Mecanismos de desarrolloy fisiología de raíces de plantas superiores Gladys I. Cassab y Yoloxóchitl Sánchez-Guevara Y sin embargo... se mueven Las plantas, al estar enraizadas, son inmóviles, alta presión de agua de un lado de la célula y y por lo tanto deben confrontar el destino que disminuyéndola del otro. Los lirios son capaces se les presente. Sin embargo las plantas no de mover sus bulbos a mayor profundidad en son estáticas. Las flores se abren y se cierran, el suelo, contrayendo sus raíces para proteger- las hojas se extienden hacia la luz del día y se se del frío. Por otro lado, un bambú toma tan- doblan por la noche, las especies que aman ta agua que puede crecer hasta 40 cms. en un la sombra se alejan de la luz directa del sol o, solo día, y el concreto de una banqueta puede 213 como la Mimosa pudica, se colapsan repentina quebrarse por la germinación de unas cuantas y dramáticamente al ser estimuladas mecáni- semillas, ya que éstas pueden producir una pre- camente. Las raíces navegan continuamente sión de miles de kilos por m2. Así que las plan- en su entorno con el fin de encontrar agua y tas, al igual que los animales, utilizan un com- nutrientes. También, las raíces evitan horizon- portamiento exploratorio para aumentar sus tes del suelo con microorganismos peligrosos oportunidades de sobrevivencia al optimizar la o con plantas competidoras. Además, en este búsqueda de agua y recursos alimenticios, ga- mundo hostil, las plantas presentan diversos rantizando su reproducción y paso de genes a programas de desarrollo que les permiten so- la siguiente generación. Esto nos indica que las brevivir y reproducirse. Por ejemplo, en la selva plantas construyen una perspectiva tridimen- amazónica, la palma con zancos, también co- sional de su ambiente y, en consecuencia, utili- nocida como palma caminadora, crece hasta 22 zan mecanismos evaluadores similares a los de metros de altura y tiene un tronco que no toca algunos animales. el suelo; cuando se aproximan competidores o si perciben una grieta en el suelo, sus raíces adquieren una forma cónica que la sostienen Principios físicos de los movimientos y le permiten “caminar” lentamente mediante en las plantas la producción de nuevas raíces adventicias en Las escalas de los movimientos de las plantas el lado iluminado. Las raíces en el lado oscuro varían en diferentes órdenes de magnitud, son abandonadas (Allen, 1977). La vid se enros- tanto en tiempo como en duración, pero final- ca alrededor de un soporte acumulando una mente están basadas en la mecánica y en la hi- Biotecnologia V14 CS3.indd 213 11/14/07 5:02:05 PM 214 | Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores ] Figura 1. Plántula de Arabidopsis crecida en posición vertical gra- viestimulada (colocándola en posición horizontal). En 3.5 horas, la raíz inicia su curvatura siguiendo el vector de gravedad (gravitropismo positivo) y la parte aérea tiende a curvarse en contra del mismo estímulo (gravitropismo ne- gativo). La dirección del vector de gravedad (g) se muestra con la flecha grande. Biotecnologia V14 CS3.indd 214 11/14/07 5:02:06 PM Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores | 215 dráulica, es decir, en la mecánica del transporte para crear un estímulo mecánico. Observó que de agua a través de un tejido elástico. Del mo- la raíz perdía su comportamiento gravitrópico, vimiento rotatorio y helicoidal de órganos en ya que el estímulo resultaba en un movimiento crecimiento (conocido como circumnutación), tigmotrópico lejos del punto de contacto. a la apertura y cierre de los estomas, las plan- Recientemente se ha reportado un compor- tas se están moviendo todo el tiempo, a veces tamiento similar (el evitar obstáculos) en raíces demasiado lento para ser percibido a simple de Arabidopsis. Cuando las raíces de Arabidopsis vista. Los movimientos rápidos, aunque raros, se enfrentan a una barrera de vidrio, el gravi- son utilizados por varias plantas en funciones tropismo se ve comprometido y ocurre en su esenciales, tales como la dispersión de semi- lugar el tigmotropismo. Las raíces estimuladas llas (Hura crepitans) o del polen (orquídeas del mecánicamente ignoran su propensión a cre- género Catasetum, o en plantas disparadoras cer hacia el vector de la gravedad y, en su lugar, como Stylidium, Cornus canadensis e Impatiens crecen lejos del punto de contacto mecánico. sp.), o de defensa (Mimosa) y nutrición (plantas La interacción de la gravedad con el estímulo carnívoras como Dioneae muscipula, la venus mecánico ocurre a nivel subcelular; el tacto re- atrapamoscas). Las respuestas rápidas al tacto trasa una de las primeras respuestas a la grave- son conocidas como respuestas tigmotrópicas dad, la caída de gránulos de almidón en la parte o tigmonásticas (tigma es el griego de tacto). inferior de las células de la columela de la cofia Las respuestas trópicas y násticas se distinguen de la raíz. por la influencia del vector del estímulo en la Esta respuesta de evitar obstáculos ha sido dirección del movimiento. Las respuestas trópi- propuesta como un componente importante cas ocurren de una manera determinada por la de la respuesta de ondulamiento de las raíces de dirección o lugar del estímulo. Por el contrario, Arabidopsis crecidas en placas con agar concen- las respuestas násticas son movimientos, tales trado y en posición inclinada (Okada y Shimura, como el doblamiento de las hojas de Mimosa 1990). Bajo estas condiciones de crecimiento, pudica, que ocurren en dirección completa- las raíces forman un patrón de ondas sinus- mente independiente del estímulo. oidales como consecuencia de las direcciones alternantes de expansión celular diferencial en la zona de elongación y el doblamiento de las Tropismo en raíces células de la punta. Mutantes defectuosas en Charles Darwin (Darwin, 1880) contempló el este patrón tan elegante de crecimiento han destino de las raíces mientras viajaban en el provisto evidencia de la importancia del trans- suelo enfrentando varios obstáculos, como porte polar de auxinas y la función de los mi- piedras en su camino. Observó que cuando las crotúbulos para un ondulamiento apropiado. raíces son bloqueadas en su camino hacia aba- Especies reactivas de oxígeno (ROS por jo por un obstáculo, tal y como una placa de sus siglas en inglés) son señales importantes vidrio, las puntas de las raíces se aplanaban, ad- en la respuesta a estímulos y en la morfogé- quirían una forma oblicua y se curvaban casi 90 nesis vegetal. Las ROS han sido detectadas grados para tomar una nueva dirección de cre- inmediatamente después de una perturba- cimiento sobre la superficie de vidrio. Darwin ción mecánica. Cambios coincidentes de ROS suponía que el ápice de la raíz era sensible a es- y Ca2+ en varios comportamientos de plantas tímulos mecánicos y que el contacto resultaba y la evidencia de la regulación por ROS de los en la transmisión de una señal que cambiaba canales de Ca2+ sugiere que estas dos seña- la dirección de crecimiento en la región proxi- les subcelulares pueden ser generadas inter- mal de la raíz. También experimentó con raíces dependientemente y estar al mismo tiempo en cuya punta colocaba pedazos de papel lija ligadas. Biotecnologia V14 CS3.indd 215 11/14/07 5:02:06 PM 216 | Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores Gravitropismo tas es mediada por la sedimentación o presión/ La gravedad es una señal ambiental única, ya tensión ejercida por los plástidos llenos de almi- que está presente de manera continua, es uni- dón (estatolitos) dentro de las células de la colu- direccional y tiene esencialmente una intensi- mela de la cofia en raíces y dentro de la capa de dad constante. Las plantas han desarrollado almidón de la endodermis en tallos. Este mo- mecanismos que utilizan este indicador am- delo está apoyado por la observación de que la biental para guiar su dirección de crecimiento y disminución genética o fisiológica de almidón tener acceso óptimo a recursos esenciales. Este en ambas células resulta en un gravitropismo tropismo asegura que las raíces crezcan hacia alterado. Se desconoce cómo sienten la sedi- abajo en el suelo, donde pueden tomar agua mentación de amiloplastos los estatolitos de la y minerales (gravitropismo positivo), mientras raíz o la endodermis del tallo. Es posible que los que los tallos crecen hacia arriba en el aire, estatolitos al sedimentar contacten receptores donde pueden fotosintetizar, reproducirse y embebidos en las membranas de la célula y dispersar sus semillas (gravitropismo negativo) consecuentemente disparen la señalización de (figura 1). También el gravitropismo permite la gravedad dentro de la célula. Sin embargo, el que las plantas cultivadas desvanecidas por el modelo de interacción receptor-estatolito es viento o por tormentas se enderecen evitando inconsistente con las observaciones que sugie- así descomponerse por la humedad de suelo. ren que la sedimentación de amiloplastos per Para responder a este tropismo, la planta tiene se parece no ser necesaria para la percepción de que sentir su orientación en el campo gravita- la gravedad. Por ejemplo, mutantes deficientes torio. La percepción de un cambio en la orien- en almidón aún muestran respuesta gravitró- tación del órgano (graviestimulación) por las pica en la raíz, aunque disminuida. También es células perceptoras de la gravedad (estatocitos) posible disparar la señalización de la respuesta da como resultado la formación de una señal gravitrópica al someter a plántulas a estímulos bioquímica que se transmite al sitio del órgano gravitrópicos muy cortos y consecutivos que donde se desarrolla la curvatura. Darwin pos- son insuficientes para promover la sedimenta- tuló que durante la graviestimulación había ción de amiloplastos. De ahí que, hasta la fecha, “algo” que se movía de la punta a la zona de no existe un buen candidato para un receptor la raíz que le permitía desarrollar una curvatu- de la fuerza de la gravedad ejercida por los ami- ra (Darwin, 1880). En la primera parte del siglo loplastos en estructuras intracelulares. Sin em- XX, Cholodny (1927) y Went y Thimann (1937) bargo, no se puede excluir la posibilidad de que independientemente propusieron que debido varias vías actúen en concierto para percibir la a la redistribución de una sustancia promoto- gravedad en raíces. Además, evidencia de más ra del crecimiento de un lado de la raíz o tallo de un siglo apoya la existencia de un mecanis- se producía la respuesta gravitrópica. Llamaron mo secundario de percepción de la gravedad a esta sustancia “auxina” que es el griego de en raíces, particularmente en la zona distal de “aumentar”. Un nombre apropiado, debido a elongación, con una capacidad de percepción sus propiedades promotoras de la elongación de aproximadamente 20%. Es posible que este celular. La auxina se purificó muchos años des- sistema provea la redundancia necesaria al sis- pués y llegó a ser la primera sustancia vegetal tema principal, regulando la actividad de los llamada “hormona”. De ahí que la señalización transportadores de auxina a lo largo de la zona disparada por la gravedad controla aspectos es- distal de elongación de la raíz. pecíficos del transporte de auxinas y, de hecho, La mayoría de los mecanismos de la per- mutaciones en los transportadores de auxina cepción de gravedad postulan la activación afectan al gravitropismo en tallos y en raíces. de canales de iones mecano-sensibles como La hipótesis de los estatolitos-almidón pos- primer paso en la transducción de la señal gra- tula que la percepción de la gravedad en plan- vitrópica. Sin embargo, la identidad molecular Biotecnologia V14 CS3.indd 216 11/14/07 5:02:06 PM Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores | 217 7 8 cd cd c[^ mj c[^ f^ 8 cd mj c[^ d^h' ] f^ Figura 2. Selección de mutantes no hidrotrópicas de Arabidopsis. (A) Sistema de escrutinio formado por un medio normal (mn) en la parte superior y un medio sólido de estrés hí- drico en la parte inferior (meh). (B) Las raíces silvestres de Arabidopsis (wt) crecen hacia abajo y muestran curvatura en respuesta al estímulo hidrotrópico en el medio normal, evitando el sustrato con bajo potencial hídrico del medio estresante. Mutantes putativas (nhr1) fueron selecciona- das de acuerdo a su inhabilidad de desarrollar una cur- vatura hidrotrópica positiva y de mantener crecimiento continuo en las condiciones severas de déficit de agua del medio estresante (*). La flecha negra indica la dirección del vector de la gravedad (g); la barra azul claro-azul oscuro indica el gradiente de humedad. Biotecnologia V14 CS3.indd 217 11/14/07 5:02:07 PM 218 | Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores 8 9 [j_b[de µ5 D>H' Wkn_dW ] µ7875 9W (! YbkbWiZ[ Yebkc[bW f>o9W(! [j_b[de µ5 ]hWZ_[dj[Z[^kc[ZWZ Wc_befbWijei Wkn_dW 9 D>H' [j_b[de _dWYj_le µ5 Wkn_dW µ7875 ] ] YbkbWiZ[ Yebkc[bW f>o9W(! ]hWZ_[dj[Z[^kc[ZWZ Wc_befbWijei i_d]hWZ_[dj[Z[^kc[ZWZ Figura 3. La percepción de la gravedad ocurre en las células columela, que contienen amiloplastos, los cuales sedimentan siguien- do la gravedad y son responsables de su percepción. Una vez que el estímulo se percibe, una señal asimétrica se origina en las células de la columela, que produce un movimiento lateral de auxinas (B). La percepción de gradientes de hume- dad puede ocurrir en cualquier célula de la cofia (probable- mente en las células de la cofia lateral),y dispara la degrada- ción de amiloplastos en las células columela. Se desconoce la cadena de eventos que continúan, pero podrían incluir a un transporte lateral de auxinas, que orientarían a la raíz en la dirección del gradiente de humedad (A). La flecha negra indica la dirección del vector de la gravedad (g); la barra azul claro-azul oscuro indica el gradiente de humedad; la barra azul oscuro representa la ausencia de gradiente de hume- dad; las flechas dentro de las raíces denotan la dirección del transporte de auxinas. La continuidad de estas flechas correlaciona con los niveles de auxinas transportadas. La flecha dentro de la célula indica un incremento en la con- centración de Ca2+ y el pH de la misma. Biotecnologia V14 CS3.indd 218 11/14/07 5:02:10 PM Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores | 219 de estos canales continúa siendo un misterio. a la gravedad interactúa fuertemente con la Recientemente, anotaciones en el genoma de respuesta hidrotrópica. De ahí que varios mé- Arabidopsis revelan la existencia de diez proteí- todos, tales como el uso de mutantes agravi- nas que comparten dominios funcionales con trópicas, microgravedad en el espacio y clino- los canales mecano-sensibles de bacterias. Al- rotación, hayan sido utilizados para diferenciar gunos de estos genes se expresan altamente entre ambas respuestas trópicas. El uso de la en la punta de la raíz y uno de ellos es regulado mutante de chícharo ageotropum en estudios por graviestimulación. de hidrotropismo fue significativo, ya que se En conclusión, todos los avances genéti- observó que sus raíces agravitrópicas respon- cos y de análisis genómicos del gravitropismo dían al hidrotropismo, indicando la indepen- sugieren vías múltiples de modulación de la dencia de las vías de percepción y señalización transducción de la señal de gravedad en la raíz para ambos (Jaffe et al., 1985). e hipocotilo. Por lo que tendrán que enfocarse Comparado con el gravitropismo, el hidro- experimentos futuros a la identificación de re- tropismo no ha sido popular en estudios gené- des reguladoras que conecten vías paralelas y a ticos por la dificultad de establecer un sistema entender los mecanismos que integran a estas de escrutinio a gran escala que provea una redes con otras respuestas trópicas. apropiada interacción estímulo-respuesta. De Sin embargo, durante el curso de desarrollo ahí que la implementación de un sistema de de una planta, varios órganos pueden alterar su aislamiento de mutantes con respuestas abe- ángulo de crecimiento con respecto al vector de rrantes a gradientes de potencial de agua es la gravedad, al percibir cambios en su micro-am- significativo (Eapen et al., 2003). Este sistema biente y, por lo tanto, responder trópicamente a está compuesto de una caja Petri cuadrada con humedad (hidrotropismo), luz (fototropismo), un medio sólido nutritivo normal en la parte distribución de nutrientes (quimiotropismo), superior (donde se colocan las semillas de Ara- obstáculos (tigmotropismo), etc. bidopsis) y un medio sólido de estrés hídrico en la parte inferior (figura 2). Las raíces silvestres de Arabidopsis crecen hacia abajo y después de Hidrotropismo 5 o 6 días muestran curvatura en respuesta al La supervivencia de las plantas terrestres de- estímulo hidrotrópico en el medio normal, evi- pende de la capacidad de las raíces para obte- tando así el sustrato con bajo potencial de agua ner agua y nutrientes del suelo. El crecimiento del medio estresante. Mutantes putativas fue- direccional de las raíces con relación a la dispo- ron seleccionadas de acuerdo a su incapacidad nibilidad de agua se conoce como hidrotropis- de desarrollar una curvatura hidrotrópica po- mo, y comienza en la cofia con la percepción del sitiva y de mantener crecimiento continuo en gradiente de humedad. Aún cuando la carencia las condiciones severas de déficit de agua del de agua es uno de los factores más importantes medio estresante. Esto último es importante que afectan la agricultura, existen muy pocos para distinguir mutantes no hidrotrópicas de estudios sobre este tropismo en comparación mutantes resistentes a sequía. Se encontraron con el gravitropismo o fototropismo. Por ejem- dos mutantes a las que se les llamó nhr1 y nhr2 plo, el aislamiento de mutantes sin respuesta (no hydrotropic response). Raíces de nhr1 mos- hidrotrópica fue reportado 19 años después de traron una respuesta gravitrópica positiva más las primeras mutantes agravitrópicas (Eapen et rápida que la observada en raíces silvestres. Por al., 2005). En consecuencia, no es sorprendente lo que la ausencia de la respuesta hidrotrópica que aún no sepamos cómo y en qué células de en raíces de nhr1 parece aumentar su respues- la cofia se perciben los gradientes de humedad. ta gravitrópica positiva. Además, raíces de nhr1 El análisis del hidrotropismo siempre ha sido contienen amiloplastos muy grandes en los difícil de realizar porque la respuesta de la raíz estatocitos, que probablemente podrían ace- Biotecnologia V14 CS3.indd 219 11/14/07 5:02:10 PM 220 | Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores lerar su percepción y respuesta a la gravedad. los genes involucrados en esta respuesta. Para Raíces de nhr1 incrementan su crecimiento en ello, también diseñamos un sistema de selec- presencia de ácido abscísico (ABA), una hormo- ción en Arabidopsis thaliana con el fin de iden- na implicada en la respuesta a sequía, tanto tificar mutantes que responden más eficiente- en condiciones control como en condiciones mente (super-hidrotrópicas, denominadas suh). limitantes de agua. Inclusive, ABA aumenta sig- Las raíces de la mutante suh1 crecen hasta 5 nificativamente la penetrancia del fenotipo no o 6 veces más que las raíces silvestres, lo que hidrotrópico de esta mutante. les permite llegar a la zona de la caja Petri con Se sabe relativamente poco acerca de los me- mayor potencial de agua (donde se coloca el canismos moleculares que utiliza la cofia para medio normal) en menos de diez días (figura integrar gradientes de agua, gravedad, obstácu- 4). Además, después de 16 días, desarrollan los y varios estímulos más para generar sólo la muchas raíces laterales y, por ende, pueden ab- respuesta apropiada. La habilidad de la cofia de sorber mucho más agua. En cambio, las raíces percibir gradientes de humedad parece generar silvestres detienen su crecimiento cinco días una señal dominante que debilita la percepción después de germinar y las plántulas mueren y respuesta a la gravedad. Se ha observado que aproximadamente a los 10 o 12 días. La carac- la respuesta reducida a la gravedad en raíces hi- terización genética y fisiológica de estas dos droestimuladas de Arabidopsis y rábano se debe clases de mutantes está aún en proceso, así en parte a la degradación simultánea de amilo- como la identificación de los genes mutageni- plastos en sus estatocitos. Raíces estimuladas zados por mapeo posicional. Por otro lado, he- por tacto retardan la tasa de sedimentación mos aislado cinco genes específicos de la cofia de los amiloplastos, reduciendo también la res- del maíz y estamos estudiando la regulación de puesta gravitrópica. Sin embargo, la respuesta sus patrones de expresión por parte del meris- hidrotrópica ejerce un efecto más dramático que temo de la raíz, así como su respuesta a diver- el tigmotropismo, quizás por la importancia del sos estímulos ambientales, con el fin de anali- agua para la supervivencia de las plantas (figura zar la comunicación celular entre el meristemo 3). Estos mecanismos indican que los estatocitos y la cofia. Finalmente, estamos estudiando la parecen haber adquirido durante su evolución posible convergencia en la expresión genética diferentes tipos de receptores para percibir una entre la cofia y el tubo polínico, ya que en am- gran variedad de estímulos que además sean bas estructuras se presentan características fi- capaces de integrar cuantitativamente las di- siológicas comunes, tal y como en la respuesta ferentes señales e iniciar la respuesta trópica trópica a gradientes químicos y de humedad. adecuada (Eapen et al., 2005). Los estatocitos El análisis genético del hidrotropismo nos consecuentemente podrían utilizar elementos ha permitido elucidar los mecanismos que comunes de señalización, localizados río abajo utiliza la cofia para percibir y responder simul- (redistribución de auxina, cambios en el pH, Ca2+, táneamente a los gradientes de humedad y etc.), en todos los sistemas perceptores y así sin- a la gravedad. Este conocimiento nos permi- cronizar la respuesta. Sin embargo, aún se des- tirá entender cómo la cofia procesa señales conoce el lugar y mecanismo de percepción de ambientales que le permiten regular el creci- agua, por lo que estudios futuros tendrán que miento no sólo de la raíz sino de toda la plan- responder a esta pregunta. ta. Asimismo, este conocimiento nos permi- En el laboratorio, por un lado, investigamos tirá manipular a plantas cultivables para que la capacidad de la cofia de sentir y de dirigir el optimicen su búsqueda de fuentes de hume- movimiento de la raíz hacia gradientes de hu- dad, especialmente donde no se dispone de medad y estamos interesados en identificar a sistemas de riego. Biotecnologia V14 CS3.indd 220 11/14/07 5:02:10 PM Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores | 221 8 9 c[^ c[^ cd ik^ cd f^ 9 c[^ f^ ik^ cd mj ] Figura 4. Selección de mutantes super hidrotrópicas (suh) en Arabi- dopsis thaliana. (A) Sistema de escrutinio formado por un medio estresante (meh) en la parte superior y un medio normal (mn) en la parte inferior. (B) Las raíces silvestres de Arabidopsis (wt) detienen su crecimiento a los 6 días en el meh. Mutantes putativas (suh) fueron seleccionadas de acuerdo a la capacidad de sus raíces de crecer rápidamen- te hacia el mn donde se encuentran condiciones más ópti- mas de crecimiento. La flecha negra indica la dirección del vector de la gravedad (g); la barra azul indica el gradiente de potencial de agua (ph). Biotecnologia V14 CS3.indd 221 11/14/07 5:02:31 PM 222 | Mecanismos de desarrollo y fisiología de raíces de plantas superiores Bibliografía Allen, P. H., The rain forests of Golfo Dulce, Standford, Stan- dford University Press, 1977. Darwin, C., The power of movement in plants, Londres, William Cloves & Sons, Ltd., 1880. 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Report "31. Desarrollo y Fisiologia de Raices.pdf"