4. Coordinación celular

Plantas

En su vida de nómadas los grupos humanos cubrían sus necesidades alimentarias mediante la caza, la pesca y la recolección de frutas, hojas, raíces y granos. Con el descubrimiento de la agricultura se les facilitó disponer de los recursos para satisfacer especialmente la demanda alimentaria.

Más tarde, los agricultores buscaron mejorar sus cultivos y obtener de ellos nuevas variedades con mejor calidad nutricional, mayor rendimiento y facilidad de cultivo. Para ello, practicaron la selección artificial y la cruza entre especies emparentadas. De esta manera, las plantas cultivadas que presentaban caracteres mejorados se seleccionaron y se incrementaron por medio de los ciclos de cultivo, hasta obtener la nueva variedad poseedora de los rasgos deseados. Este procedimiento para crear nuevas variedades se conoce como fitomejoramiento tradicional y sus logros fueron exitosos por mucho tiempo. Sin embargo, con el crecimiento actual de la población humana —se calcula que somos más de 6 000 millones de habitantes en el mundo—, con más de 840 millones afectados por el hambre, el fitomejoramiento tradicional resulta insuficiente para cubrir las necesidades alimentarias que impone el crecimiento poblacional.

Plantas transgénicas

Actualmente, para elevar el rendimiento de producción, desarrollar en los cultivos su resistencia al ataque de plagas y enfermedades y reducir los costos de producción, se presenta como alternativa más viable el cultivo transgénico. Las plantas transgénicas son aquellas que por medio de las técnicas de la biología molecular de la ingeniería genética, se les introduce genes de plantas de otra especie, incluso de otros grupos de organismos como bacterias, hongos y animales.

Estas nuevas técnicas permiten manipular la información genética de los organismos y de esta manera obtener productos transgénicos de mejor calidad.

El organismo transgénico, como en el caso de las plantas, se modificó su patrimonio genético al incorporarle genes de especies diferentes por medio de la ingeniería genética, por eso también se llaman organismos modificados genéticamente (OMG).

El desarrollo de esta nueva tecnología despertó inquietud en diferentes sectores de la sociedad, particularmente en los grupos ambientalistas, los cuales se manifiestan rechazando el consumo de los productos transgénicos, ante la desconfianza de que los genes foráneos que se introducen en las plantas puedan generar daños a la salud humana o producir alteraciones en los ecosistemas. Frente al debate que surgió entre los defensores y detractores de los productos transgénicos hay quienes sugieren un previo análisis científico de los beneficios y riesgos que de cada caso pudiera derivar.

Las células de las plantas trabajan en forma coordinada para producir las respuestas a los estímulos que reciben de su medio externo e interno. Para ello, se establece la comunicación entre célula y célula por medio de las fitohormonas (hormonas vegetales), que son mensajeras químicas, moléculas secretadas por una célula que influirán en las actividades de otra célula.

Hormonas vegetales A diferencia de algunos animales que disponen de los sistemas nervioso y endocrino para regular las respuestas a los estímulos y mantenerse relacionados con su medio, las plantas sólo tienen coordinadores químicos que son las hormonas vegetales o fitohormonas. Los grupos de fitohormonas que más se conocen son: auxinas, giberelinas, citocinas, ácido abscísico y etileno. Auxinas. El ácido indolacético (AIA) es la sustancia que inicialmente se le asignó el nombre de auxina, después se descubrieron otras sustancias con acción semejante que también se identificaron con

el mismo nombre. Las auxinas participan en el alargamiento celular, la formación de la pared celular y la dominancia del crecimiento apical. La concentración de la auxina por el lado sombreado de las yemas de los tallos promueve el alargamiento celular de ese lado, lo que hace que el tallo se flexione hacia la luz; este proceso se conoce como fototropismo positivo. El predominio del crecimiento apical inhibe el crecimiento de las yemas laterales. Esta dominancia puede interrumpirse con el corte de la yema terminal, lo que propicia el desarrollo de las yemas laterales. Las auxinas promueven el crecimiento radicular (raíces) en los vegetales. Giberelinas. En 1938, los científicos japoneses Teijiro Cubata (1888-1977) y Yuseke Sumiki (1901-1974), identificaron y aislaron el ácido giberélico. Sin embargo, en 1955 esta hormona se conoció en el mundo occidental y despertó el interés de especialistas y horticultores que comprobaron que la hormona promueve el alargamiento del tallo; así lo demostraron las plantas a las que se les aplicó giberelinas, ya que crecieron dos o tres veces más que aquellas que no fueron sometidas al tratamiento. Las giberelinas inducen a la formación de flores en la mayor parte de las angiospermas, e interrumpen el periodo de latencia de las semillas. Citocinas. Al parecer este grupo de fitohormonas influye junto con las auxinas en la mitosis de las células de los meristemos, promueve la síntesis de proteínas y retrasa el envejecimiento de las hojas. Ácido abscísico (aba). Actúa en las hojas de las plantas expuestas a condiciones de sequía y activa el cierre de los estomas. De esta manera, las plantas ahorran agua y aumentan su posibilidad de supervivencia. También, induce la latencia de yemas y semillas —es decir, inhibe el crecimiento apical al disminuir la división celular en las yemas— y retarda la germinación de semillas. Etileno. Esta hormona vegetal gaseosa promueve la germinación de las semillas, inhibe el alargamiento celular de la planta y estimula la floración y la maduración de las frutas. Durante su proceso de maduración, las frutas producen etileno, lo que activa más la maduración, por eso se utiliza comercialmente para hacer madurar algunas frutas. También se difunde de fruta en fruta: la secreción de etileno de una fruta madura activa la maduración de frutas vecinas. De allí el fundamento del dicho “la manzana podrida daña al resto”; la manzana podrida sería la más madura que al liberar grandes cantidades de etileno acelera la maduración de las otras manzanas. Además, el etileno estimula la abscisión de la hoja (foliar); en esta función al parecer influye la concentración de la auxina en la hoja que disminuye cuando se acerca el otoño, al mismo tiempo que el etileno se produce en la base del peciolo. ared celular Figura 3.24 Crisantemo, flor de dia corto. Figura 3.25 Los tréboles son ejemplos de día largo.

Fotoperiodos Se llama fotoperiodo a la duración del día respecto a la noche; fenómeno que resulta del cambio de las estaciones del año. Las plantas detectan estos cambios y hasta se anticipan a ellos a través de la fotoperiodicidad.

La periodicidad en la floración La fotoperiodicidad es toda reacción de las plantas ante la duración del día y la noche. De acuerdo con la respuesta de la floración a las variaciones del fotoperiodo, las plantas se identifican en tres grupos:

Luz 16 h. Oscuridad 8 h.

No florece

Florece

Luz 8 h. Oscuridad 16 h.

Oscuridad 16 h. interrumpida Luz 8 h.

No florece

Florece

No florece Florece

las de día corto o de noche larga, las de día largo o de noche corta y las neutras. Las de día corto florecen cuando tienen periodo de oscuridad más largos que cierto periodo crítico según su especie; por ejemplo, la noche buena, los crisantemos las dalias (fig. 3.24). Las plantas de día largo florecen cuando la noche tiene una duración menor de un periodo crítico, como las espinacas, el trébol y la lechuga (fig. 3.25); las neutras son las que florecen en forma independiente del fotoperiodo, porque seguramente reaccionan ante otro tipo de estímulo, por ejemplo, el tomate, diente de león y el frijol. Planta de día largo Mecanismos de respuesta Latencia. Es un estado temporal en el que se reducen las actividades fisiológicas de la planta. De esta manera, resiste las condiciones desfavorables del ambiente en los periodos de frío y de sequía. Esta característica Figura 3.26 ra 3 26 que permite a la planta sobrevivir ante las Experimento que muestra las respuestas de fotoperiodicidad de las plantas de día corto y de día largo. condiciones adversas de su medio al igual que las demás adaptaciones desarrolladas, tiene una base genética en sus células. Se descubrió que la hormona que más induce la latencia es el ácido abscísico (ABA), al cual se le asignó este nombre porque en un principio se pensó que promovía la caída de las hojas, flores y frutos (abscisión); actualmente, se sabe que casi no tiene relación con la abscisión. En cambio se comprobó que inhibe el crecimiento apical al disminuir la división celular de Figura 3.27 las yemas, asimismo retarda la germinación de las semillas. Por lo que se identificó como la hormona que activa cambios en los tejidos vegetales ante condiciones de sequía y salinidad. Floración. Las angiospermas florecen en distintas épocas del año. Ya hemos visto, como ejemplo de la fotoperiodicidad, la respuesta biológica de la floración ante los cambios de la duración de la luz en relación con la oscuridad de la noche (las plantas se agrupan en de día corto, de día largo y neutras). Sin embargo, se llegó a comprobar que el estímulo del medio que promueve la floración no es la duración de la luz del día, sino el periodo de oscuridad de la noche. Se experimentó con plantas de día corto que requieren menos de 16 horas de luz por cada 24 horas de oscuridad para florecer (fig. 3.26). Cuando se interrumpe su periodo largo de oscuridad en tan sólo un minuto, al exponerlas a la luz de una lámpara, las plantas no florecen. Lo que indica que requieren un periodo mínimo de oscuridad ininterrumpida

El fitocromo. Existe en dos formas P r y Pfr, esta última es la forma activa. Ambas se convierten de una forma a otra. La luz roja (660 nm) convierte el P r en Pfr y la luz roja lejana (730 nm) convierte el Pfr en P r

para florecer. En cambio, las plantas de día largo, que florecen en periodos de luz de 16 horas y oscuridad de ocho horas, cuando se someten a periodos de ocho horas de luz y 16 de oscuridad, en laboratorio, también pueden florecer si la oscuridad se interrumpe brevemente por la exposición de la luz de una lámpara. De esta manera responden ante la interrupción artificial del periodo de oscuridad como si se tratara de dos noches cortas de inicio de la estación de verano y florecen. Situación que aprovechan los floricultores para hacerlas florecer fuera de la estación en que normalmente lo hacen.

Fitocromo y floración El fitocromo es un pigmento verdeazul que se encuentra en las células de plantas vasculares, actúa como fotorreceptor (sensible a la luz y, también, la absorbe) en una gran variedad de reacciones fisiológicas, entre ellas la floración. El fitocromo lo constituye una familia de proteínas, cada una codificada por un gen distinto. Cada molécula del fitocromo se encuentra en dos formas intercambiables: P r y Pfr. La forma P r absorbe radiación de luz roja de una longitud de onda de 660 nanómetros (nm); la forma Pfr absorbe radiación de luz roja lejana, de una longitud de onda de 730 nm y es la forma molecular activa del fitocromo que induce o inhibe reacciones fisiológicas. Con facilidad ambas se convierten de una a otra forma, cuando la forma Pr absorbe luz roja se convierte en Pfr y cuando la forma Pfr absorbe luz roja lejana se transforma en Pr. Durante la noche, la forma Pfr revierte a la forma P r, por eso su concentración disminuye; en cambio, cuando la planta se expone a la luz solar la concentración de Pfr se incrementa (fig. 3.27). La forma Pfr inhibe la floración de las plantas de día corto, de tal manera que estas plantas requieren de noches largas para florecer, ya que durante ellas hay mayor conversión de Pfr a P r. No es así en las plantas de día largo en las que la forma Pfr induce la floración, porque aunque disminuye la concentración de la forma activa Pfr por su conversión a P r, debido a lo breve que resultan los periodos de oscuridad, la planta conserva suficiente Pfr para inducir la floración. Cuando el periodo de oscuridad se interrumpe a la mitad por una breve iluminación de luz roja gran parte del fitocromo se vuelve a convertir de Pr a Pfr, lo que inhibe la floración de las plantas de día corto e induce la floración de las de día largo. El porqué las diversas plantas reaccionan de manera diferente a la forma activa del fitocromo (Pfr) aún es objeto de estudio. Ciclos circadianos. Circadiano (de los vocablos latinos circa, cerca, alrededor de y dies, día) significa que son ritmos que ocurren en ciclos de 24 horas. Estos ciclos diarios obedecen a un reloj biológico interno y suceden aun sin estímulos externos. Sin embargo, el ciclo de luz y oscuridad, del día y la noche, ayudan a mantener sincronizado el reloj biológico. Los ciclos circadianos difieren de la fotoperiodicidad en la que la planta responde a cambios de duración del día y la noche que se presentan en distintas épocas del año. Ejemplos del ritmo circadiano en plantas son la apertura y el cierre de sus estomas, ciertos movimientos que se observan en la planta de frijol, que durante el día extiende sus hojas en forma horizontal, lo que permite mayor absorción de luz solar y en la noche las hojas se pliegan hacia abajo. Tropismos. Este término viene del griego tropos que significa vuelta o movimiento hacia y del subfijo latín ismus, que quiere decir tendencia. Es la respuesta del vegetal mediante la orientación de su crecimiento a un estímulo externo. Cuando su crecimiento se orienta hacia el estímulo se dice que su tropismo es positivo, mientras que si es en sentido opuesto, su tropismo es negativo. Las hormonas controlan los tropismos.

Figura 3.28 El algodón, planta que sigue el movimiento solar.

Figura 3.29 La planta sensitiva Mimosa.

Aprende a ser en la biología

En equipo, diseñen un experimento para comprobar el fototropismo de una planta, reúnan el material que la actividad requiere y procedan a llevarlo a cabo. Con la participación de cada uno de los integrantes del equipo, elaboren un reporte en el que expondrán ante el grupo sus conclusiones, argumentando teóricamente lo que resultó de su experimento; asimismo, mencionarán la importancia que este proceso tiene en el medio ambiente en el que se desenvuelven.

Evaluación formativa

Contesta brevemente las preguntas siguientes: 1. Explica la fotoperiodicidad mediante ejemplos de plantas que presenten algunos cambios. 2. ¿Qué ventajas le reportan a la planta su periodo de latencia? Menciona algunas que se vean favorecidas por este estado temporal. 3. ¿Cómo se puede forzar a una planta de día largo (que florece en verano) para que florezca en días cortos (invierno)? 4. ¿Qué diferencias hay entre el fototropismo y el tigmotropismo? Cita algunos ejemplos que caractericen a cada uno de ellos. 5. ¿Por qué la respuesta nástica de la planta sensitiva

Mimosa son movimientos por turgencia? 6. ¿Qué son los ciclos circadianos? Cita un ejemplo.

Figura 3.30 Plantas medicinales. • Fototropismo. Es el crecimiento de la planta que se estimula por la luz. Las yemas de la mayor parte de los tallos crecen hacia la luz, lo que indica que exhiben un fototropismo positivo, el cual se debe a que por el lado sombreado se concentra la mayor cantidad de la hormona auxina, que promueve el alargamiento de las células de ese lado, lo que propicia que el tallo se flexione hacia la luz.

• Gravitropismo (también se nombra geotropismo). Es el crecimiento de la planta en respuesta a la gravedad. Mientras las raíces manifiestan un gravitropismo positivo porque crecen orientados hacia el centro de la Tierra, el tallo presenta un gravitropismo negativo, ya que crece en sentido opuesto. • Tigmotropismo. Es el crecimiento de la planta en respuesta al contacto con algún objeto sólido; por ejemplo, las plantas que forman enredaderas crecen cuando sus zarcillos (hojas modificadas) entran en contacto con el alambre de alguna cerca y se enrollan alrededor de él.

• Heliotropismo (también se llama seguimiento solar). Consiste en la capacidad de algunas plantas de seguir el movimiento solar con sus hojas o flores; por ejemplo, el girasol y el algodón (fig. 3.28). • Hidrotropismo. Es la respuesta de los vegetales frente a un estímulo cuyo origen es el agua; las raíces se dirigen a los sitos de mayor humedad. Nastias. Las respuestas násticas se ejecutan por algunas plantas como reacción a un estímulo, pero no se orientan o alejan de él; su duración es pasajera. La planta sensitiva Mimosa pudica, a unos pocos segundos de que se toca una de sus hojas, todas éstas se repliegan y el peciolo se dobla. Lo que sucede es que una señal eléctrica (semejante al impulso nervioso en los animales) recorre la hoja, pasa al pecíolo y llega a los órganos que se llaman pulvinios, los cuales se localizan en la base de los foliolos (las partes de una hoja compuesta) y del peciolo. La señal eléctrica desencadena una señal química que torna más permeable la membrana celular de los órganos pulvinios a los iones de potasio. La salida de estos iones hace que también salga el agua por ósmosis. Con esta alteración en la turgencia, las células se encogen y pierden la rigidez con la que sostenían las hojas. Cuando lo iones de potasio y el agua regresan a las células, éstas recuperan la rigidez suficiente para sostener las hojas, las cuales recuperan su posición normal (fig. 3.29). Otro ejemplo de movimiento nástico es el que realiza la planta atrapamosca de Venus (Dionaea muscipula), que cuando una mosca se posa sobre una de sus hojas y llega a friccionar sus pelos sensitivos, se genera un impulso eléctrico que hace que las dos mitades de la hoja se cierren presionando al insecto atrapándolo contra las glándulas secretoras de enzimas digestivas que tiene la hoja, de esta manera el insecto muere y es digerido.