Revisa el funcionamiento de auxinas, giberelinas y citocininas

Las hormonas vegetales son muy importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas, tanto como la luz, los nutrientes, el agua y CO2, ya que estas hormonas regulan las etapas de desarrollo de las plantas. Las hormonas vegetales son sustancias organicas que se encuentran a muy baja concentracion, se sintetizan en un lugar de la planta y se traslocan a otro, que es donde ejercen sus efectos. Algunas de las hormonas mas importantes son las auxinas, citocininas, giberelinas, y acido abcisico, entre otras.

1. AUXINAS

El termino auxina, proviene del griego “auxein”, que significa “crecer”. Las auxinas son un grupo de hormonas vegetales naturales que regulan muchos aspectos del desarrollo y crecimiento de plantas. La forma predominante en las plantas es el acido indolacetico (IAA), muy activo en bioensayos y presente comunmente en concentraciones nanomolares. Otras formas naturales de auxinas son el acido 4-cloro-indolacetico (4-ClIAA), acido fenilacetico (PAA), acido indol butirico (IBA) y el acido indol propionico.

Aunque las auxinas se encuentran en todos los tejidos de la planta, una mayor concentracion ocurre en las regiones que estan en crecimiento activo. La sintesis de IAA ocurre principalmente en meristemos apicales, hojas jovenes y frutos en desarrollo. El apice de los tallos es sin duda el tejido por excelencia donde se sintetiza IAA y de donde se puede establecer un gradiente de la hormona hasta la base. La cantidad de auxina presente en hojas dependera de la edad de estos tejidos, y se estima que los niveles de IAA decrecen con la edad foliar.

Las semillas en desarrollo tambien son una importante fuente de auxinas. Niveles altos de IAA se encuentran en semillas de maiz antes de entrar en la etapa de maduracion. Al madurar, el IAA se encuentra como formas conjugadas. En frutos, el contenido en IAA tiende a aumentar despues de la polinizacion.

Efectos fisiologicos de las auxinas

Crecimiento y formacion de raices

Debido a que las auxinas influyen tanto en la division, como el crecimiento y diferenciacion celular, estan involucradas en muchos procesos del desarrollo, en algunos de ellos interactuando con otras fitohormonas.

Uno de los ensayos que caracterizan el efecto de auxinas en el desarrollo es la regulacion del crecimiento radicular el cual es definido desde el desarrollo embrionario. Mientras las auxinas estimulan el crecimiento de los tallos y coleoptilos, inhiben el crecimiento de la raiz primaria, pero estimulan la formacion de raices secundarias. La concentracion optima para promover elongacion de tallos es entre 10-6 y 10-5 M. Sin embargo, en raices esta concentracion es muy alta y retarda su crecimiento.

Una practica comun en horticultura es aplicar auxinas para favorecer el enraizamiento de esquejes. En tecnicas de cultivo de tejidos se utilizan auxinas y citocininas para promover la division celular y la diferenciacion de raices y tallos, respectivamente. Las auxinas estimulan la division de celulas, lo que provoca la formacion de raices laterales y raices adventicias.

Regulacion de tropismos

Los tropismos son movimientos de crecimiento direccionales en respuesta a un estimulo tambien direccional. El efecto que tienen las auxinas sobre el crecimiento de tallos y raices es importante para controlar los tropismos. Estas respuestas se concretan con curvaturas, giros o inclinaciones que realizan los tallos y raices hacia un estimulo de luz (fototropismo), de gravedad (geotropismo o gravitropismo), o de contacto (tigmotropismo).

En el caso del fototropismo, la auxina que se produce en el apice, en vez de ser transportada hacia la base, es transportada lateralmente hacia el lado sombreado. Una vez en el lado opuesto de la luz, la auxina es transportada en forma basipetala a la zona de elongacion, donde aceleraria el crecimiento de esa zona con respecto a la zona iluminada, provocando la curvatura hacia la luz. De forma similar, el mismo modelo se puede aplicar para explicar las respuestas de tallos y raices a la gravedad. Durante la respuesta geotropica, si una planta en crecimiento se coloca de lado, el tallo tiende a curvarse hacia arriba y las raices hacia el suelo. Cuando la planta esta en posicion horizontal, la fuerza de la gravedad hace que la auxina se distribuya mayormente en la parte inferior del tallo o raiz. Mientras en el tallo las auxinas estimulan el crecimiento de la parte inferior (ocasionando una curvatura hacia arriba), en raices un mayor nivel de la hormona inhibe el alargamiento de las celulas, por lo tanto, las de la cara superior se alargan mas y la raiz se curva hacia abajo.

Dominancia apical

La distribucion en gradiente de auxina desde el apice primario hacia la base de la planta reprime el desarrollo de brotes axilares laterales a lo largo del tallo, manteniendo asi lo que se denomina como dominancia apical.

Abscision de organos

Las auxinas tienen un efecto general negativo sobre la abscision de los organos, retardando especialmente la caida de hojas, flores y frutos jovenes. El movimiento de la auxina fuera de la lamina foliar hacia la base del peciolo parece prevenir la abscision inhibiendo la accion de la hormona etileno, principal efector de la formacion de la zona de abscision. Cuando los tejidos foliares envejecen, la produccion de auxinas decrece, dando paso asi a la accion del etileno y progresion de la abscision.

Desarrollo de flores y frutos

Plantas que son tratadas con inhibidores de transporte de auxinas o plantas mutantes defectuosas en transportar auxina muestran deformidades en las inflorescencias y en la arquitectura floral, lo que sugiere que esta hormona es necesaria para un adecuado desarrollo de flores. De igual manera la aplicacion de auxina en forma exogena induce el desarrollo floral en varias especies. Asimismo, auxina contribuye con el crecimiento normal de frutos, un ejemplo clasico lo constituyen aquenios de frutilla que fallan en completar su crecimiento (cuaje) cuando se les ha retirado las semillas, que son fuentes de auxina endogena. Sin embargo, la aplicacion de auxina a estos frutos sin semillas es capaz de restaurar el desarrollo de frutos normales. Ademas, la auxina tendria un efecto positivo sobre la maduracion de algunos frutos al promover de alguna manera la sintesis de etileno.

Diferenciacion vascular

Las auxinas controlan la division celular en el cambium donde ocurre la diferenciacion de las celulas que daran origen a los elementos de floema y xilema. Su mayor efecto se advierte en la diferenciacion del xilema. El numero de elementos de xilema que se forman en tallos decapitados tratados con AIA es proporcional a la cantidad de hormona aplicada.

Usos comerciales de auxinas sinteticas

Las auxinas sinteticas, que se usan en forma de aerosol o de polvo, tienen varias aplicaciones en la agricultura. Entre sus usos estan frenar el brote de yemas de tuberculos de papas, destruir hierbas de hoja ancha (2.4-D, 2,4-DB, 2,4,5-T) y prevenir la caida prematura de frutos (NAA) y petalos de flores. Estos compuestos tambien se usan para obtener frutos sin semillas (partenocarpicos) como tomates, higos y sandias, y para estimular el crecimiento de raices en esquejes (IBA, NAA).

2. GIBERELINAS

Las giberelinas (GAs) son hormonas de crecimiento involucrados en varios procesos de desarrollo en vegetales. A pesar de ser mas de 100 el numero hallado en plantas, solo son unas pocas las que demuestran actividad biologica. Su descubrimiento en plantas se remonta a la epoca de los años 30, cuando cientificos japoneses aislaron una sustancia promotora del crecimiento a partir de cultivos de hongos que parasitaban plantas de arroz causando la enfermedad del “bakanoe” o “subida de las plantas”. El compuesto activo se aislo del hongo Gibberella fujikoroi por Eichi Kurosawa en 1926 por lo que se denomino “giberelina”. El efecto del hongo sobre las plantas afectadas consistia en un notable incremento en altura aunque con fuerte merma en la produccion de grano. El mayor crecimiento se debio al alto contenido de este factor de crecimiento producido por el ataque fungico.

La sintesis de GAs ocurre en varios lugares, sin considerar la situacion especifica en semillas de cereales. En plantulas, la sintesis y presencia de altos contenidos de estas hormonas se detecta en hojas y yemas en activo crecimiento y en material adulto a nivel de frutos, y en menor medida en raices. Sin embargo, formas activas de GAs no se encuentran en todos los organos de sintesis, dado que solo algunas fases de la sintesis pueden ocurrir en ellos. Distintos intermediarios se encuentran fluyendo por el floema, distribuyendose a varios organos de destino donde se completa la conversion a moleculas activas. El largo del fotoperiodo y condiciones de bajas temperaturas son determinantes en la conversion de intermediarios o GAs de formas inactivas a moleculas activas.

Una buena parte del estudio de la sintesis y accion de las GAs sobre las plantas se desarrollo mediante el uso un grupo de compuestos sinteticos conocidos desde los años 60 denominados “retardadores de crecimiento”. Estos compuestos de diferente constitucion quimica (Chlormequat-Cl o Cycocel, AMO-1618, Phosphon-D, Ancymidol, Paclobutrazol, Uniconazole-P) impiden el desarrollo del ciclo de sintesis de Giberelinas en varios estadios causando reduccion en el crecimiento principalmente por inhibicion de la division celular a nivel de la region meristematica. Como resultado, las plantas son mas cortas y mas gruesas; pero no existe reduccion del rendimiento de grano ni merma en el contenido de clorofila. Este efecto se revierte si se agrega GAs, aun conjuntamente con el compuesto inhibidor. Con el uso de estos retardadores se logran dos propositos: en cereales, por ejemplo, se evita perdida de cosechas por el acame de la caña causada por el viento y se amplia la distribucion de variedades de cultivo a zonas menos benignas. Varios de estos retardadores impiden la formacion del anillo kaureno que es la estructura primaria de todas las GAs. Otros provocan bloqueos en etapas posteriores. Una vez minimizado el

nivel de estos compuestos en los tejidos, la sintesis de GAs y sus efectos siguen adelante.

Efectos fisiologicos de las giberelinas

Crecimiento

El efecto mas notable de las GAs es inducir crecimiento en altura. En el caso de plantas enanas, estas sintetizan solo pequeñas cantidades de GA1, en cambio, en variedades muy enanas dicha sintesis no se da.

Floracion

GAs promueven el desarrollo subito de inflorescencias y la floracion en muchas plantas, particularmente en aquellas de dia largo, aunque no en aquellas de dia corto (DC), salvo algunas excepciones. En asociacion con fitocromos, cumplen un papel en la induccion de la floracion; en particular, aunque de manera no conocida, iniciando señales a genes meristematicos del tipo AGAMOUS vinculados a la diferenciacion de estructuras florales tales como petalos, estambres, carpelos, etc.

Germinacion

Inducen la germinacion en semillas en condiciones de dormancia.

Reservas

Estan involucradas en la movilizacion de reservas en granos de cereales. En especial inducen la sintesis de amilasas y proteasas. Este proceso tiene gran utilidad en la manufactura de cerveza.

Partenocarpia

Promueven el desarrollo de muchos frutos, inducen partenocarpia y tienen una aplicacion especial en la produccion de uvas “sin semilla”.

Usos comerciales

Transicion de fase juvenil a adulta

Aunque de caracter fisiologico, la aplicacion de GAs puede afectar la condicion juvenil, pasando esta a la fase adulta y viceversa. Por ejemplo, una estaca o esqueje con caracteristicas juveniles inicia la formacion de raices, siendo por ello apta para la multiplicacion vegetativa, mientras que con el paso a la fase adulta, esta propiedad se pierde casi totalmente. Segun el tipo de especie, la aplicacion de GAs puede llevar estas condiciones en un tipo determinado de explante en uno u otro sentido. De esta manera, es posible ademas lograr acelerar la entrada a la floracion en condiciones muy tempranas sin que la planta haya completado su fase juvenil. GA4 junto con GA7 son usadas en la practica para inducir la floracion temprana en Pinus sp., Taxus de 4 meses y Cupressus de 2 años, lo que significa una gran alternativa en programas de mejoramiento genetico a nivel forestal al contar de esta manera con ciclos reproductivos mas cortos.

Iniciacion floral y determinacion del sexo

Aplicaciones de GAs pueden reemplazar demandas especificas para florecer en plantas de dia largo, por ejemplo, el requerimiento de un periodo de luz con mas de 14 horas de luz o requerimientos de frio (semanas o meses a 5ºC). Seria posible entonces omitir alguna de las condicionantes al aplicar GAs, pero en ningun caso ambas simultaneamente o secuencialmente para obtener flores en estaciones del año en que no se han satisfecho los requerimientos ambientales especificos de la especie. GAs inducen ademas la formacion de elementos florales y adicionalmente pueden afectar la determinacion sexual. GAs afectan los genes del tipo AGL20, los cuales inducen a otros genes del tipo LEAFY. Estos ultimos desencadenan la accion de terceros como AP1, que regulan la formacion de sepalos; AP3 que afectan el desarrollo de petalos y de estambres y de AG que regulan la conformacion de carpelos. Ello determina que es posible modificar la estructura florar y conducir esta a flores femeninas o masculinas. Lo anterior tiene importancia para el cruzamiento (evitar autopolinizacion), y en el caso de individuos conteniendo mayoritariamente flores femeninas, un aumento en la productividad por superficie.

Desarrollo del fruto

GAs pueden promover el desarrollo del fruto despues de ocurrida la polinizacion en varias especies. El tamaño del fruto incide sobre su calidad y precio. Con aplicaciones de GA4 y GA7 se estimula el desarrollo de manzanos y, en algunos casos como en citricos, es posible demorar la senescencia para poder asi mantener los frutos mas tiempo en el arbol o si estan cosechados, extender el periodo de su comercializacion.

Partenocarpia

La partenocarpia es un proceso que ocurre naturalmente o artificialmente y consiste en el desarrollo del fruto sin formacion previa de la semilla. En forma natural ocurre por una sobre produccion endogena de hormonas, principalmente de auxina. Artificialmente se logra tratando las flores no polinizadas con esta u otra hormona. Para el caso especial de la variedad de uva denominada “Sultanina”, el efecto se induce por adicion de GA3, lo cual ya constituye una practica comercial. GA3 no es nocivo para la salud y su concentracion se reduce substancialmente durante el desarrollo del fruto.

Germinacion y malteado de cebada

Muchas semillas entran en estado de dormancia el cual implica un periodo de inactividad con imposibilidad para germinar por presencia de testas muy duras o falta de requerimientos de frio o de luz. La aplicacion de GAs permite la activacion de varias enzimas de tipo hidrolasas que dan cuenta parcial de este efecto, sacando con mayor rapidez a las semillas de esta fase. La evidencia mas clara esta en la germinacion de semillas de cereales y elaboracion de cerveza. En este proceso industrial se intenta maximizar la produccion de enzimas hidroliticas para que estas degraden el almidon natural de la cebada durante la germinacion controlada en el proceso de malteado. Los azucares producidos (maltosa) seran luego desdoblados y fermentados por la levadura Saccharomyces para la produccion de alcohol. Algunas variedades de dificil germinacion necesitan la adicion de GAs para acelerar este proceso y asi producir una maxima cantidad de azucares despues del malteado.

Biotecnologia

En la tecnologia conducente a la regeneracion de plantas in vitro, el cultivo de meristemos es una metodologia ampliamente utilizada con el objeto de eliminar una serie de patogenos presentes en las plantas madres. Los meristemos de plantas en activo crecimiento pueden estar libres de patogenos en forma temporal. Al ser aislados y cultivados es posible inducir a partir de ellos la formacion de raices y plantas libre de tales enfermedades. Ello aumenta fuertemente la produccion especialmente en plantas de propagacion asexual (bulbos, tuberculos, estolones, y/o material multiplicado por estacas, etc.), en especial si se trata de plantas elite, escasas o de gran valor comercial o cultural. Lo mismo ocurre en la produccion y comercializacion de flores y plantas ornamentales. Ademas, actualmente los mercados exigen el comercio de plantas sanas. El rol de GAs en esta tecnica es doble: primero los tejidos meristematicos extraidos (explantes o apices caulinares de mayor tamaño) requieren de GAs para poder crecer en esta primera fase, aunque ello requiere ademas de otras hormonas. En segundo lugar, es posible realizar un tratamiento previo con GAs a plantas madres con objeto de estimular previamente su crecimiento el

cual, en condiciones de altas temperaturas y humedad, favorece la extraccion de apices igualmente libres de los patogenos.

Rendimientos en caña de azucar

El azucar de la caña (sucrosa) se acumula en la vacuola. Su contenido por planta a cosechar depende por lo tanto del tamaño que esta pueda alcanzar. Aplicaciones de GAs estimulan la altura de la planta (mayor biomasa) asi como el contenido de sucrosa.

3. CITOCININAS

Las citocininas son hormonas esenciales en el accionar de varios procesos vinculados al crecimiento y desarrollo de las plantas y relacionados a la accion de varios genes. El reconocimiento que citocininas pudiesen corresponder a hormonas vegetales se inicio con el descubrimiento de la kinetina en la epoca de los 50. Posteriormente se descubrio la existencia natural de citocininas en diferentes especies, siendo la zeatina, inicialmente hallada en semillas de maiz, la mas frecuente y abundante. Junto a la zeatina se detectaron otros compuestos de accion semejante en el endosperma liquido de coco o “agua de coco”.

Segun su origen se pueden distinguir dos tipos de citocininas: aquellas naturales generadas por las plantas y otras artificiales, sintetizadas por el hombre. Todas las citocininas naturales se generan a partir de DMAPP y su sintesis acontece principalmente en la raiz, aunque tambien en el meristemo apical y en semillas inmaduras. La mayoria de las citocininas naturales y artificiales conservan la base adenina, aunque a las segundas se les ha ligado diversas moleculas, generandose asi, por ejemplo, la benciladenina (BA) o la furfurilaminopurina (kinetina). Posteriormente fue sintetizado otro tipo totalmente diferente de estructura, sin la base adenina, con accion biologica identica a las citocininas como el tidiazuron (TDZ). Los reguladores sinteticos como BA, kinetina o TDZ, son mas potentes que las hormonas naturales endogenas (zeatina, trans-zeatina o isopentiladenina), debido no solo a sus particularidades especificas, sino tambien a que, salvo algunos reportes contrarios, las artificiales no pueden ser degradadas o metabolizadas por el tejido. TDZ es considerado uno de los inductores mas potentes en la formacion de nuevos brotes o embriones somaticos tanto en plantas leñosas como herbaceas.

Las citocininas se localizan en ambos sistemas conductores, floema y xilema y su presencia se considera como una posible señal vinculada con un deficit de nutrientes en el suelo. Experimentos con injerto de plantas, han tratado de demostrar el transporte de estas hormonas desde la raiz hacia las partes aereas, aunque esta movilizacion ascendente aun no parece estar muy bien establecida.

Efectos fisiologicos de las citocininas

Promueven la division celular

La aplicacion de citocininas estimula la progresion del ciclo celular. En primer lugar, a nivel de la fase G1, citocininas mas otras hormonas (auxinas) inducen la acumulacion de ciclinas y por tanto promueven un nuevo ciclo celular.

Provocan la iniciacion de brotes, organogenesis y androgenesis

Las citocininas causan una dominancia apical reducida o anulada, con brotacion y crecimiento de yemas axilares. Pueden iniciar brotes adventicios en porciones de las hojas, venas y peciolos intactos. Son las hormonas claves para inducir la formacion de nuevos brotes en diversos explantes in vitro (hojas, raices, medula, cotiledones). Junto a auxinas, promueven la produccion de tejidos no organizados denominados callos, de los cuales es tambien posible inducir la formacion de brotes y/o raices, como tambien de embriones somaticos conducentes a plantas.

Retrasan la senescencia

Uno de los efectos de las citocininas es retardar la senescencia de las hojas, provocando que las hojas permanezcan mas tiempo verdes por mayor contenido de clorofila y funcionales. Las citocininas permiten el desarrollo de cloroplastos (con formacion de granas) en oscuridad, reemplazando parcialmente la demanda de luz.

Activan yemas laterales en dormancia

La sobreproduccion de citocininas resulta en una dominancia apical fuertemente reducida y en plantas la generacion de internudos mas cortos.

Usos comerciales

Propagacion y regeneracion de tejidos

Debido a que los efectos de las citocininas en plantas estan relacionados principalmente en la capacidad de estimular la division y la diferenciacion celular junto a otros reguladores de crecimiento (auxinas), se les utiliza en la propagacion clonal de material ornamental o forestal, de calidad superior y en la regeneracion masiva de plantas elite. Por ejemplo, en viveros especializados, donde la propagacion de plantas in vitro es una actividad permanente, su uso esta vinculado con la induccion de la organogenesis, especialmente la formacion caulinar, de nuevos brotes adventicios y de embriones somaticos.

Control de la senescencia

Por otro lado, debido a que las citocininas retardan la senescencia, proceso que implica clorosis por degradacion de la clorofila, y dado que permiten la manutencion de la sintesis de proteinas, junto a carbohidratos y otros compuestos organicos, es posible usar dicha hormona para dilatar y mantener la vida de flores con hojas. Lo anterior es relevante en la produccion de flores de corte, material que con estas caracteristicas implican una ganancia comercial adicional, especialmente se considera la demandas en el mercado de exportacion.

Generacion de variedades o genotipos nuevos

La insercion por transformacion de genes que causan sobreproduccion de citocininas, como el gen IPT, permite obtener de manera mas extendida las caracteristicas de retardo de senescencia. Por ejemplo, en tomates se obtiene un periodo mas largo de crecimiento (demora en la senescencia), mayor formacion de yemas y brotes conducentes a flores y frutos, con mayor productividad, plantas con mas vigor, con mayor contenido de clorofila y por tanto de mayor eficiencia. Si bien lo anterior corresponde a biotecnologias especializadas de laboratorio, efectos parecidos son posibles de obtener mediante aplicacion de la hormona en forma externa. Obviamente, el efecto sera particular respecto a dosis, especies, variedades, estadios y otras condiciones culturales impuestas al cultivo elegido. En combinacion con giberelinas, las citocininas actuarian promoviendo tambien el crecimiento de algunos frutos.

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