teo 16 fotomorfogénesis ii

10/05/2016
Introducción a la Botánica 2016
16º clase teórica: 2/5/2016
Interacción de las plantas
con el ambiente:
Fotomorfogénesis II
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Ritmos circadianos
Circadiano diurno (circa= aproximadamente; dies = día)
Sincronización de la actividad biológica con los ritmos diurnos de
luz y temperatura
En todos los organismos
Procesos con ritmo diurno en las plantas:
• Actividad fotosintética y metabolismo
• Transcripción de genes
• División celular
• Producción de hormonas
• Flores/hojas que se abren o cierran
Aproximadamente 1/3 de los genes de las plantas están regulados
de manera circadiana
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El reloj circadiano
¿Qué determina que exista un ritmo circadiano?
Simple acción del ambiente vs. un “reloj” interno (= endógeno)
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Observaciones experimentales:
• Los ritmos persisten aún cuando el ambiente deja de variar diariamente
• Las actividades rítmicas se anticipan al estímulo diario luminoso o de
temperatura
[ARNm] de
proteínas
de la
antena
En condiciones de libre curso el
ritmo se sigue observando por
un tiempo
Taiz y Zeiger Plant Physiology
El reloj circadiano
El reloj endógeno consiste de varias proteínas reguladoras cuya
transcripción está asimismo regulada por mecanismos
interconectados de retroalimentación (“feedback”)
La acción del ambiente se limita a “poner en hora” el reloj
Inductor =
input
(luz o T)
[TOC]
Atardecer
 baja
[TOC]
[LHY]
y
[CCA]
[TOC]
Un ejemplo de retroalimentación (feedback loop)
negativa: la transcripción del gen C está regulada
por la [A] que a su vez está regulada por un factor
externo y por la [D]. D se va acumulando, por
ejemplo, durante la noche
LHY y CCA son
activados por TOC. Su
acumulación inhibe a
TOC
[CAB]
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El reloj circadiano
Cámara acelerada de 7 días de crecimiento de Arabidopsis expresando
la enzima luciferasa (que produce fluorescencia) bajo el control de un
gen del reloj circadiano
https://www.youtube.com/watch?v=hOlO1Cu6E9I
¿Un método para buscar mutantes del reloj?
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Fotoperiodismo en las plantas
La duración del día depende de la latitud
(invertir los meses para el hemisferio sur)
Hs de luz por día medido el 20 de cada mes
En PDLs y PDCs el fotoperíodo es un factor
determinante del momento de floración
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Transición desarrollo vegetativo des. reproductivo
• Plantas que florecen en días largos (primavera), PDL
• Plantas que florecen en día corto (otoño), PDC
• Plantas neutrales para duración del día, PN
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¿Qué factores inducen la floración?
Garner WW, Allard HA (1920). Effect of the relative length of
day and night and other factors of the environment on
growth and reproduction in plants. J. Agric. Res. 18, 553–
606.
Garner WW, Allard HA (1931). Effects of abnormally long and
short alternations of light and darkness on growth and
reproduction in plants. J. Agric. Res. 42, 629–651.
La variedad de tabaco Maryland Mammoth
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Tabaco y soja transferidos a un galpón
oscuro todas las tardes de verano 
floración en la soja (PDC)
Fotoperiodismo en las plantas
Azcón Bieto Fundamentos de Fisiología Vegetal
1915-1950’s
Experimentos con fotoperíodo artificial:
Era posible modificar el momento
de floración independientemente de la
estación del año  el estímulo lumínico es
suficiente
Experimentos con luz de diferentes colores:
Existe reversibilidad con R/RL 
actúa algún fitocromo
Experimentos iluminando hojas y ápice de
manera diferencial, injertos:
El estímulo lumínico lo perciben las
hojas y migra al ápice  “florígeno”
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Fotoperiodismo en las plantas
PDC y PDL responden de manera opuesta a la duración del
día/noche con respecto a un período crítico
(*)
(**)
(*)= noche corta y día corto
(**)= noche larga y día largo
Las plantas “miden” la duración de la noche
Para distinguir PDL de PDC lo importante no es el valor del período crítico
(que puede ser el mismo) sino la forma de la curva:
Las PDC florecen cuando la noche es más larga que el período crítico
Las PDL florecen cuando la noche es más corta que el período crítico
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Fotoperiodismo en las plantas
Taiz y Zeiger Plant Physiology 2006
PDC y PDL responden de manera opuesta a la duración de la noche
con respecto a un período crítico
PDC florecen cuando la duración de la
noche es mayor que el período crítico
PDL florecen cuando la duración de la
noche es menor que el período crítico
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¿Quién ve la luz en el fotoperiodismo?
Taiz y Zeiger Plant Physiology 2006
El fotorreceptor involucrado es el fitocromo: reversibilidad
R/RL
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El mediador químico de la floración
Una señal percibida en las hojas que viaja por el floema y se transmite
en injertos = florígeno
La proteína FT (flowering locus T) está involucrada o es la señal de
inducción de la floración, actúa independientemente del estímulo
MM no florece
en DL
MM
transgéncio que
tiene exceso de
FT florece en DL
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MM injertado con tomate transgénico
con exceso de FT florece en DL
Lifschitz et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Apr 18;
103(16): 6398–6403.
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¿Qué regula al florígeno?
La expresión de la proteína FT está regulada por el factor de transcripción CO
(Constans), a su vez regulado por el reloj circadiano y los fotorreceptores PHY y CRY
PHY y CRY
controlan la
degradación
de la proteína
CO
Jones et al. The Molecular life of plants
EL reloj
controla la
transcripción
del gen CO
Migración de FT al
meristema apical
FLORACIÓN
La [Constans] está regulada por la duración de la
noche mediante acción del reloj, PHY y CRY
Durante una noche larga la proteína CO es degradada
Baja [CO]  no hay FT  no florece
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¿Qué regula al florígeno?
Floración dependiente del fotoperíodo  Modelo de coincidencia externa
Coincidencia del ritmo de expresión de CO (abundancia de mARN bajo control del reloj) con la
cantidad de proteína CO, cuya degradación está controlada por los fotorreceptores
Oscuridad 
proteína CO
degradada
Luz  proteína
CO estabilizada
http://www.cbgp.upm.es/archivos/varios/noticias/investigacion_y_ciencia_2011.pdf
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¿Qué regula al florígeno?
Floración dependiente del fotoperíodo  Modelo de coincidencia externa
Coincidencia del ritmo de expresión de CO (abundancia de mARN bajo control del reloj) con la
cantidad de proteína CO, cuya degradación está controlada por los fotorreceptores
De Fundamentos de Fisiología Vegetal, Azcón-Bieto y Talón 2013, pág 514:
En las hojas la longitud del fotoperíodo se mide mediante un mecanismo
molecular que permite comparar la longitud de los ciclos de día y de noche a lo
largo del año con un ritmo circadiano endógeno que regula la expresión génica.
La coincidencia de la fase de luz externa con la de mayor expresión de genes
como CO provoca la inducción o la represión de la floración. El efecto de la luz en
esta fase de coincidencia depende de fotorreceptores como los fitocromos y los
criptocromos. Como consecuencia de la inducción fotoperiódica, las hojas
generan una señal, de la que forma parte la proteína FT y otras moléculas
derivadas de su actividad, que se transmite al meristema apical, donde se inicia el
desarrollo floral. Los mecanismos de respuesta al fotoperiodo son similares, con
independencia del requerimiento de fotoperiodo de la planta, y parecen estar
conservados en las angiospermas.
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Existen varias familias de fotorreceptores vegetales con
diferentes propiedades, los mejor estudiados son:
Fitocromos: absorben en el rojo y rojo lejano
Fototropinas
absorben en el azul
Criptocromos
Cada familia de fotorreceptor tiene varios miembros
Ej. en Arabidopsis
Fitocromos: PHY-A, PHY-B, PHY-C, PHY-D, PHY-E
Fototropinas: PHOT-1, PHOT-2
Criptocromos: CRY-1, CRY-2
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Fotorreceptores
• con diferentes propiedades bioquímicas, de estabilidad,
concentración, actividad, respuesta a intensidad de luz
• con diferentes patrones de expresión: condiciones de luz,
temporal, tisular
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Fototropinas
Los fotorreceptores que contribuyen a optimizar la fotosíntesis
fototropismo
apertura
estomática
migración de los
cloroplastos
expansión de
coltiledones y hojas
movimientos de las
hojas
luz azul unidireccional
Varias respuestas de las plantas a la luz con espectro de accion en el azul
Uno o varios receptores diferentes?
FOTOTROPISMO:
crecimiento asimétrico
de la zona no iluminada
que permite a la planta
orientarse hacia la fuente
de luz
Una respuesta a la luz (Darwin 1880)  Luz azul (Julius von Sachs 1887)
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Fototropinas
Se buscaba una proteína que aparecía
fosforilada en tejido irradiado con luz azul
1997: se descubre el gen en Arabidopsis
estudiando mutantes no fototrópicos 
fototropina
2 genes en Arabidopsis: PHOT1 y PHOT2
PHOT1 y PHOT2
presentan cierta
redundancia funcional
En el doble mutante
phot1phot2 las cuatro
respuestas están
anuladas
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Fototropinas
Son proteínas hidrofílicas pero asociadas a
oscuridad
la membrana plasmática
Poseen dos dominios bien definidos en
proteínas de señalización:
• dominio fotosensor LOV (regulación por
Luz, Oxígeno o Voltaje) que une un
oscuridad
grupo FMN
• Ser/Thr quinasa de proteína
La kinasa cambia su conformación) cuando
el grupo FMN es activado por la luz azul
y se pone en contacto con el sustrato
(PHOT u otros)
Holland et al. J Exp Bot (2009) 60:1969–1978
Especificidad de respuesta  si la quinasa
activada interactúa con diferentes
efectores (aún desconocidos)
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Las fototropinas y los estomas
•La fototropina localizada en la
membrana plasmática de las células
oclusivas de los estomas es la
responsable de la apertura estomática en
respuesta a la luz azul
•La fototropina activada genera una señal
que activa una bomba de H+ en la
membrana  hiperpolarización
apertura de canales K+  entra K+ a la
célula  entrada de agua por ósmosis 
apertura
Cotelle y Leonhardt (2016) Frontiers in Plant Science
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La relocalización de los cloroplastos
t=0
oscuridad
baja intensidad
de azul:
acumulación
alta intensidad de
azul: migración al
exterior
wt
phot1phot2
 mutante deficiente en
la relocalización
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Criptocromos
• Los criptocromos absorben luz en el azul
• Controlan:
desetiolación
floración
ritmos circadianos
• Ahmad y Cashmore (1993) en Arabidopsis, luego en animales
• Contienen dos cromóforos: FAD (flavina adenina mononucleótido) y
pterina (MTHF)
• Arabidopsis tiene tres genes de criptocromo
DAS: secuencia
conservada en
plantas y animales
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Criptocromos
• La absorción de luz lleva a cambios redox y fosforilación
• Probablemente migran del citosol al núcleo luego de su
fotoconversión  controlan la [factores de transcripción]
• El mecanismo de transducción está en estudio, se sabe que involucra
interacción física con fitocromos, PIFS, reloj circadiano  regulación
de la transcripción, marcado de proteínas para degradación por el
proteasoma
Interacción con el reloj
circadiano: Los mutantes de
CRY2 no florecen en día
largo
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Liu et al. Trends in Plant Science 2011, 16: 684-691
Criptocromos
Luz azul  CRY activo
 interactúa con
factores que controlan
la degradación de
factores de
transcripción por el
protesoma 
regulación de la
transcripción
FT: flowering locus T
Inducción de la floración
Fotomorfogénesis
genes regulados por luz
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Fotomorfogénesis: puntos importantes
• Además de activar la fotosíntesis, la luz actúa como señal que indica a
las plantas las condiciones ambientales (hora del día, época del año,
posición en el dosel, presencia de vecinos)
• Los fotorreceptores captan diferentes colores de luz y disparan
procesos de desarrollo (germinación, floración) o de optimización de
la fotosíntesis (fototropismo, apertura de estomas, ubicación de los
cloroplastos). También participan las fitohormonas (lo vemos la clase
que viene)
• Los fitocromos y criptocromos regulan la morfogénesis. Al absorber
luz migran del citosol al núcleo donde modulan la expresión génica
mediante la alteración de la actividad de factores de transcripción
• Las fototropinas median respuestas de optimización de la fotosíntesis.
Son quinasas de proteína que migran de la membrana plasmática al
citoplasma al absorber luz azul
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