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REGULADORES DE CR CRECIMIENT ECIMIENT ECIMIENTO O TEMA 27. AUXIN UXINAS. AS. Introducción.

Naturaleza química. Compuestos sintéticos con actividad auxínica. Relación entre estr estructura uctura y actividad biológica. Metabolismo. Transpor ansportte. Niv Niveles eles endógenos. Efectos fisiológicos. Mecanismo y modo de acción. R Receptor eceptor eceptores. es. CONTENIDOS Descubrimiento. Estructura química: AIA, características electroquímicas que confieren actividad auxínica. Actividad: concepto de sensibilidad, influencia de la compartimentalización. Metabolismo: biosíntesis (rutas del ácido indolpirúvico, de la triptamina y de la indolacetoxima), conjugación, oxidación y degradación (carboxilativa – no carboxilativa). Transporte: hipótesis quimiosmótica. Efectos fisiológicos: división celular, rizogénesis adventicia, dominancia apical, partenocarpia. Mecanismo de acción: teoría del crecimiento por acidificación. Aplicaciones comerciales. OBJETIV OBJETIVOS OS  Introducir al alumno en la actividad de compuesto con actividad auxínica.  Dar una idea global de las posibilidades de regulación del contenido endógeno de auxinas.  Introducir al alumno en la importancia de estos reguladores en el control del desarrollo vegetal y sus aplicaciones comerciales.

INTRODUCCIÓN Las auxinas son reguladores de crecimiento que al unirse específicamente a receptores de membrana de células vegetales manifiestan su respuesta interfiriendo en un proceso fisiológico de la planta como puede ser la estimulación de la elongación celular “local”. Recordemos que la diferenciación celular en sistemas vegetales se basa en microambientes distintos que afectan a núcleos genómicos iguales permitiendo la expresión génica diferencial. Los reguladores de crecimiento son la base de la Biotecnología Vegetal.

DESCUBRIMIENTO Las auxinas fueron de los primeros reguladores que fueron estudiados. El descubrimiento de los reguladores de crecimiento fue precedido de una serie de publicaciones: - En 1880, Francis y Charles Darwin demostraron que el ápice del coleóptilo de gramíneas era el responsable de que las plantas se curvaran hacia la luz. Cuando el ápice estaba al descubierto había curvatura, sin embargo si estaba cubierto por un material opaco no la había. De aquí se concluye que cuando las plantas están expuestas a una iluminación lateral, “alguna influencia” se transmite desde la parte superior hacia la base haciendo que la planta se curve. - En 1910, Boysen Jersen corta el ápice de un coleóptilo y observa que éste decapitado no se curva y sin embargo, al reemplazar el ápice uniéndolo al coleóptilo por un bloque de agar, hay curvatura del mismo, lo que llevó a pensar que el estímulo fuera de naturaleza química. - En 1929, Paal decapitó coleóptilos y volvió a colocar ápices de forma asimétrica observando que el coleóptilo se curvaba incluso en oscuridad. Propuso que había una sustancia estimulante excretada por el ápice y que difundía de forma simétrica en la oscuridad y de forma asimétrica durante el día haciendo que creciera más la zona oscura que la zona iluminada. La siguiente etapa fue tratar de aislar y caracterizar la sustancia responsable de este fenómeno. Fue Went en 1928, quien logró aislarla al cortar coleóptilos y colocarlos sobre bloques de agar. La sustancia obtenida se denominó AUXINA.

Bioensayo: proceso de cuantificación del contenido endógeno de un regulador de crecimiento a partir de la respuesta biológica controlada en un sistema experimental sometido a estudio. Ejemplo: estudio del nivel endógeno de auxinas a partir del grado de curvatura del coleoptilo de gramíneas. - Bioensayos → datos aproximados, no tienen en cuenta la presencia de otras sustancias → cuantificación poco real.

Figura 1- Métodos de valoración biológica de las auxinas

Hoy en día el análisis del contenido endógeno de auxinas se basa en técnicas de cromatografía de alta resolución , métodos inmunoafines y espectrografía de masas. Disponiendo de moléculas que controlan el contenido endógeno de los reguladores de crecimiento puede interferirse en su mecanismo de acción: - inhibiendo la biosíntesis del regulador - inhibiendo la degradación del regulador - introduciendo moléculas que antagonizan con el regulador - inhibiendo el transporte de dicho regulador En la regulación del contenido endógeno de auxinas intervienen: - cantidad de triptófano → biosíntesis - capacidad de degradación enzimática → oxidación - conjugación con ésteres y amidas → reservorio de auxinas procesos de compartimentalización

ESTRUCTURA QUÍMICA: AIA, CARACTERÍSTICAS QUE CONFIEREN ACTIVIDAD AUXÍNICA. Estructura química: Molécula sencilla formada por un anillo indol en cuya posición 3 se sitúa una cadena lateral. La primera auxina identificada fue el Ácido indolacético (AIA) pero hoy en día, existen estructuras semejantes por lo que se reconocen varias configuraciones moleculares, incluso sin anillo indólico. Características electroquímicas que confieren actividad auxínica: - cadena lateral con grupo hidroxilo responsables de la actividad. - Distancia entre cargas positivas y negativas de 0,53 nm que es reconocida por los receptores específicos de estas fitohormonas.

ESTRUCTURA MOLECULAR DE AUXINAS 1- NATURALES:

Figura 2-Estructuras químicas correspondientes a algunas auxinas naturales

2- SINTÉTICAS:

Figura 3- Estructuras químicas correspondientes a algunas auxinas sintéticas típicas.

METABOLISMO 1-Biosíntesis de auxinas Las auxinas están ampliamente distribuidas en el reino vegetal. Las auxinas, al igual que el resto de fitohormonas pueden ser sintetizadas por cualquier célula vegetal aunque preferentemente se sintetizan en órganos de crecimiento activo (hojas, frutos, flores...)

Figura 4-Esquema del transporte polar de AIA según teoría quimiosmótica

Se ha observado la existencia de un gradiente basípeto de distribución de las auxinas en la planta; existe un alto contenido de ellas en el ápice del coleoptilo que va disminuyendo a medida que descendemos hacia la base , donde la cantidad de auxinas es prácticamente nula. Esto mismo ocurre pero con distribución acrópeta con otras fitohormonas: las citoquininas. La existencia de estos gradientes permite la creación de microambientes distintos que afectan a núcleos iguales y permite, por tanto, la expresión génica diferencial. No todas las células responden igual, o presentan la misma concentración óptima: sensibilidad celular: referente al hecho de que una célula tenga mayor o menor número de receptores para una hormona.

Todas las auxinas derivan del triptófano; la primera molécula que se obtiene es al AIA. No siempre las moléculas van a aparecer en estado libre. Las formas libres se encuentran unidas formando ésteres con inositol, glucosa o aspártico. En plantas existen varias rutas de biosíntesis de AIA: A- 3 vías de producción de AIA donde el precursor es el triptófano: a. ruta del Ácido Indolpirúvico b. ruta de la Triptamina c. ruta de la indolacetoxina B- 1 vía descubierta recientemente donde el precursor es el Ácido Corísmico.

Figura 5-Síntesis de AIA a partir del triptófano como precursor.

Figura 6- Síntesis de AIA a partir del Ác.Corísmico

2-Catabolismo auxínico Las auxinas están sometidas a procesos de catabolismo: - Procesos que afectan a la cadena lateral. - Procesos que afectan al anillo. La concentración de auxinas en las plantas puede regularse no sólo por su tasa de biosíntesis y la velocidad de transporte hacia y desde el órgano que se considere sino también por los mecanismos de degradación de la cadena lateral del AIA. La inactivación del AIA puede lograrse , por ejemplo, mediante la conjugación de éste con otras moléculas como ésteres y amidas o por la degradación del AIA por dos tipos de rutas: 1- Ruta descarboxilativa: se degrada la cadena lateral gracias a isoperoxidasas con actividad catalasa de un complejo multienzimático. 2- Ruta carboxilativa Todo el proceso de catabolismo está regulado por un complejo multienzimático: la ácido indolacético oxidasa, la cual depende de isoperoxidasas.

MECANISMO DE ACCIÓN El proceso más aparente inducido por auxinas es la elongación celular “ local ” ;ésta se lleva a cabo en 2 etapas: 1º Etapa: elongación celular rápida debido a la inexistencia de regulación génica y al incremento de protones que favorecen con pHs ácidos, la optimización de enzimas hidróliticos: celulasas , glicoxidasas, etc. que debilitan la pared celular justificando un aumento en la presión de turgencia y provocando finalmente la elongación celular. Esto se conoce como TEORIA QUIMIOSMÓTICA O CRECIMIENTO ÁCIDO DE LA PARED CELULAR.

Figura 7– Efectos del AIA sobre la velocidad de crecimiento

2º Etapa: elongación a largo plazo debido a la expresión génica diferencial para la síntesis de enzimas responsables de la degradación de la pared celular. Nota: mecanismo basado en la existencia de receptores específicos para auxinas en las células vegetales.

EFECTOS FISIOLÓGICOS Podríamos destacar como acciones específicas, y de mayor importancia, de las auxinas: -Expansión de la pared celular -Formación de raíces Además, participan en otros importantes procesos de desarrollo, tales como: -Organización de meristemos -Promueven diferenciación vascular -Mantenimiento de la dominancia apical -Abscisión

-Tropismos -Retrasan senescencia -Retrasan maduración de frutos.

APLICACIONES COMERCIALES

Figura 8- Aplicaciones comerciales de algunos compuestos auxínicos

- A partir del conocimiento del AIA se impulsó la síntesis química de moléculas estructuralmente semejantes para su utilización en agricultura, de denominaron auxinas sintéticas. - La ingeniería genética aprovecha el conocimiento de las rutas de biosíntesis de auxinas para la transgénesis en plantas. - Hoy en día las posibles aplicaciones son:  Enraizamiento con auxinas sintéticas para los que las plantas carece de enzimas degradativos.  Aclareo de frutos, las auxinas permiten el reparto de fotoasimilados.  Retardante en la caída de frutos.  Cuajado de frutos. Modificador del aspecto de los frutos.

El AIA no sirve para fines prácticos: al tratarse de una hormona natural, sería degradado por la planta, al disponer ésta de mecanismos de regulación específicos para AIA.

INVESTIGACIÓN ACTUAL Actualmente se ha demostrado universalmente la existencia de 2 receptores para auxinas en la membrana plasmática con diferente afinidad por este regulador. Existen también pruebas de la presencia de 2 receptores más, aunque no estén demostrados universalmente: - En el núcleo: permitiría la función de auxinas como factor de transcripción. En el retículo: permitiría la migración de vesículas con fragmentos de la pared celular.

Elena Penedo (Curso 2005-06)...