no  polinizado.  Este  ejemplo  muestra  como  distintas
hormonas participan en el crecimiento de un órgano, en este caso, el fruto.  Algo parecido
encontraríamos si  hiciéramos esto mismo para el crecimiento de raíces, tallo, de hojas, etc.
 Lo  segundo  que  aquí  se  observa,  es  que  ninguna  de  las  tres  hormonas,  de  manera
individual  reemplaza  el  efecto  de  la  polinización.  Posiblemente  el  efecto  combinado  o
sinérgico de algunas de ellas lo haría.
Estas hormonas actúan bajo una concentración (en µg/L)   especifica, y cuando están
presentes a una concentración menor, o mayor, a lo requerida por la planta, se consiguen
efectos  distintos a los esperados en condiciones normales como  malformaciones  y falta de
crecimiento.  
Abreviaciones:
IAA: acido indolacetico (la auxina mas abundante que existe)
NAA: acido naftalenacetico (se usa de manera comercial para inducir alargamiento en
estacas)
BA: benzil adenina (citoquinina)
GA3: una de las 50 representantes del grupo de las giberelinas.
Tipos de reguladores del crecimiento o fitohormonas.
En plantas se ha definido dos grandes grupos: hormonas convencionales y hormonas no
convencionales. Esta es una clasificación histórica. Las hormonas: giberelina, acido
abscisico, auxina y etileno se han considerado como hormonas convencionales porque
fueron las primeras que se encontraron y con ellas se explica gran parte de los procesos  de
crecimiento y desarrollo de las plantas.   Se les ha denominado hormonas no
convencionales al acido salicílico, el acido jasmonico, el oxido nítrico, y el GABA
Hormonas convencionales.
En general todas ellas actúan a baja concentración.  Particularmente el etileno, que de las
hormonas convencionales es la única que  difunde  y actúa como gas a concentraciones
muy bajas (a ppm). El etileno participa en muchos procesos de crecimiento, de maduración
senescencia (procesos de envejecimiento y muerte) y en respuesta a patógenos. En muchos
casos encontramos etileno. Pero el oxido nítrico también actúa como gas.
Las hormonas interactúan unas con otras, y los resultados que se obtienen  son producto del
efecto interrelacionado y la proporción que existe entre ellas.
Los reguladores endógenos de crecimiento en la planta fluctúan; durante el día y la noche,
durante el crecimiento, en estaciones primavera-verano y en distintos órganos.  La
concentración de estos reguladores varia además por estado fisiológico de la planta y por
los órganos que esta planta tenga. Con estas 5 fitohormonas y algunas de las no convencionales es posible explicar todos los
procesos de desarrollo y crecimiento en plantas.  Por lo mismo el número de fitohormonas
que participan y la concentración de ellas es muy importante para el efecto que se espera.
Auxinas
Tienen  por  estructura básica  un anillo indolico. Los principales tejidos donde las auxinas
se producen  son los tejidos meristematicos (tejidos no diferenciados) particularmente el
meristema apical, y los meristemas axilares, y radicular.
Participan en alargamiento y división celular; crecimiento y diferenciación de hojas, tallos
y frutos y formación de raíces adventicias.
Las auxinas se producen en el meristema apical, bajan, se mueven basipetalmente (en
dirección desde tallo a raíz) desde el meristema hacia el suelo, e inhiben la producción de
cioquininas que ocurren en las yemas laterales (para que una yema lateral se forme se
requiere de la producción de citoquininas).
Algunas auxinas como el 2,4-D (auxina
 
imiento

Esta hormona además estimula la
emos
rtir de  auxinas naturales (como el acido

sintética) pueden actuar como herbicidas
a concentraciones altas. A estas
concentraciones produce un crec
desordenado,  un crecimiento exacerbado
de las raíces, que salen del suelo hacia la
parte aérea. Las raíces se sacan y con eso
se produce la muerte de la planta.
producción de etileno. Hoy día sab
que también estimula la producción de giberelina (descubierto recién este año).
Estas  hormonas sintéticas se han creado a pa
indolacetico, IAA).  Las auxinas sinteticas son en muchos casos mas efectivas, que las
endógenas,  porque para muchas de estas auxinas sintéticas no existe la maquinaria de
degradación que existe para homonas endógenas.  
El IBA y el ANA  (auxinas naturales) son utilizadas  ampliamente en agricultura para
inducir alargamiento de estacas.  Todas las auxinas tienen un  anillo indolico. Se ha visto
que es importante la distancia entre el grupo carboxilo y el anillo para poder actuar como
auxina. Este año acaba de ser publicada la cristalografía del receptor de auxina. Ya sabemos
que las auxinas actúan vía un receptor, y por tanto gracias a la  interacción que las auxinas
realizan en ciertos dominios, es que hoy día entendemos que hay moléculas tan diversas. En
resumen la distribución de las cargas que es reconocida por el receptor  es la que permite la
especificidad de la función de auxinica.
Los  requerimientos  básicos para que estas moléculas puedan ser reconocidas como
auxinas son presencia de una carga negativa  en el grupo carboxilo de la cadena lateral,
separada en una distancia de 0.5 nm de la carga positiva, el anillo indolico no es esencial
para actividad auxinica, aunque este anillo aromático esta presente en todas las auxinas.  
La separación de cargas parece ser el requisito estructural más importante para su actividad.









 

Biosíntesis de Auxinas
En la figura se observa la síntesis de acido indolacetico dependiente de triptófano, que es el
precursor de IAA. Existen múltiples vías para la conversión de triptófano a IAA.  Se cree
que triptofano es el precursor de todas las auxinas.

La via del acido indolpiruvico ( C) es probablemente la mas común de la ruta de síntesis
dependiente de triptófano.  Ocurre por una desanimación para formar IPA seguida de una
descarboxilacion para formar IAiD, que es oxidado a IAA  por una deshidrogenasa
especifica.  La sinteis de IAA también puede ser mediado por triptamina o por
indolacetaldoxina. Todas estas vias son dependientes de triptofano,  que es principal
precursor de la biosíntesis del acido indolacetico.
Gracias a la utilización de mutantes y trabajando con plantas de maíz, hoy día sabemos que
hay una ruta que ocurre en plantas a baja concentración, que permite la biosíntesis de auxinas, de manera independiente del triptófano.  Sin la presencia de triptófano se pudo
conseguir una pequeña cantidad de acido indolacetico.
La auxina principalmente actúa de manera libre, pero tiene varias formas de conjugación en
la célula. Se almacena y por hidrolisis queda libre.  La auxina es sintetizada de manera
dependiente  o independiente del triptófano rápidamente, se conjuga, (hay varias formas en
que se conjugan), es transportada y compartamentalizada (los cloroplastos son organelos
importantes de almacenamiento de auxinas)  e hidrolizada  para hacer su efecto en el
crecimiento de planta. Además puede ser  oxidada y decarboxilada para su degradación.
Respuesta fototrópica
El crecimiento foto trópico positivo, en el que la planta se orienta hacia un estimulo
luminoso, se debe a la diferencia  de auxina que existe entre el lado iluminado respecto del
lado menos iluminado de la planta. El lado iluminado tiene menos concentración de auxina
(porque ocurren procesos de oxidación), y el lado menos iluminado tiene  mas.
Del lado menos iluminado existe mayor división celular y la planta se orienta hacia el
estimulo luminoso positivo. La respuesta fototrópica positiva esta regulada por auxinas y
tiene que ver con la degradación desigual del lado iluminado respecto del lado menos
iluminado de la planta. El almacenamiento,  transporte y protección con cierta actividad
degradación- oxidativa, son resultado de la asociación de  auxinas a glicosidos, a
aminoácidos (acido apartico) y a  inositol.  
Las auxinas se pueden conjugar con  azucares y aminoácidos. Hay otras vías de
conjugación  un poco mas complejas como las que se ven en la diapo, pero las mas
frecuentes son con inositol, con glucosa y con acido apartico, que son las maneras
principales en la que las auxinas se conjugan  y se almacenan y de esta forma se evita su
degradación.
Transporte  de auxinas
Las auxinas se transportan vía floema y tienen un transporte de tipo polar  unidireccional
llamado bacipetalo, es decir, del meristema hacia la tierra, hacia las hojas y el tallo. Si hay
una producción de auxinas en el meristema radical ahí ocurre tambien un movimiento
unidireccional pero contrario, desde la punta de la raíz hacia la planta, ese movimiento se
llama acropetalo, y ocurre desde las raíces hacia planta aérea, siempre es unidireccional.  Y
por consiguiente la auxina tiende a formar un gradiente de concentración, desde la zona en
donde se produce y se va diluyendo hacia donde es transportada. Siempre desde la punta de
la raíz se va diluyendo hacia la zona del tallo; por lo tanto la zona del tallo es donde menos
auxina hay y en la parte de arriba de la planta y en la punta de las raíces es donde mas
auxina se encuentra.  Se han identificado inhibidores de auxinas y se ha visto que muchos de ellos tienen que ver
con el transporte, como ya sabemos las auxinas tienen este movimiento unidireccional,   por
lo tanto algunas moléculas bloquean el transporte de las auxinas y se consigue un efecto
inhibitorio en algunas partes del tejido. La velocidad de movimiento de las auxinas, es 100
veces menor que el flujo flemático, 1cm/H es el movimiento de una auxina respecto de 100
cm/H que se mueve una molécula de glucosa o de galactosa en la planta. El flujo de auxinas
muchas veces esta siendo inhibido por inhibidores metabólicos lo que sugiere que en este
transporte de auxinas tiene que haber gasto de energía
Modelo quimiosmotico para el transporte  polar de auxinas
Este es el modelo que sigue el movimiento bacipetal mas aceptado de la auxina. La auxina
es impulsada por la fuerza de los protones que se mueven a través de la membrana
plasmática. Una característica importante en este modelo es que describe a los
transportadores de auxina en la parte basal de las células conductoras. La primera parte del
transporte, según este modelo, es la entrada de auxina desde cualquier dirección por dos
mecanismos:
1.  Transporte pasivo  de la forma protonada (IAAH) a través de la bicapa
2.  Transporte activo de la forma disociada (H+- y IAA-) vía symporter.

Existe una dualidad en el transporte de auxina porque la permeabilidad de la
membrana por la auxina depende del pH apoplastico.
La forma no disociada en que el grupo carboxilo de IAA esta protonado  difunde
libremente por la membrana y la forma disociada de la auxina, que esta negativamente
cargada no cruza la membrana. Esto de debe a que la H+-ATPasa mantiene la pared celular
cerca de un pH 5,0, donde la auxina no disociada  puede difundir bajo un gradiente de
concentración.
El transporte de H+-IAA- cotransporta dos protones con el anión de auxina. En este
transporte activo  la auxina se  acumula y luego puede difundir gracias a la fuerza protón motriz.

ATPasas y otros transportadores  de la auxina como anión  mueven protones y dejan mas
acida la pared. Esta es la fuerza  que se utiliza para que la bomba mueva este acido
indolacetico como anión, que es neutralizado y puede difundir libremente dentro de la
célula. Se observa un pH 5 en la pared y un pH 7 al interior de la vacuola. En las células
transportadoras de auxina se  produce el movimiento de auxina desde el ápice hasta la base.
Hay difusión simple y bombeo activo de protones, y hay difusión facilitada dada por la
energía de la ATPasa.
Una vez IAA entra en el citosol, que tiene un pH de aproximadamente 7.2, casi todo
disociará a la forma anionica. Como la membrana es menos permeable a IAA- que a IAAH,
IAA- tenderá a acumularse en el citosol. Sin embargo, la mayor parte de la auxina que entra
a la celula sale via un transportador de auxina.
Según el modelo quimiosmotico, el potencial interior negativo de la membrana conduce el
transporte de IAA- de la célula. La característica central del modelo para el transporte polar
de IAA es que este ocurre preferencialmente  en la parte basal de  célula. La liberación
preferencial de la base de cada célula da  efecto total polar de transporte. Una familia de auxinas conocidas como  proteínas  PIN se han  localizado con precisión en  el modelo
predicho en la base de las células transportadoras de auxinas.
Pequeñas proteínas llamadas Aux/IAA participan en el mecanismo de acción de auxina.
Desde que  la hormona es percibida por un receptor, y hasta que desarrolla su respuesta de
inducción génica, (luego del reconocimiento de la auxina se inducen una serie de genes
relacionados con la respuesta a auxina) están presentes las proteínas Aux/IAA, (son 9) que
permiten una respuesta diferencial.
El trabajar con el modelo de arabidopsis,(se cuenta con gran cantidad de mutantes) , ha
servido para identificar los distintos componentes, que participan tanto en la biosíntesis
dependiente o independiente de triptófano, como en el mecanismo de reacción de las
auxinas. Así se ha podido identificar que las auxinas actúan vía un receptor,  y de hecho
hoy día sabemos que hay más de un receptor,  se conocen al menos 3 receptores de auxinas.
Además sabemos que hay mediadores del mecanismo de reacción de las auxinas, que  nos
permiten entender la especificidad de esta hormona. La Auxina, puede actuar de forma muy
distinta  en  una hoja, en un tallo, una raíz o en un fruto, sin embargo sigue siendo la misma
molécula.  Las diferencias están dadas por estas moléculas mediadoras, algunas de ellas,
participan en la respuesta gravitropica, otras en la respuesta fototrópica, en morfogénesis
(división y crecimiento) y otras en diferenciación.

Ejemplos específicos de lo que las auxinas producen en la planta.
1.  Participan en la regulación del ciclo celular, estimulan división celular.
Distintas fitohormonas: acido absisico, auxinas, citoquininas, son  actores que
estimulan (representado por flechas) o inhiben (representado por flecas cortadas) la
participación de auxina en el ciclo celular. Particularmente las auxinas, activan el
paso entre mitosis y G1,  y ciclinas permiten la  activación del ciclo celular,
participando como intermediarios, en otras palabras, ciclinas promueven el paso a
mitosis, y permiten estimular la división celular por parte de la auxina.

 Cuando agobacterium infecta a una planta y transfiere su T-DNA de la bacteria  a la planta, algunos
de los genes que transfiere son estos genes que codifican para auxinas y para ctoquininas.  Hoy dia se
pueden clonar los genes de agrobacterium, poner promotores de planta y hacer el mismo efecto que
hace la auxina en esos tejidos, con genes bastante pequeños, que tienen que ver con biosíntesis de
auxina.

2.  Promueven la elongación celular.
Esto significa que las células sean más grandes, se logra estimulando una bomba de
protones, que incrementa la extensibilidad de la pared. Las auxinas estimulan esta
proton-ATPasa que se encuentra en la membrana, que se encarga de bombear protones desde el intracelular hacia la pared, por lo tanto acidifica la pared, que de
acuerdo a la teoría quimiosmotica, permite una diferencia de pH, entre el
extracelular (pH 7) y el intracelular (pH 5).  Este bombeo permite que las
microfibrillas de celulosa, rompan sus enlaces de hidrogeno, y se desensamblen,
desestabilizando la pared. Esto último permite que la célula crezca producto de la
presión natural que ejerce la vacuola en el interior de la célula, sobre la pared.  La
célula crece hasta que la célula vecina, que también crece, ejerce el efecto de la
presión contraria. En resumen, la activación de protón-ATPasa vía auxinas
producen un  cambio en las condiciones de pH de la pared, un  desensamblamiento
de las fibrillas de celulosa, y expansión, por la presión que ejerce la vacuola sobre la
pared, que  produce el crecimiento de las células. Las expansinas, son proteínas de
pared celular, que responden a pH ácidos, se activan y se participan también el
cambio en el tamaño de la célula.


3.  Una tercera función importante es la respuesta gravitropica. Esto se estudio muy
bien, cuando se mandaron al challenger plantitas, que crecían en condiciones de
ingravidez. Experimentos se hicieron con una planta chilena (el quintral), que actúa
como planta parasita, no forma una raíz convencional. Estos experimentos con
gravedad  e ingravidez, se realizaron para saber como penetraba, con estimulación o
no de auxinas la raíz. Se concluyo  que las auxinas tienen un rol importante en el
gravitropismo.  Azucares llamados amiloplastos tienen en este caso un rol
importante,  también se mueven con la gravedad y estimulan el crecimiento
radicular. En el caso de la raíz, la sensibilidad, de las células de la raíz a la auxina,
es mucho menor que las células del tallo.
Una semilla de maíz  que es puesta a germinar, tiende a  germinar en la dirección
que esta, pero naturalmente luego de un tiempo la raíz se orienta hacia la gravedad,
esto se debe a que la zona basal, tiene una mayor cantidad de auxina que la parte
superior. Nuevamente la concentración de auxina determina la orientación del
crecimiento de la raíz, mediada por la fuerza de gravedad. Se debe considerar
además que la sensibilidad de las auxinas en las raíces, es mayor, por lo tanto se
requieren concentraciones mucho menores para estimular el crecimiento. Cuando la
concentración de las auxinas sobrepasa un cierto umbral, como es mediado por
receptores, puede unirse en le receptor mas de una molécula de auxina,  y en vez de
promover el crecimiento, se genera el efecto inhibidor y entonces lo que ocurre es
que aunque en la parte basal hay mucha concentración de auxina, la auxina no logra
estimular el crecimiento, que se inhibe, versus la estimulación del crecimiento en la
parte apical. El resultado es  la orientación del meristema hacia el suelo. En la punta
de la raíz, existen carbohidratos que se depositan en la parte basal que también
responden a la gravedad y  contribuyen al efecto gravitropico.  La distribución final de la auxina depende de la fuerza de gravedad,  a pesar de que
la  masa de la auxina es en  extremo pequeña para ser afectada por la gravedad. Se
debe considerar además como pate del mecanismo de orientación gravitropico, el
rol de los receptores de auxina en toda la membrana. Estos receptores, por efecto de
la gravedad están mucho más ocupados en una cara  de la membrana que en otra, al
punto  que si hay una concentración muy grande de auxina, pasa a ser inhitoria la
auxina en la raíz.  El efecto neto es por la cantidad de receptores  ocupados de un
lado respecto al otro.










 Dominancia apical

La auxina cuando  se produce en meristemas, es la responsable del crecimiento en
altura, respecto del crecimiento en ramas laterales.
Esto se consigue inhibiendo la producción de citoquininas en las yemas laterales, y
por lo tanto el efecto observado es el alejamiento de la fuerza de gravedad. Se ha
logrado hacer varios mutantes, (superroot de arabidopsis) que producen un
crecimiento exacerbado de raíces laterales porque el gen que fue mutado tenia como
función inhibir este crecimiento que sabemos esta mediado por auxinas. Algo
aparecido a esto hace el 2,4-D,  que estimula el crecimiento de raíces laterales y el
resultado es que las raíces salen hacia la superficie.
El retiro del ápice  de la planta por lo general causa el crecimiento de uno o varios
de los brotes laterales. No mucho después del descubrimiento de la auxina, se
observo que  IAA podría substituir al brote apical inhibiendo la aparición de los
brotes laterales del frijol (Phaseolus vulgaris). Este experimento clásico es ilustrado
en la siguiente figura.


 
Se sabe que las auxinas participan en el desarrollo del fruto. El fruto esta formado
por exo, meso y endocarpo. Aplicaciones de auxina en algunos frutos, pueden llegar
a producir partenocarpia, es decir, el desarrollo del fruto en ausencia de semilla (o
desarrollo del fruto en ausencia de fecundación).  El embrión, en cuyo interior hay
una fuerte producción de fitohotmonas, se encuentra alojado al interior de la testa o el cuesco,  que es el resultado del desarrollo del integumento del ovario.
Aplicaciones exógenas de auxinas, pueden  llegar a producir un fruto sin semillas.
Se han hecho experimentos en frutilla (aquenio, que tiene sus semillas externas). Se
le ha agregado  a una cara de la frutilla, en estados tempranos de desarrollo, auxina
y a la otra no. En la mitad del fruto donde se le suministro auxina no se desarrollan
semillas  y la mitad que si la conserva tiene un desarrollo normal.  Esto se debe al
efecto inductor que ejerce la semilla y el embrión, promoviendo hormonas para el
desarrollo del fruto.  Las auxinas pueden inducir la partenocarpia. y el desarrollo de
diversos tejidos vasculares.
En la figura se ilustra  la promoción del desarrollo del fruto mediado por auxina.
Muchas pruebas sugieren que auxina esté implicada en la regulación de desarrollo
del fruto. La polinización acertada inicia el crecimiento de óvulo (fruta). Después de
la fertilización, el crecimiento de fruta puede depender de auxina producida las
semillas.
La figura muestra la influencia de auxina,  producida  por aquenios de frutilla.