Tema 27 Ácido Abscísico PDF

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Tema 27 1. Descubrimiento y estructura (1953) al estudiar el contenido de sustancias reguladoras del crecimiento en extractos de plantas por en papel, que los cromatogramas presentaban una zona de del crecimiento que pero no hubo acuerdo entre los investigadores a la hora de caracterizar la sustanci...

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1/8 Tema 27 Ácido Abscísico 1. Descubrimiento y estructura Bennet-Clark (1953) al estudiar el contenido de sustancias reguladoras del crecimiento en extractos de plantas por cromatografía en papel, encontró que los cromatogramas presentaban una zona de inhibición del crecimiento que llamó inhibidor-beta, pero no hubo acuerdo entre los investigadores a la hora de caracterizar la sustancia. Carns y colaboradores (1954) en USA, investigando las auxinas del fruto del algodón, encontraron una sustancia antagonista del AIA que promovía la abscisión de dichos frutos.

Addicot y colaboradores (1963) lograron aislar dos componentes de la sustancia que provocaba la escisión del algodón, denominándolos “abscisin” I y II, siendo el II el más activo. A la vez, Wareing en Gales, descubrió en árboles de hoja caduca una sustancia que causaba la inhibición del crecimiento e inducía el reposo de las yemas, la llamó “dormin”. Pronto se comprobó que “dormin” y “abscisin” II eran la misma sustancia, y también el componente mayoritario del inhibidor beta. Por consenso se adoptó el nombre de ácido abscísico (ABA). En 1965, Okhuma y colaboradores propusieron su estructura química, que fue confirmada por síntesis en el mismo año.

La estructura de ácido abscísico se parece mucho a la de la xantosina, de la cual procede.

2/8 Se ha encontrado ABA en todas las plantas superiores y en todos los tejidos vegetales, variando sus niveles entre diferentes órganos e, incluso, por condiciones ambientales especiales (sequía). El ABA tiene un carbono asimétrico en posición 1, siendo el isómero natural el +sABA. El de síntesis es una mezcla de + y -, y con él se trabaja, aunque la actividad de ambos isómeros no es la misma. Hoy sabemos que el ABA tiene una función secundaria en la abscisión y latencia de las yemas. Por una asociación errónea con estos procesos, todavía se conserva la idea de que es un inhibidor del crecimiento vegetal. Sin embargo, se ha demostrado que en mutantes deficientes en ABA, cuanto más severa es la deficiencia mayor es la reducción del crecimiento. La presencia de ABA en todas las plantas, incluso en mutantes deficientes, permite deducir que esta hormona es vital. 2. Valoración del ABA Es un componente minoritario en extractos vegetales, por lo que precisa una extensa purificación. Se extrae con disolventes como acetona o metanol acidificados con acético glacial al 1 %. El extracto se puede fraccionar con HPLC, y la detección y cuantificación se lleva a cabo por cromatografía de gases con detector de captura de electrones, por inmunoensayos pues hay comercializados anticuerpos monoclonales, o por cromatografía de gases asociada a espectrometría de masas. Los valores normales son entre 20 y 100 µg por kg de peso fresco, aunque puede encontrarse hasta 20 mg según el desarrollo, condiciones ambientales, etc. 3. Transporte del ABA Hay respuestas del ABA que se obtienen en menos de 10 min cuando se aplica el ABA en la corriente transpiratoria, cerrándose los estomas. El transporte ha de ser rápido, pues para llegar a las células guarda de los estomas tiene que atravesar varios tipos de células. Se ha detectado ABA tanto en xilema como en floema, desplazándose con gran facilidad por toda la planta. Se ha detectado una ligera polaridad en tallos. En tejidos jóvenes, la velocidad en dirección basipétala es algo mayor que la del AIA, pero en dirección acropétala es mucho mayor que la del AIA. El transporte en estos tejidos parece que es por un mecanismo activo. En plantas intactas, al aplicar ABA marcado con

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C en hojas se encuentra una amplia distribución

tanto hacia arriba de la hoja como hacia abajo. Se piensa que la forma de transporte puede ser como éster metílico. 4. Biosíntesis: vía directa e indirecta El ABA es un sesquiterpeno formado a partir de la unidad de cinco carbonos común de los terpenos, el isopentenil pirofosfato, que deriva del ácido mevalónico. La estructura del ABA presenta similitud con las porciones terminales de algunos carotenoides. Basándose en esto se propusieron dos rutas de síntesis: - Vía directa desde ác. mevalónico, que implica la ciclación y oxidación de un precursor de cinco carbonos. - Vía indirecta por escisión oxidativa de un carotenoide. Actualmente hay datos concluyentes que indican que, en plantas superiores, el ABA se deriva de carotenoides por la vía indirecta. Algunos hongos fitopatógenos sintetizan ABA por una vía distinta de plantas superiores. En resumen, la vía indirecta se puede ver en la siguiente figura.

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Zeaxantina epoxidasa

Isomerasas

Epoxicarotenoide dioxigenasa

Xantoxina oxidasa

Aldehido abscísico oxidasa

Las etapas 1 y 2 son catalizadas por la zeaxantina epoxidasa, y ocurren en el cloroplasto. Las etapas 3 y 4 consisten en transformaciones, producidas por posibles isomerasas no conocidas, que transforman la transviolaxantina en transneoxantina y 9-cis-violaxantina, y estas en 9-cis-neoxantina. La 9-cis-neoxantina, en la etapa 5 se transforma en xantosina (15 carbonos) y un resto de 25 carbonos, por la acción de la enzima 9-cis-epoxycarotenoide dioxigenasa. La xantosina es exportada al citosol, donde ocurre la etapa 6, catalizada por la xantosina oxidasa, transformándose en aldehído abscísico. En la etapa 7, el aldehído abscísico se oxida a ácido abscísico por la aldehído abscísico oxidasa. Alternativamente, el aldehído abscísico se puede transformar en alcohol abscísico (etapa 7’) y este en ABA (etapa 8’), en mutantes que no realizan la etapa 7.

4/8 5. Regulación de la biosíntesis En estudios de respuesta al estrés hídrico se ha sugerido que las etapas limitantes son probablemente la de isomerización de 9´-trans a 9´-cis-violaxantina y el desdoblamiento de la xantofila para producir xantoxina. El estrés hídrico aumenta la concentración de ABA en hojas, y se ha comprobado que esta acumulación se debe a una síntesis de novo, que es bloqueada por inhibidores de la transcripción y traducción. Por tanto la regulación se produce a nivel de activación génica, probablemente en las etapas antes mencionadas. 6. Inactivación del ABA Se produce por dos mecanismos: Oxidación: la hidroxilación en el carbono 8’ por la 8’hidroxilasa, produce un aumento del 8-OH-ABA, intermediario inestable que es convertido a ácido faseico (PA) por una ciclasa. El PA es reducido a dihidrofaseico (DPA) por una reductasa. Conjugación: tanto el PA como el DPA, pueden formar conjugados con glucosa que se almacenan en la vacuola. Además, el ABA se puede conjugar directamente con glucosa, almacenándose también en la vacuola. Estas son las reacciones mayoritarias del catabolismo del ABA, señaladas en la figura siguiente con flechas gruesas. Otras posibles vías minoritarias se representan en la figura con flechas de trazo fino.

8 ’hidroxilasa hidroxilasa

ciclasa

5/8 7. Efectos fisiológicos del ABA El ABA se relaciona con la regulación de las relaciones hídricas de la planta en situaciones de estrés hídrico y, en general, con resistencia a diversos tipos de estrés. También se conoce el papel fundamental del ABA en la latencia y desarrollo de las semillas. 7.1. El ABA y las relaciones hídricas de la planta El ABA realiza una doble función en la protección de las plantas frente al estrés hídrico: - A corto plazo reduce la transpiración, induciendo el cierre de los estomas - A largo plazo induce la síntesis de proteínas que aumentan la tolerancia de las plantas a la desecación. Tras la aplicación de ABA, los estomas se cierran rápidamente, por pérdida de turgencia de las células oclusivas, a causa de la salida de iones Cl, K y malato. El factor que regula el cierre de los estomas en sequía es la concentración de ABA en el apoplasto de las hojas, y no su concentración en dichas células. Es decir, parece claro que actúa a nivel de plasmalema. El ABA se distribuye a consecuencia de los cambios de pH, de manera que, en condiciones normales, el pH del apoplasto es ligeramente ácido, el ABA se encuentra protonado y puede atravesar el plasmalema de las células del mesófilo, lo que hace que disminuya su concentración en el apoplasto. En cambio, en condiciones de déficit hídrico, se reduce el flujo de protones por las membranas hacia el apoplasto, éste se hace neutro o ligeramente alcalino y el ABA se disocia en ABA- + H+, y el anión ABA- no puede pasar las membranas por lo que aumenta su concentración en el apoplasto. Esta mayor concentración en el apoplasto sería la señal que activa el cierre estomático.

En condiciones normales, el xilema tiene un pH ligeramente ácido, lo que favorece la forma sin disociar (ABAH)

Mecanismo propuesto para el aumento de ABA a las células oclusivas en caso de estrés hídrico:

Durante el estrés hídrico el xilema tiene un pH ligeramente alcalino, lo que favorece la disociación del ABAH a ABA-.

El ABA- (estrés hídrico), se acumula en las células oclusivas.

El ABA sin disociar (ABAH), puede cruzar las membranas libremente. El ABA disociado (ABA-), no puede atravesar membranas y se acumula en las células de guarda.

El ABA también puede ser una señal de la raíz: cuando se produce déficit hídrico en el suelo, la raíz sintetizaría más ABA que es transportado vía xilema a la hoja y, aunque en la hoja no hay aún cambios en su

6/8 estado de hidratación, el aumento de ABA en el apoplasto transportado desde la raíz, provoca el cierre de los estomas. En condiciones de encharcamiento, paradójicamente las hojas también pueden sufrir déficit hídrico, pues la falta de oxígeno en la raíz disminuye su capacidad de absorción. La respuesta es el cierre de los estomas, por aumento del ABA en las hojas, aunque no está claro por qué se acumula ABA en este caso. El déficit hídrico moderado incrementa la elongación de la raíz y, por tanto, la relación raíz/tallo. Esta respuesta es beneficiosa para la búsqueda de agua. Cuando la sequía es severa, también se inhibe el crecimiento de la raíz. En arroz, cuando crece con muy poca agua, la relación ABA/GAs es bastante alta y los tallos son cortos. Sin embargo, cuando el cultivo se inunda, los niveles de ABA disminuyen rápidamente, lo que induce la elongación del tallo. 7.2. El ABA y otras situaciones de estrés En congelación: se ha demostrado que la tolerancia a la congelación aumenta con un tratamiento previo de frío o mediante un tratamiento con ABA. Parece que el ABA modula la expresión de diversos grupos de genes que controlan este proceso. En salinidad: el ABA acelera la adaptación de cultivos celulares a la sal, en parte mediante ajuste osmótico. El tratamiento con sal y ABA induce proteínas que mejoran la tolerancia a la sal. Las lesiones mecánicas producen un aumento de la concentración de ABA. Pero el papel del ABA en respuesta a las lesiones no se conoce. 7.3. El ABA y la latencia y desarrollo de las semillas El ABA está presente al inicio de la desecación de las semillas, que es la etapa final del desarrollo del embrión en plantas superiores. La desaparición del ABA en las semillas maduras y secas permite al embrión germinar tras la imbibición. La latencia se puede definir como la ausencia de germinación en condiciones ambientales que promueven la misma. El fenómeno de germinación precoz (viviparismo) se puede considerar un caso extremo de falta de latencia. Aunque existen numerosas mecanismos de latencia en las semillas, varias observaciones experimentales indican que el ABA previene la germinación precoz del embrión en desarrollo y está implicado en la latencia. También se ha demostrado en mutantes deficientes en ABA de tomate y maíz, que es el genotipo del embrión y no el de la planta madre el que determina el contenido de ABA de la semilla y la latencia.

En la siguiente figura se observa que en la fase de maduración del embrión, el contenido de agua es alto, y el nivel alto de ABA hace que no se produzca la germinación a pesar de que el embrión ya está desarrollado y se encuentra en una semilla bien hidratada. En esta fase el ABA induce la síntesis de proteínas LEA (late embryogenesis abundant) y de reserva. Las proteínas LEA protegen de la desecación que se produce en la fase final del desarrollo de la semilla. En esta fase final de desecación el ABA induce la latencia e inhibe la movilización de las reservas. El contenido de agua va disminuyendo y también la cantidad de ABA, de manera que la semilla madura pueda germinar cuando de nuevo se hidrate por imbibición.

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8. Mecanismos de acción del ABA El ABA modula la expresión de diversos grupos de genes que controlan algunos de los procesos anteriormente citados. Como mensajeros secundarios, que actúan amplificando la señal inicial mediante regulación directa del metabolismo celular o generando señales adicionales, actúan el IP3 y el nivel de Ca++ del citosol. En el caso del cierre estomático (ver figura siguiente), el ABA se une a un receptor hipotético del plasmalema (1), actuando sobre un canal de calcio del plasmalema (2), y por medio del IP3 sobre otro canal de calcio del tonoplasto (4), aumentando la concentración de Ca en citosol. También actúa directamente sobre un canal de cloruro (3), y el calcio también actúa sobre un canal de cloruro, determinando de las dos maneras la salida de este anión. El Ca++ inhibe el canal de entrada del potasio (6), y el aumento de pH producido por la unión ABA-receptor (7) actúa sobre un canal de potasio estimulando su salida (8). Así, la salida de iones de la célula produce la pérdida de turgor y el cierre del estoma. Receptores de ABA: Por técnicas de fluorescencia y microscopía confocal se ha demostrado que el ABA se une a la membrana citoplásmica, sugiriendo que debe existir un receptor de membrana. También se ha demostrado que ABA inyectado directamente a la célula produce el cierre estomático, lo que sugiere que pueda existir un receptor interno.

En general, el mecanismo de acción del ABA consistiría en 1) unión a un receptor, 2) transducción de la señal por: cambios en transportadores de membrana que modifican la concentración de Ca++ citosólico, mensajeros secundarios que inducen la expresión génica, activación de quinasas e inactivación de fosfatasas.

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Mecanismo de acción del ABA

Germinación precoz de las semillas...