Los
animales responden a los estímulos con su comportamiento:
·
de forma positiva hacia estímulos positivos
·
huida en estímulos negativos
Las
plantas responden ajustando su patrón de desarrollo. Plantas de la misma especie
varían en la estructura de su cuerpo mucho más que los animales de la misma
especie.
A
nivel molecular todos los eucariotas son sorprendentemente similares en sus
mecanismos de señalización.
La
luz es uno de los factores ambientales que más afectan al desarrollo de las
plantas, a través de varios fotorreceptores.
·
Las comunidades silvestre de plantas, así como
los cultivos agrícolas, con frecuencia se encuentran en un ambiente en donde
los recursos son limitados y la competencia entre los individuos a menudo
resulta en una respuesta de desarrollo a la escasez de recursos.
·
Siendo fotosintetizadores, las plantas
superiores dependen de la adquisición de energía de la luz para su
supervivencia y la competencia por la luz es una característica de las comunidades
vegetales.
·
Al ser organismos sésiles, que no puede elegir
su entorno, las plantas deben adaptar su crecimiento y desarrollo a las
condiciones ambientales, muy especialmente a luz ambiental.
·
Monitorizar los cambios en la cantidad, calidad
y dirección de la luz permite a las plantas optimizar tanto la época de
germinación como su posterior crecimiento y desarrollo óptimos para la
adquisición de la energía luminosa para la fotosíntesis.
·
Además, a través de interacciones de las señales
luminosas que perciben con el reloj central, permiten a las plantas monitorizar
la duración del día (fotoperiodo) y adaptar su crecimiento y desarrollo al
calendario, especialmente la transición de fase vegetativa a desarrollo
reproductivo, en relación con los entornos cambiantes de temporada.
Papel de la luz en el desarrollo de las plantas: Fotomorfogénesis
Fotomorfogénesis: conjunto de respuestas que afectan al
desarrollo y aspecto de las plantas en función de la luz que perciben.
¿Cómo perciben las plantas la luz?
Las
plantas tienen tres sistemas principales para la percepción de la calidad
(longitud de onda) de la luz:
·
Fotorreceptores de luz roja: Fitocromos λ= 610-750 nm
·
Fotorreceptores de luz azul y UV-A: Criptocromos y fototropinas; λ= 400-500nm (azul)+400-320nm (UV-A)
·
Fotorreceptores de UV-B λ= 280-320 nm
La
luz es uno de los factores ambientales que más afectan al desarrollo de las
plantas, a través de varios fotorreceptores. à
Uso de la luz como señal medioambiental
Fotomorfogénesis
se define como el crecimiento y desarrollo directamente dependientes de la luz,
pero no relacionados con la fotosíntesis.
·
Fotomorfogénesis desarrollo característico de las plantas expuestas
a la luz. La respuesta a la luz en las plantas inhibe la elongación de los
entrenudos.
·
Escotomorfogénesis
desarrollo en oscuridad, caracterizado por la etiolación.
Se produce ahilamiento de la planta. El excesivo crecimiento
de la planta ahilada se debe a un incremento en la expansión celular.
En
ambas plantas hay similar número de células y el mismo número de entrenudos,
pero en escotomorfogenesis las células son más largas
Patrones
de desarrollo en luz y oscuridad
Los
cambios drásticos ocurren entre los días 2 y 3 tras la germinación
La
transición de Escotomorfogénesis a fotomorfogénesis es un proceso muy rápido y
complejo
Un
flash de luz débil produce:
·
disminución elongación del hipocotilo
·
Se enderezar el gancho apical
·
Inicio de la síntesis de pigmentos
La
luz actúa, además de cómo fuente de energía, como una señal que cambia la
plántula desde una forma que le facilita el crecimiento bajo el suelo hasta una
que le permite recoger la energía de la luz y transformarla en azucares y
proteínas
Diferentes
pigmentos pueden promover la fotomorfogénesis, principalmente pigmentos que
absorben luz roja y luz azul à
Principalmente los fitocromos
La de-etiolación (paralización de
la etiolación) se consigue al exponer la planta a la luz
Fitocromos
Papel en el desarrollo vegetal
Los
primeros indicios sobre el papel del fitocromo en el desarrollo de las plantas,
se encuentran en los estudios realizados en los años 30 de respuestas inducidas
por luz roja, especialmente la germinación de semillas.
Control de la germinación de semillas por luz roja (R) y por luz roja
lejana (RL):
¿Existían dos
pigmentos? ¿Un pigmento con dos formas interconvertibles?
Se
proponía la existencia de dos fotorreceptores, uno para luz roja y otro para
roja lejana, pero Borthwick y colaboradores en 1952 aislaron un solo
fotorreceptor que presentaba dos conformaciones (Pr y Pfr)
Este
experimento demostró que el efecto de la luz roja y de la luz FR no son
opuestos, son ANTAGONICOS. Se explica por un solo pigmento fotorreversible
El
fitocromo existe en dos conformaciones con espectros de absorción diferentes
Fotoreversibilidad:
característica distintiva del fitocromo
Características de los fitocromos
Absorbe
luz roja y luz roja lejana y en menor medida luz azul.
Tiene
un papel esencial en la regulación por luz del desarrollo vegetativo y
reproductivo.
Existen
diferentes fitocromos, codificados por diferentes genes, que regulan diversos
procesos en las plantas.
Aunque
no fue aislado hasta el 59 se conocían desde mucho antes muchas de sus
propiedades y su implicación en muchos procesos biológicos.
Breakthrough:
REVERSIBILIDAD
Gracias
a los experimentos de reversibilidad se conocía mucho sobre los fitocromos
Fotorreversibilidad de fitocromos
La forma activa PFR se inactiva al recibir luz del
rojo-lejano
Absorbe
en rojo o en rojo lejano según su conformación y cambia de conformación lo que
hace que esté activo o inactivo
La
fotorreversibilidad se ha demostrado en diversas respuestas tras sucesivas
exposiciones de las plantas a luz roja y roja-lejana.
La
fotoreversibilidad es una característica distintiva del fitocromo.
Estructura
Los fitocromos son proteínas solubles formada por un
homodímero que contienen un cromóforo unido covalentemente con una apoproteina
Cada subunidad tiene:
·
Cromóforo (componente que absorbe luz):
fitocromobilina
·
Apoproteína : PHY
Solo absorbe luz cuando está completo formando un dimero.
Cuando se excita, se convierte del isómero cis al trans.
La fitocromobilina se sintetiza en los cloroplastos y se
exporta al citoplasma, donde se une a la
apoproteína. El fitocromo nativo es un dímero con dos subunidades
idénticas.
Fitocromos tienen
varios importantes dominios funcionales
·
Dominio fotorreceptor
·
Señal de localización nuclear (NLS)
·
dominio HIS kinasa cataliza autofosforilaciones
· En el núcleo PFR
media la actividad de factores de transcripción.
La
activación por luz permite que dominios de tráfico al núcleo (NLS) queden
expuestos.
Un dominio de HIS
kinasa cataliza autofosforilaciones que regulan la actividad de la forma activa
PFR.
En
el núcleo PFR media la actividad de factores de transcripción.
Una
parte de PFR se mantiene en el citosol para regular otras respuestas,
potenciales de membrana y flujo de iones.
Las
respuestas son diversas según célula y especie
El
dominio HIS kinasa C-terminal del fitocromo es capaz de autofosforilarse y
fosforilar otras proteínas dependiendo de la luz
Fitocromo: funciones y modo de actuación.
Los
fitocromos realizan dos funciones:
·
Función sensora: percepción de la señal luminosa
·
Función reguladora: transferencia de la
información captada a otros componentes celulares
Información
ambiental à
Señal celular
Los
fitocromos son “interruptores” activados por luz que producen cambios en la
transcripción de genes y efectos en diversos componentes celulares
Ruta de señalización de los fitocromos
·
Todos los cambios regulados por los fitocromos
en las plantas se inician con la absorción de luz por los pigmentos.
·
Las propiedades del fitocromo se alteran
·
Afecta el modo en que interacciona el fitocromo
con otras proteínas (Phyb interacciona con PIF phytocrome interacting factors)
·
Inicia cambios en la transcripción de diversos
genes
·
Esto modifica el crecimiento y desarrollo de la
planta, la posición de los órganos, biosíntesis de compuestos etc..
·
Las respuestas son de diferentes tipos
o Flujos
de iones que causa cambios de turgencia
o Asociación
con proteinas kinasas y fosfatasas
o Cambios
en la expresión génica de gran número de genes, Ejp síntesis de clorofilas.
Modulación del desarrollo vegetal por acción de los fitocromos
Tres pasos:
1.
Percepción de la luz
2.
Transferencia de la información
3.
Respuesta fisiológica
El fitocromo está formado por una familia multigénica
Estudios genéticos
han permitido analizar la función de los fitocromos
Se
han identificado diversos tipos de fitocromos, que controlan diferentes
respuestas, que varían entre distintas especies
Su
función ha diversificado durante la evolución.
Arabidopsis
tiene cinco genes diferentes para codificar la apoproteína del fitocromo.
En
Arabidopsis thaliana se han descrito hasta cinco fitocromos diferentes,
implicados en distintas respuestas, pero con funciones solapantes entre ellas:
El
análisis es difícil porque existen numerosas interacciones entre la actividad
de cada uno de ellos con la actividad de los otros.
Los
fitocromos son capaces de mediar las diferentes respuestas a la luz
Plántulas
de Arabidopsis thaliana desarrolladas en oscuridad y bajo luz continua roja
lejana (FR) y roja (R)
Aunque
la luz roja lejana activa el desarrollo de las plántulas, no induce la síntesis
de clorofilas, por lo que presentan una coloración similar a la de las plantas
etioladas
Los fitocromos son capaces de mediar las diferentes respuesta a la luz
Esta
capacidad tiene importantes implicaciones ecológicas, está implicado por
ejemplo en:
·
la regulación de los ritmos circadianos
·
Germinación
·
desetiolación
·
Evitación de la sombra…
Los fitocromos obtienen información sobre condiciones ambientales.
Los
fitocromos permiten a la planta captar cambios en la calidad de la luz
incidente.
Es
básica la relación entre la luz roja y la luz roja lejana R/FR.
·
La relación entre luz roja y luz roja lejana es
diferente en diferentes condiciones ambientales.
·
Los fitocromos son capaces de captar esa
relación puesto que la proporción luz roja/luz roja lejana se refleja en una
proporción Pr/Pfr.
·
Esto le da información a la planta sobre sus
condiciones ambientales
Los fitocromos son sensores de la razón R:RL
a las plantas
percibir los cambios en la calidad de la luz y adaptarse a ellos
1)
R:RL constante (1.05-1.25) (condiciones
climáticas)
2)
Igual ratio MENOR intensid ad (-10) (condiciones
climáticas)
3)
R:RL baja (0.05-0.15) (bajo otra vegetación )
4)
RL reflejado R:RL baja (cercano a otra
vegetación)
5)
R:RL filtrada por la tierra (condiciones
superficie)
6)
R:RL filtrada por el agua (profundidad)
Razón entre luz roja y roja lejana.
Esa proporción percibida por las plantas, simbolizada por la expresión R:RL,
constituye un índice de la hora del día, la climatología, la densidad y la
proximidad de vegetación.
Algunos de los procesos regulados por fitocromo
·
Germinación: sólo en
algunas especies vegetales
·
Desetiolación: diferenciación de cloroplastos,
síntesis de clorofilas en luz, etc; parte del proceso general de desarrollo en
luz de las plántulas (fotomorfogénesis)
·
Percepción de la proximidad de otra planta:
escape de la sombra
·
Floración
Germinación
Control por luz de la germinación de las semillas
·
La luz roja induce la germinación
·
Si se da un pulso de R seguido de otro de RL, se
inhibe la germinación
Respuesta fotorreversible
Desetiolación
Fotomorfogénesis: Desarrollo
característico de las plantas expuestas a la luz. Inhibe el crecimiento del
hipocotilo y promueve plantas desetioladas: expansión de cotiledones,
diferenciación de cloroplastos, síntesis de clorofilas en luz
Escotomorfogénesis: Desarrollo característico de las plantas
crecidas en oscuridad
Plantas etioladas: hipocotilos largos, cotiledones
rudimentarios, no acumulan clorofila.
Huida de la sombra
·
Las hojas roja R (clorofila) absorben luz
clorofila), siendo transparentes a luz roja lejana FR que atraviesa la hoja y
llega a la sombra
·
Plantas de sol elongan su tallo al disminuir la
relación R/FR, como sucede a la sombra de otras plantas.
Síndrome de huida de la sombra
Respuestas
rápidas:
·
Hojas orientadas hacia arriba
·
Aumento de la
extensión de los internudos
·
Aumento del tamaño de los peciolos
Respuestas
a largo plazo:
·
Reducción de la ramificación
·
Reducción de la superficie foliar
·
Reducción de la acumulación de clorofila
·
Floración prematura
Desarrollo de plantas de sol y plantas
de sombra
Plantas
de sol (sun plants): respuesta de escape de la sombra; mediada por fitocromos
·
En la sombra, donde hay mayor proporción de rojo
lejano, disminuye Pr/Pfr.
·
En el sol Pr bloquea la elongación del tallo
En
las plantas de sombra no se da esta respuesta
Implicaciones económicas de la huida de
la sombra
·
Árboles como los pinos sufren claramente el
síndrome de la huida de la sombra.
En explotaciones madereras se plantan los árboles muy
próximos, para que crezcan en altura con menos ramas y con un troco más largo y
recto.
·
La huida de la sombra en cultivos supone
excesivo desarrollo vegetativo, porque intentan crecer hacia arriba, lo que
afecta a la producción.
·
Nuevos híbridos tienen atenuado dicho fenómeno,
lo que permite altísimas densidades de siembra.
Criptocromos y fototropinas
Existen
dos clases principales de respuestas a las señales luminosas en plantas: Las
respuestas de fitocromo y las respuestas a la luz azul.
Respuestas a la luz azul
Uso
de la luz como una señal medioambiental
·
Respuesta mediada por fitocromos
·
Respuestas mediadas por luz azul
Hay
respuestas que no pueden estar mediadas por fitocromos porque responden en
otras longitudes de onda del espectro
La
luz azul es absorbida por:
·
Fitocromo (también absorbe rojo) λ= 320-400nm
(UV-A) + 400-500nm (azul)
·
Clorofila (también absorbe rojo)
Los
receptores específicos de luz azul son los criptocromos y fototropinas
Como estar seguros
de que la respuesta es una típica respuesta a luz azul:
1.
No puede ser reemplazada por luz de otras
longitudes de onda
2.
No es reversible por rojo lejano
3.
Presenta el espectro de acción en “tres dedos”
Criptocromos
Son
los responsables de estas respuestas a la luz azul
Receptores
de luz azul
·
Los criptocromos se originaron a partir de un
enzima de reparación del DNA
·
En diferentes organismos esta proteína ha tenido
diversas funciones,
o Desarrollo
dependiente de luz azul en plantas.
o Cambio
de fase dependiente de luz azul en el reloj circadiano de insectos.
o Componente
del reloj circadiano en mamíferos.
Fotorreceptores de luz azul
Además
de las respuestas asociadas a fitocromo, existen respuestas que están ligadas a
la exposición de
las
plantas a luz azul tales como:
·
Fototropismo
·
Control estomático
·
Movimiento de cloroplastos dentro de la célula
·
Inhibición de la elongación del tallo
·
Seguimiento solar
·
Síntesis de pigmentos fotosintéticos, etc.
Fototropismo
Fenómeno
por el que las plantas alteran su patrón de crecimiento en respuesta a la
dirección de la radiación incidente
Curvatura
de coleóptilo de maíz hacia una luz azul lateral. Montaje de fotografías
sucesivas tomadas cada 30 minutos
Este
fenómeno es particularmente intenso en plántulas etioladas, siendo un buen
modelo para estudiar los mecanismos de transducción de la señal.
Coleóptilo:
Envoltura que rodea y protege el brote en el embrión y plántula de las
Gramineas
Solo
se produce la curvatura como respuesta a la luz azul no a otros tipos de luz.
La
dirección de la curvatura en el fototropismo depende de la orientación del foco
de luz azul y de su intensidad.
¿Cómo sienten la dirección de la luz? Igual que oímos
Gradiente
de luz establecido entre el lado iluminado y el ensombrecido. Los
fotorreceptores captan las diferencias de intensidad entre ambos lados, y
modulan así el nivel de auxina, responsable de la elongación celular. Hay el
mismo número de células en ambos lados pero son de diferente tamaño.
Las
células se elongan de forma diferencial en los dos lados del hipocotilo
La
luz azul estimula la expresión de ciertos genes. Ejp: genes implicados en la
síntesis de pigmentos fotosintéticos.
Durante
la transición de plántula etiolada a de-etiolada se produce la síntesis de
clorofilas.
Movimiento de los cloroplastos
Un gen implicado en
los pasos iniciales de su síntesis está regulado fuertemente por luz azul.
·
luz débil:
los cloroplastos se disponen en la cara alta y baja de las células del
mesófilo, maximizando la absorción de luz.
· luz
intensa: los cloroplastos se mueven hacia las paredes paralelas a la luz
incidente minimizando la absorción de luz
Respuesta
mediada por FOTOTROPINA1 (PHOT1) y FOTOTROPINA2 (PHOT)
Apertura estomática
La
apertura estomática está promovida por luz azul. Este proceso se da a lo largo
de toda la vida de la planta, frente a los efectos puntuales en el desarrollo.
Tiempo de respuesta fisiológica
El
intervalo de la respuesta fisiológica a luz azul varia desde:
·
pocos segundos: hiperpolarización de la membrana
plasmática
·
a varios minutos, horas o días
o síntesis
de clorofila
o movimiento
de hojas
o Fototropismo…etc
Identificación de fotorreceptores
La
identificación de los fotorreceptores de luz azul se ha hecho mediante el
análisis de mutantes
Criptocromo
·
El mutante cryptochrome 1 (cry1), no sufre la
inhibición del elongamiento del hipocotilo en luz azul.
·
CRY1 es una proteína pigmentada que posee
pterina y flavin adenin dinucleótido (FAD).
Fototropinas
·
La respuesta fototrópica está mediada por
fototropinas: el mutante phot1 no tiene fototropismo pero sí inhibición de la
elongación del hipocotilo.
En
Arabidopsis hay fotorreceptores cry2 y phot2, con funciones parcialmente
redundantes a sus homólogos cry1 y pho1, parecen depender de la intensidad de
luz incidente.
·
La respuesta fototrópica está mediada por
fototropinas: el mutante phot1 no tiene fototropismo pero sí inhibición de la
elongación del hipocotilo.
En
Arabidopsis hay fotorreceptores cry2 y phot2, con funciones parcialmente
redundantes a sus homólogos cry1 y pho1, parecen depender de la intensidad de
luz incidente.
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