TEMA 4 - Resumen Fisioloxía vexetal: Fisioloxía vexetal II PDF

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Díaz Varela, José *
Pomar Barbeito, Federico
Silvar Pereiro, Cristina...

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4 GIBERELINAS INTRODUCCIÓN HISTÓRICA A principios del s.XX ya se habían descubierto las auxinas y no se contemplaba la posibilidad de que hubiese otras hormonas implicadas en el crecimiento vegetal. Mendel empleaba guisantes enanos en sus estudios sobre los mecanismos de herencia genética. A estos guisantes se les aplicaron auxinas para que su crecimiento fuese mayor, pero no tuvieron ningún efecto, por lo que se creyó que el enanismo era debido a otro motivo no hormonal. Eiichi Kurosawa investigó la enfermedad del bakanae en las plantas de arroz, en la que éstas crecían demasiado altas y delgadas, con lo que se tumbaban, y no producían granos de arroz. Anteriormente, Sawada había determinado que esta enfermedad era producida por el hongo Gibberella fujikuroi. Kurosawa comprobó que si se aplicaba un extracto de este hongo a las plantas de arroz, el efecto era el mismo que si estuviesen infectadas. En 1938, Yabuta y Sumiki consiguieron obtener cristales impuros que contenían el factor promotor del crecimiento de las plantas, una mezcla a la que denominaron giberelina A. La Segunda Guerra Mundial interrumpió las investigaciones, que se retomaron en los años 50. Grove, un científico británico, y Stodola, un científico estadounidense, consiguieron aislar independientemente el principio activo del extracto de Gibberella; el primero lo llamó ácido giberélico, mientras que el segundo lo denotó como giberelina x. Por esta misma época, Sumiki reanuda sus investigaciones con la giberelina A, de la que consigue aislar 3 giberelinas puras diferentes: GA1, GA2 y GA3. Posteriormente se vio que la giberelina 3 aislada por Sumiki era el mismo compuesto que el ácido giberélico de Grove y la giberelina x de Stodola. Desde entonces se han descubierto más de 100 tipos distintos de giberelinas (GA 3, GA54), cuyo número asociado se refiere simplemente a su orden de descubrimiento. La giberelina 3 suele ser el componente más abundante en los extractos de Gibberella, lo que ha determinado su producción a escala industrial para la agricultura, la horticultura y otros usos científicos. Una vez que la giberelina 3 estuvo disponible, los científicos comenzaron a probarla en una gran variedad de plantas, obteniendo unos crecimientos espectaculares en plantas enanas y en brasicáceas (en particular, en guisantes y maíz enanos y en coles). Posteriormente se descubrió que las giberelinas estaban presentes de forma natural en las plantas, sobre todo en semillas inmaduras.

ENSAYOS CUANTITATIVOS En los ensayos con epicotilos de guisante y con hipocotilos de lechuga se observa una relación prácticamente lineal entre la concentración de giberelinas aplicadas y el crecimiento en longitud del fragmento. Lo mismo sucede en los ensayos de elongación de la vaina de la hoja del maíz. Las giberelinas actúan también en la germinación de las semillas, tal y como se ve en el experimento D: las enzimas encargadas de degradar el almidón para dar azúcares libres (que se usan como fuente de energía para el crecimiento del embrión) están reguladas por giberelinas, de forma que, cuanto mayor es la concentración de giberelinas, más cantidad de azúcar se libera. Por último, las giberelinas están también implicadas en la senescencia foliar: la degradación de las clorofilas aumenta con la concentración de giberelinas (color de las hojas en otoño). Las giberelinas no absorben luz en la región visible del espectro ni en la región ultravioleta y tampoco emiten fluorescencia. Por este motivo, los estudios actuales sobre las giberelinas emplean cromatografías líquidas o de gases acopladas a la espectrometría de masas.

FORMAS QUÍMICAS DE LAS GIBERELINAS Las giberelinas son diterpenos tetraciclícos ácidos, es decir, están formados por 20 átomos de carbono (1 isopreno= 5C, 1 terpeno=2 isoprenos= 10C, 1 diterpeno=20C) y tienen 4 ciclos y al menos 1 grupo carboxilo. La estructura básica de las giberelinas es el ent-kaureno, cuyo segundo anillo se modifica y pasa de tener 6 a presentar 5 átomos de carbono. Existen giberelinas con 20 átomos de carbono (C20-GAs) y giberelinas con 19 átomos de carbono (C19-GAs), en las que el C20 se ha perdido. •Giberelinas activas: para que una giberelina sea activa, tiene que haber perdido el C20 y, además, sufrir una oxidación en C3, donde se añade un grupo hidroxilo. Cuando estas giberelinas activas sufren una oxidación a nivel de C2, pasan a ser inactivas. Las giberelinas también pueden aparecer como formas conjugadas de reserva con glucosa.

REGULACIÓN DE LOS NIVELES DE GIBERELINAS BIOSÍNTESIS

Las giberelinas son sintetizadas en todos los meristemos del vástago de la planta, y en el embrión en el caso de las semillas. Su síntesis se inicia en la ruta general de síntesis de los terpenoides, al igual que en el caso de las citoquininas, los brasinoesteroides y el ácido abscísico. El geranilgeranil difosfato es el precursor de las giberelinas, a partir del que se forma la estructura cíclica: 1. Plastidios inmaduros (estamos en una zona meristemática: los plastos maduros aparecen en células diferenciadas y en ellos no se da este proceso): las ciclasas ciclan el geranilgeranil difosfato para dar un anillo de ent-kaureno, que va a migrar hacia el RE. 2. Retículo endoplasmático: se produce la reducción del segundo anillo de 6C del entkaureno para dar un anillo de 5C. Así se genera el aldehído GA12, que se oxida a ácido para formar la giberelina 12. Ésta puede oxidarse a nivel de C13 para dar la giberelina 53. De esta forma, ya tenemos dos giberelinas diferentes. A partir de este punto, la ruta continúa en el citosol de forma bifurcada, en función de si las reacciones las sufre la GA12 o la GA53 (las reacciones son las mismas, pero los compuestos obtenidos son, lógicamente, diferentes; en el esquema aparecen abreviadas como una sola ruta). 3. Citosol: una cadena de oxidasas produce una serie de oxidaciones. En la tercera de ellas se produce la pérdida del C20, originando giberelinas de 19 carbonos que se podrán activar mediante la oxidación de C3. Otra posibilidad es que se produzca directamente la oxidación de C2, inactivando ya la enzima antes de que se active.

La ruta biosintética de las giberelinas está regulada por varios factores: -

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Factores externos: fotoperiodo y temperatura. La duración día/noche influye en una mayor o menor concentración de giberelinas. De la misma forma, existen plantas que necesitan atravesar un periodo frío antes de la floración (un proceso denominado vernalización). Retroalimentación negativa. Auxinas: si decapitamos una planta, es decir, si eliminamos la síntesis de auxinas, la producción de giberelinas disminuye, y si a continuación añadimos auxinas de forma exógena, la síntesis se dispara a niveles muy superiores a los normales. Además, las auxinas bloquean las reacciones de oxidación a nivel de C2. De esta forma, es difícil distinguir qué hormona está relacionada con qué efecto.

Otras formas de regulación de los niveles de giberelinas son la conjugación y el transporte.

EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LAS GIBERELINAS -

Regulan la transición de la fase juvenil a la fase adulta: las acacias juveniles tienen hojas muy divididas, mientras que en las adultas son rectas y enteras. Las hiedras juveniles tienen hojas lobuladas, mientras que las de las adultas son ovaladas.

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Influyen en la iniciación floral (vernalización, fotoperiodismo) y en la determinación sexual de algunas especies (flores unisexuales). Promueven el establecimiento y crecimiento del fruto: sucede in vitro y está en fase de investigación in vivo. Promueven la germinación de las semillas y la producción de enzimas hidrolíticas durante la misma. Regulan el ciclo celular (estimulan la mitosis), por lo que participan en la elongación del tallo.

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Usos comerciales: las giberelinas se emplean para acelerar el proceso de malteado de la cerveza (la malta son semillas en germinación y las giberelinas estimulan la degradación del almidón en azúcares, que se usan como fuente de energía para el proceso) y en la producción de frutos partenocárpicos (son frutos que carecen de semillas, como las uvas Thomson, y crecen mal por este motivo, por lo que se les aplica esta hormona para estimular el crecimiento y que así sean más grandes). Por último, las giberelinas también se emplean en la transformación, mediante la que se obtienen plantas transgénicas que sobreexpresan el gen para la giberelina-2-oxidasa por la adición de un promotor constitutivo, de forma que las plantas son más bajas y, al mismo tiempo, se mantiene la producción; la finalidad de este tratamiento es evitar el encamado de las cosechas al obtener espigas muy grandes en plantas demasiado altas.

MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS GIBERELINAS Se pudo determinar gracias al descubrimiento de diversos mutantes con algún déficit en la ruta de síntesis. Por ejemplo, el mutante ga1 es incapaz de transformar el geranilgeranil difosfato en ent-kaureno, ya que tiene un defecto en esa enzima; de esta forma, las plantas ga1 son enanas. La molécula clave en el mecanismo de acción de las giberelinas son los represores DELLA, unas proteínas que bloquean la expresión de los genes relacionados con las giberelinas. Estos represores tienen 2 dominios: -

Dominio regulador: recibe la señal hormonal y tiene una secuencia muy conservada de aminoácidos, la secuencia DELLA (aspartato-glutamato-leucina-leucina-alanina). Dominio GRAS: bloquea la expresión de los genes y presenta repeticiones de leucina y una secuencia típica de las proteínas nucleares (es decir, los represores DELLA realizan su función en el núcleo, lo que es lógico, ya que participan en la regulación génica).

Estas proteínas DELLA también se descubrieron en mutantes que tenían el primer o el segundo dominio mutado, con efectos muy diferentes (una mutación en un mismo gen puede tener efectos totalmente diferentes, como se ve a continuación): en Arabidopsis, el mutante enano gai tiene modificado el domino DELLA, por lo que no puede percibir la señal hormonal y, en consecuencia, se reprime continuamente la expresión génica y la planta no se elonga. El efecto es el mismo que en el mutante ga1, pero en éste hay un defecto en la síntesis de giberelinas (no hay hormona), mientras que en el mutante gai sí hay hormona, pero falla el receptor. Por otra parte, en un doble mutante que no sintetiza giberelinas y que

tiene el dominio GRAS mutado (mutante doble rga/ga1), hay crecimiento debido a que, a pesar de que no sintetiza hormonas, el domino represor no funciona correctamente, por lo que los genes se expresan igualmente. Mecanismo de acción Cuando la hormona no está presente, el represor está unido al promotor y el gen no se expresa, por lo que no hay crecimiento. En estas condiciones, el represor DELLA bloquea la acción de un factor de transcripción (el represor está unido al factor de transcripción, que se encuentra unido a su vez al promotor). Cuando la giberelina se une a su receptor GID1, se forma un complejo que interacciona con el complejo SCFGID2 y el conjunto va a poliubiquitinizar el represor DELLA para que sea degradado en el proteosoma, dejando libre el factor de transcripción para que se inicie la expresión génica.

Al aplicar GFP (proteína verde fluorescente), ésta se une al represor DELLA y nos permite ver que se localiza en el núcleo. Cuando aplicamos giberelinas, podemos ver que la intensidad de la fluorescencia disminuye, mientras que cuando añadimos placobutrazol (un inhibidor de la ruta de síntesis de giberelinas), la fluorescencia nuclear aumenta.

t e n c r o a .d ,u p s ib h lm y g q é

Mutantes de Arabidopsis para SLY y complejo-SCF

LAS GIBERELINAS Y LA GERMINACIÓN DE LAS SEMILLAS Cuando el embrión se activa, comienza a segregar giberelinas, que llegan al endospermo a través del escutelo y luego difunden hacia la aleurona, que es la encargada de segregar las

enzimas responsables de degradar el almidón a azúcares libres para el crecimiento de la plántula. Las células de la aleurona tienen un receptor de giberelinas en la membrana plasmática que, cuando se une la hormona, fosforila una proteína G, a partir de la que aparecen dos cadenas de transducción diferentes: -

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Cadena independiente de Ca2+: se generan una serie de intermediarios que penetran en el núcleo, donde inducen la degradación del represor DELLA de un gen. Éste codifica para un factor de transcripción que promueve la expresión del gen de la α-amilasa, que es sintetizada en el RE y se expulsa hacia el exterior celular mediante tráfico vesicular desde el aparato de Golgi. Cadena dependiente de Ca2+: están implicadas la calmodulina y una proteín-quinasa, que se encargan de favorecer el tráfico vesicular hacia el medio extracelular de la ruta independiente de calcio, expulsando la α-amilasa hacia el endospermo....