Investigación y Ciencia, 431, Agosto de 2012

Crisanto Gutiérrez es investigador en el Centro de Biología Molecular
Severo Ochoa, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones
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Z”þ§Zr›æ›DÍr§r›frÒDÍÍ«››«èr†rÜD›»
BIOLOGÍA DEL DE SARROLLO
CÉLULAS MADRE
VEGETALES
Las plantas poseen células capaces de mantener un estado
indiferenciado y originar distintos tipos celulares
en cualquier momento de la vida del organismo adulto
Crisanto Gutiérrez
¿C
EN SÍNTESIS
Una de las principales diferencias entre animales y plantas reside en los
procesos de formación de órganos. Al
contrario que en los animales, la organogénesis vegetal constituye un proceso postembrionario que se prolonga
durante toda la vida.
El crecimiento y desarrollo de una
planta se deben a la actividad de los
meristemos, grupos de células desde
los que se organiza la generación de
los diferentes tejidos. Los meristemos
poseen células análogas a las células
madre animales.
56 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2012
El equilibrio en los nichos de células
madre vegetales depende de una serie
de bucles génicos que se autorregulan.
Estos pueden originar un crecimiento
continuo, como ocurre con las hojas, u
otro que acaba con la formación del
ºà‘D´¹j`¹®¹¨DŒ¹àÎ
Las células madre de animales y plantas parecen utilizar estrategias semejantes para resolver problemas biológicos similares. Sin embargo, la evolución
parece haber hallado diferentes mecanismos moleculares para regular su
funcionamiento.
STERNENLAUS, BIRDY/WIKIMEDIA COMMONS/CC BY-SA 3.0
ċħĄĊąĉĶĈý÷ĄąĉĆąĉûûċĄÿĄúÿČÿúċą÷úċĂĊąúûċĄ÷ûĉĆûcie animal? Piense, por ejemplo, en una persona. Todos
sabemos que tenemos un cerebro, un corazón, dos pulmones, un hígado... ¿Y células? Aunque esta pregunta
resulta mucho más difícil de responder, podemos realizar un cálculo aproximado. Según algunas estimaciones, nuestro cuerpo contaría con unos 4 o 5 billones de células. Con independencia de la
exactitud de dicha cifra, podemos asegurar que dos humanos adultos no
se diferenciarán demasiado en ese aspecto. Sin embargo, cuando nos
planteamos el mismo tipo de preguntas acerca de una planta, nos enYedjhWceiWdj[bWZ_ÐYkbjWZZ[WfehjWhY_\hWijWdYedYh[jWi$;dbWcWyor parte de los casos, ni siquiera podremos aventurar el número de ór]WdeihW‡Y[i"^e`WieÑeh[igk[fei[[kd[`[cfbWhl[][jWbWZkbje$
Brote de haya común (Fagus sylvatica). La organogénesis vegetal se prolonga durante toda la vida
de la planta adulta.
Agosto 2012, InvestigacionyCiencia.es 57
mos emplean para activar y detener los mecanismos de proliferación celular. Una planta adulta, constituida por células ya diferenciadas, conserva un gran potencial para iniciar dichos procesos. Estos, sin embargo, no derivan en una transformación
celular oncogénica, como los que observamos en los animales.
Es más, las plantas son muy refractarias a engendrar tumores.
Por tanto, los mecanismos moleculares que contribuyen a un
crecimiento vegetal ordenado y controlado revisten un gran interés no solo desde un punto de vista básico, sino también por
sus posibles implicaciones biotecnológicas y biomédicas.
MERISTEMOS: ¿FUENTE DE ETERNA JUVENTUD?
El crecimiento y la organogénesis postembrionaria de la planta dependen de la actividad de ciertos grupos de células, relativamente pequeños pero muy especiales, denominados meristemos (del griego meristós"»Z_l_i_Xb[¼$;d[bbei"kdWfeXbWY_Œd
reducida de células —a veces, apenas una docena— posee características citológicas no diferenciadas. Dichas células son
pluripotentes u originan células pluripotentes; es decir, aquellas con la capacidad de generar varios tipos de tejidos. En ocasiones, algunas de ellas pueden producir todas las variedades
celulares de la planta, en cuyo caso reciben el nombre de células totipotentes.
Así pues, vemos que las células meristemáticas exhiben características análogas a las que se observan en las células maZh[efhe][d_jehWiZ[beiWd_cWb[i$BWiYƒbkbWicWZh[i[Z[Ðnen como aquellas capaces de dividirse y producir otras que, o
bien permanecen como células madre, o bien pueden iniciar
distintas rutas de diferenciación celular. En los animales, solo
[bp_]eje[bŒlkbe\[YkdZWZeobWiYƒbkbWih[ikbjWdj[iZ[iki
primeras divisiones son totipotentes. Una planta adulta, por el
C É L U L A S M A D R E Y O R G A N O G É N E S I S V E G E TA L
Desarrollo continuo
Al contrario que en los animales, la organogénesis vegetal es un proceso postembrionario que se mantiene durante toda la vida del
organismo: las células vegetales poseen un enorme potencial para dividirse e iniciar nuevas rutas de diferenciación celular. En ocasiones, una planta puede regenerarse por completo a partir de una porción de tallo, lo cual parece indicar que algunas células revierten su estado diferenciado hacia otro proliferante, de célula madre o incluso de célula embrionaria. Es posible también que en el
órgano adulto queden células con capacidad para reprogramarse.
Células embrionarias
Se establecen en el embrión
las primeras células madre.
Células desdiferenciadas
Células madre
Las células madre se
multiplican y comienzan
a diferenciarse.
Células proliferantes
Se inicia la formación de los
primeros órganos tras la
germinación de la semilla.
58 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2012
Algunas células poseen la capacidad
de revertir su estado diferenciado
y volver a iniciar el ciclo.
Células diferenciadas
Organogénesis
La plántula crece, se desarrolla
y establece nichos adicionales
de células madre en varias
localizaciones.
Formación de nuevos órganos,
`¹®¹àD `yåj›¹¦Då̹àyåÎ
CORTESÍA DE B. DESVOYES Y S. OTERO, CENTRO DE BIOLOGÍA MOLECULAR SEVERO OCHOA (nicho de células madre); INVESTIGACIÓN Y CIENCIA (recreación de Arabidopsis thaliana)
Ello no se debe a que el crecimiento de una planta proceda
de manera desordenada. Numerosos aspectos de su desarrollo,
como su tamaño, el de sus órganos o los lugares en los que se
iniciará la formación de hojas, se encuentran sometidos a un
estricto control genético. Sin embargo, las plantas poseen una
característica muy peculiar: exhiben un crecimiento reiterativo
y continuo que, durante toda la vida del organismo adulto, posibilita la reactivación de la división celular allí donde habrá de
iniciarse la creación de nuevos órganos.
En un animal, el número, tamaño y posición de los órganos
ik[b[gk[ZWh[if[Y_ÐYWZeZkhWdj[[bZ[iWhhebbe[cXh_edWh_e$BW
organogénesis vegetal, por el contrario, constituye un proceso
fundamentalmente postembrionario. Incluso cuando ya ha completado su formación en la semilla, un embrión vegetal posee
aún una estructura muy primitiva. Algunas de sus células se encuentran programadas genéticamente para generar diferentes
tipos celulares nada más germinar y completar la formación de
los órganos embrionarios, como los cotiledones. Pero, por lo demás, en él no se distinguen lo que serán los órganos de la planjWWZkbjW"YecebWihW‡Y[i"bWi^e`WiebWiÑeh[i$Ikd‘c[heojWmaño solo se determinará tras la germinación. Este proceso
constituye una de las principales características del reino vegetal y uno de los recursos con los que cuentan las plantas para
responder a los cambios del medio. Mientras que los animales
pueden reaccionar a las variaciones del entorno mudando de
localización, la mayoría de las plantas son organismos sésiles,
WdYbWZeiWkdbk]WhÐ`e[dbWj_[hhW$7i‡"ikf[Ykb_WhcWd[hWZ[
h[ifedZ[hWbeiYWcX_eiWcX_[djWb[iYedi_ij[[dceZ_ÐYWhbei
patrones de crecimiento y formación de órganos.
Tales diferencias en el desarrollo de plantas y animales se
plasman en las señales moleculares que ambos tipos de organis-
CORTESÍA DE B. DESVOYES Y S. OTERO, CENTRO DE BIOLOGÍA MOLECULAR SEVERO OCHOA
Ápice de la raíz: Las células del extremo de la raíz se encuentran
en continua división. Estas se identifican en el microscopio gracias a sus paredes celulares (rojo). El núcleo celular se muestra
en color verde.
Centro quiescente: En el interior del ápice de la raíz existe un
grupo de apenas dos o cuatro células que forman el centro quiescente (amarillo). Su función consiste en mantener las células que
lo rodean en un estado de células madre.
contrario, cuenta con varias localizaciones en las que algunas
de sus células mantienen durante toda la vida del vegetal la capacidad de reprogramarse para volver a un estado pluripotente o, incluso, totipotente. Un ejemplo sencillo de semejante facultad lo apreciamos en la propagación vegetal por esquejes, en
la que una planta se desarrolla por completo a partir de una
porción de tallo fresco. En el laboratorio se ha logrado inducir
este proceso de reproducción vegetativa en segmentos de órgadei[nfbWdj[i"Ykbj_l|dZebeiZ[\ehcWWiƒfj_YWo[ij_ckbWdZe
mediante hormonas el desarrollo controlado de tallos u hojas.
Sin embargo, aún no se ha averiguado con plena certeza qué células vegetales poseen esa capacidad de desdiferenciación y proliferación, ni tampoco cuáles son los mecanismos moleculares
que controlan dichos procesos.
Muy próximas a los extremos de la raíz y del tallo se encuentran sendas regiones meristemáticas que resultan decisivas para
el crecimiento de la planta. Estas agrupaciones de células, cuya
_Z[dj_ZWZi[[if[Y_ÐYWZkhWdj[bW\Wi[[cXh_edWh_W"h[Y_X[d[b
nombre de meristemos apicales. Su función consiste en desarrobbWhbWihW‡Y[iobeiŒh]WdeiWƒh[eiZ[bWfbWdjWjWbbe"^e`WioÑeh[i$;dYWZWkdeZ[[bbei"kdYed`kdjeZ[YƒbkbWicWZh[i[[dcarga de proveer de células a los órganos en crecimiento. Durante este proceso, las células madre experimentan divisiones
funcionalmente asimétricas: mientras que una de las descendientes permanece en el reservorio de células madre, la otra inicia
una senda de diferenciación. Tras varios ciclos reproductivos, dicho mecanismo dará lugar a los uno de los tejidos que componen el órgano. A pesar de sus semejanzas, ambos tipos de meris-
temo se diferencian en un aspecto importante: mientras que el
c[h_ij[ceZ[bWhW‡pcWdj_[d[ikWYj_l_ZWZZ[\ehcW_dZ[Ðd_ZW"
el meristemo apical del tallo puede llegar a convertirse en una
región cuya actividad cesa con el tiempo. Ello sucede cuando se
][d[hW[bc[h_ij[ceÑehWb"kdW[ijhkYjkhWcko[if[Y_Wb_pWZW
YkoWjWh[WYedYbko[YedbW\ehcWY_ŒdZ[bWÑeh$
Dada la falta de migración celular en las plantas, el número
de células que componen una región meristemática y el volumen
que esta ocupa dependen de un estricto balance entre la producción de células madre y la salida de ese estado hacia una senda
Z[Z_\[h[dY_WY_Œd[if[Y‡ÐYW$;dj[dZ[hbWihkjWiceb[YkbWh[igk[
posibilitan esa proliferación continua pero equilibrada constituye uno de los objetivos principales de la investigación actual.
CENTRO QUIESCENTE DE LA RAÍZ
;b[njh[ceZ[bWhW‡pi[[dYk[djhWh[YkX_[hjefehbWYeÐW"kdW
capa protectora de forma cónica en cuyo interior se alberga el
meristemo apical de la raíz. En contacto inmediato con esta
capa, hacia la zona más apical (la que se dirige hacia el interior
Z[bWj_[hhW"i[[dYk[djhW[bd‘Yb[eeh]Wd_pWZehZ[bWWYj_l_ZWZ
meristemática: el centro quiescente. Este se halla formado por
un pequeño grupo de apenas dos o cuatro células cuya tasa de
proliferación es muy lenta, cualidad a la que debe su nombre.
Desde el centro quiescente y hacia la zona basal (la parte de la
hW‡p[dYedjWYjeYedbWh[]_ŒdWƒh[WZ[bWfbWdjW"bWhW‡pi[Yecpone de cilindros concéntricos de células que se organizan en
diferentes tejidos: el cilindro central, el periciclo, la endodermis, la capa cortical y la epidermis.
Agosto 2012, InvestigacionyCiencia.es 59
BW\kdY_ŒdZ[bY[djhegk_[iY[dj[Yedi_ij[[dcWdj[d[h[b[itado indiferenciado de las capas de células madre que se hallan
en contacto con él y, posiblemente, ayudarlas también a conserlWhikdWjkhWb[pW$Bei[nf[h_c[djeiZ[WXbWY_ŒdYedb|i[h"gk[
permiten la eliminación controlada de unas pocas células, han
resultado fundamentales para determinar la interacción entre
las células del centro quiescente y las de las capas de células
cWZh[WZoWY[dj[ibWiYƒbkbWi_d_Y_Wb[iZ[bWYeÐW"^WY_W[b|f_ce, y las células madre o iniciales del resto de la raíz, hacia el
bWZeYedjhWh_e$
BWiYƒbkbWicWZh[gk[eh_]_dWdbWfWhj[Y[djhWbZ[bWYeÐW
Yebkc[bWi[Z_l_Z[dWi_cƒjh_YWc[dj["Z[ceZegk[bWigk[f[hmanecen en contacto con el centro quiescente se mantienen
como células madre, pero las siguientes inician una ruta de di-
ferenciación. Estas se distinguen morfológicamente por la aparición de gránulos de almidón; su función, además de protectora, se encuentra relacionada con la percepción de la gravedad
ZkhWdj[[bYh[Y_c_[djeZ[bWhW‡p$BWYeÐWi[Yecfed[Z[lWh_Wi
capas celulares, la más externa de las cuales se desprende a medida que se van reponiendo nuevas capas desde el interior.
¿Qué mecanismos moleculares determinan la identidad de
las células del centro quiescente? Estudios liderados por Ben
Scheres, de la Universidad de Utrecht, han demostrado que los
genes PLETHORA1 (PLT1oPLETHORA2 (PLT2Z[i[cf[‹Wd
kdW\kdY_ŒdYbWl[[dbW[if[Y_ÐYWY_ŒdZ[bY[djhegk_[iY[dj[o
[bd_Y^eZ[YƒbkbWicWZh[gk[beheZ[W$BW[nfh[i_ŒdZ[bei][nes PLT se activa por acción de la hormona vegetal auxina. Cuando estos se expresan ectópicamente (en lugares diferentes de
NICHOS PLURIPOTENTES
Células madre en la raíz y el tallo
Tras la germinación, el crecimiento y organogénesis de una planta dependen de la actividad de los meristemos, pequeños grupos de
células con la capacidad de originar varios tipos de tejidos. En el extremo superior del tallo y en el inferior de la raíz se localizan los
meristemos apicales. Allí residen los nichos principales de células madre de la planta, a partir de los cuales se forman las raíces, el tallo
y las hojas. Estas imágenes muestran una plántula joven de Arabidopsis thaliana unos cuatro días después de la germinación.
Meristemo apical del tallo
Hipocotilo
Zona
diferenciada
Raíz
Zona
de transición
Zona
meristemática
En la parte aérea de la planta se
distinguen los dos cotiledones,
que comienzan a adquirir un tono
verde, sobre un pequeño tallo
denominado hipocotilo. Este
continúa en la raíz, la cual se
compone de la zona meristemática (con las células en división), la
zona de transición (en que las
células comienzan a diferenciarse)
y la zona diferenciada.
Células
en división
En este detalle del meristemo
apical de la raíz se aprecia un
grupo de células teñidas de
azul intenso. Estas se encuentran expresando una proteína
marcadora que se acumula al
Š´D¨my¨D†Dåy÷my¨`Ÿ`¨¹my
división celular y se destruye
durante la mitosis.
Organización
y´Š¨Dåmy`z¨ù¨Då
La organización estructural del ápice de la raíz
se caracteriza por una disposición en cilindros
concéntricos, los cuales crecen a partir de
las células madre situadas cerca del extremo.
Las células han sido teñidas con un colorante
Œù¹àyå`y´ïyDĆù¨Õùy®Dà`Dy¨%´ù`¨yDàÎ
60 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2012
CORTESÍA DE E. RAMÍREZ-PARRA, CENTRO DE BIOLOGÍA MOLECULAR SEVERO OCHOA
Meristemo apical de la raíz
RAÍZ
Crecimiento subterráneo
§­xߞäîx­¸DǞ`D§lx§DßDŸąÇ¸äxxø³D¸ßD³žąD`ž¹³xäîßø`îøßD§ā…ø³`ž¸³D§­øāUžx³lx‰³žlDÍäîDlxÇx³lxlxø³ßøǸ­øāÇxÔøx¶¸
de células denominado centro quiescente (rojo), las cuales son responsables del mantenimiento de células madre en la zona más apical
(hacia el interior de la tierra) y en la zona distal del ápice (hacia arriba), desde donde se originarán las capas concéntricas que conforman la raíz (esquema).
Ep
C
En
Cilindro central
P
Epidermis
Córtex
CC
CQ
Cl
Periciclo
Endodermis
Endodermis
Cf
Córtex
Periciclo
Cilindro central
Epidermis
CQ
Centro quiescente
Columela
CORTESÍA DE E. CARO, CENTRO DE BIOLOGÍA MOLECULAR SEVERO OCHOA (micrografía);
INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, SEGÚN EL AUTOR (esquema)
Meristemo apical al microscopio óptico.
Se observan gránulos de almidón (violeta)
y´¨Då`z¨ù¨Dåmy¨D`¹¨ù®y¨Dmy¨D`¹ŠDj
implicadas en la percepción del estímulo
gravitatorio, que hace que las raíces
crezcan hacia el interior de la tierra.
En la parte superior se distinguen los
cilindros concéntricos de la raíz.
¹ŠD
ZedZ[be^WY[ddehcWbc[dj["iedYWfWY[iZ[_dZkY_hbW\ehcWción de estructuras parecidas a un centro quiescente y establecer un nicho de células madre a su alrededor.
Sin embargo, los genes PLT no son los únicos implicados.
BWh[]_Œd[dbWgk[i[[nfh[iWdi[iebWfWYedbWZ[ejheiZei"
SCARECROW (SCRoSHORTROOT (SHR"YkoW\kdY_Œd^Wi_Ze
Z[Ðd_ZWfehIY^[h[ioF^_b8[d\[o"Z[bWKd_l[hi_ZWZZ[:ka[$
El gen SCR se expresa en las células del centro quiescente y les
YedÐ[h[ik_Z[dj_ZWZ$FehikfWhj["bWfhej[‡dWI>Hi[i_dj[j_za en las células del cilindro central de la raíz, pero se desplaza
a las células vecinas; entre ellas, las del centro quiescente y las
iniciales de la endodermis y la capa cortical. Curiosamente, la
fhej[‡dWI>HWYj_lWbW[nfh[i_ŒdZ[b][dSCR en las células a
las que se ha movilizado, pero no en aquellas en las que se sintetiza. Sin embargo, se desconoce qué mecanismo permite a la
fhej[‡dWI>HZ_ij_d]k_hi_i[[dYk[djhW[dbWYƒbkbWfheZkYjera o en la receptora.
Cada una de las capas cilíndricas que se extienden desde
el centro quiescente hacia la zona basal se forma gracias a la
WYj_l_ZWZZ[YƒbkbWicWZh[[if[Y‡ÐYWioYedj_]kWiWbY[djhegk_[icente. Por tanto, una cuestión de fundamental importancia consiste en dilucidar los mecanismos que controlan la división celular en este nicho de células madre. En particular, ¿qué procesos coordinan la proliferación celular y la toma de decisiones de
las células del nicho para adquirir una identidad determinada?
Bei[nf[h_c[djeih[Wb_pWZeifehdk[ijhe]hkfe[d[b9[djheZ[
Biología Molecular Severo Ochoa han contribuido a demostrar
la importancia de ciertos reguladores del ciclo celular (como la
Columela
¹ŠD
proteína retinoblastoma, homóloga del supresor de tumores en
^kcWdeioZ[bWh[fb_YWY_ŒdZ[b7:D[dbeifheY[ieiZ[Z_l_sión de las células madre y de las células indiferenciadas en el
meristemo apical de la raíz. Varios proyectos que estamos desarrollando en estos momentos intentarán determinar la relevancia del mantenimiento de la integridad del genoma en la proliferación y diferenciación de este nicho celular.
BWifhej[‡dWiI>HoI9HZ[i[cf[‹WdjWcX_ƒdkdfWf[bYbWve para determinar la actividad de las células que, en contacto
con el centro quiescente, funcionan como células madre de la
[dZeZ[hc_iobWYWfWYehj_YWb$;bh[ÐdWZec[YWd_icegk[Yedtrola la división de estas células y su posterior diferenciación
en células de la endodermis o del cilindro cortical ha sido idenj_ÐYWZe]hWY_WiWbeiWd|b_i_i][dƒj_Yeiobei[diWoeiZ[WXbWY_Œd
h[Wb_pWZeifehbei]hkfeiZ[8[d\[ooIY^[h[i$9kWdZeI>Hbb[ga a estas células, activa la expresión de SCR. A su vez, la acuckbWY_ŒdZ[bWfhej[‡dWI9H_d^_X[bW[djhWZWZ[dk[lWI>H$
BWZ_l_i_ŒdZ[bWYƒbkbWeh_]_dWkdWgk[gk[ZW[dYedjWYjeYed
[bY[djhegk_[iY[dj[ogk[f[hcWd[Y[YeceYƒbkbWcWZh[$BW
otra, tras una segunda división asimétrica, origina dos células
gk[i[]k_h|dYWc_deiZ_ij_djei$BWc|i_dj[hdW"Wgk[bbWgk[
queda en contacto con el cilindro central, continúa producienZeI>Hoi[Z_\[h[dY_WYeceYƒbkbWZ[bW[dZeZ[hc_i$BWi[]kdZW"gk[deh[Y_X[i[‹WbZ[I>H"i[Z_\[h[dY_WYeceYƒbkbWYehtical. En cuanto al resto de las células madre que se hallan por
encima del centro quiescente, sabemos que originan todas las
células del cilindro central, las de los vasos conductores de savia y las del periciclo. Sin embargo, aún no conocemos con de-
Agosto 2012, InvestigacionyCiencia.es 61
a
b
c
d
talle los mecanismos moleculares que determinan la identidad
y el destino de estas células.
PERICICLO Y RAÍCES LATERALES
BWcWoehfWhj[Z[bi_ij[cWhWZ_YkbWhi[[dYk[djhWYedij_jk_Ze
por raíces laterales. Estas se forman a partir de unas pocas células del periciclo, el tejido que rodea al cilindro central de la
raíz. En estas células, el proceso reproductivo se detiene en cuanjeWXWdZedWd[bc[h_ij[ceZ[bWhW‡pfh_dY_fWb$Iki_jkWY_ŒdÐsiológica como células postmitóticas con cierto grado de diferenciación citológica aún no se conoce por completo. Sin
embargo, los análisis transcriptómicos (encaminados a identiÐYWh[bfWjhŒdZ[[nfh[i_Œd]ƒd_YW]beXWb[djeZe[b][decW
h[Wb_pWZeifeh:_ha?dpƒ"Z[bWKd_l[hi_ZWZZ[=Wdj["fWh[Y[d
indicar que esas células se encuentran detenidas en la fase G1
del ciclo celular, la etapa anterior a la duplicación del material
genético. Como respuesta a la acción de ciertas hormonas (auxidWi"ieXh[jeZe"i[WYj_lWdYWiYWZWiZ[i[‹Wb_pWY_Œdgk[Z[i[dcadenan la división de algunas células del periciclo y la formación de un primordio de raíz lateral.
BWi_dl[ij_]WY_ed[iZ[?dpƒ"Wi‡YecebWibb[lWZWiWYWXefeh
Jec8[[YacWd"Z[bWKd_l[hi_ZWZZ[=Wdj[1@kWd9WhbeiZ[bFepe"
del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas de Madrid y
[bWkjeh"[djh[ejhei"^Wd_Z[dj_ÐYWZeWb]kdeiZ[beiYecfed[dtes del mecanismo molecular por el que se produce y mantiene
la parada de dichas células en la fase G1. Este mecanismo parece depender de la acción combinada de varios factores. Uno de
[bbei[ibWfhej[‡dWAHF("bWYkWb_d^_X[bWigk_dWiWiZ[f[dZ_[dj[iZ[Y_Yb_dWi9:A"fehikii_]bWi[d_d]bƒi"[dp_cWigk[h[]kbWdbWiZ_ij_djWi\Wi[iZ[bY_YbeY[bkbWh$9kh_eiWc[dj["AHF(
posee una región semejante a la que se encuentra en la proteína humana p27KipWbWgk[Z[X[ikdecXh["gk[WYj‘WjWcX_ƒd
como un potente inhibidor de las CDK.
El segundo componente es un factor de transcripción de la
familia E2F, denominado E2Fc, relacionado estructural y funcionalmente con los factores de la familia E2F en humanos; en
concreto, con aquellos que actúan como potentes represores de
la transcripción de genes que intervienen en las distintas fases
del ciclo celular. En respuesta a señales de proliferación, E2Fc
es degradado por el proteasoma, un macrocomplejo proteico
encargado de eliminar proteínas cuya función ya no se requiere en la célula. Se cree que este proceso coincide con la desacj_lWY_Œd Z[ AHF(" gk[" `kdje Yed fhej[‡dWi Yece IAF(8 o
GATA23, y la señalización de las auxinas, desencadena una fase
de proliferación activa que provoca que las células del periciclo
acaben formando un primordio de raíz lateral.
Cuando esas células protruyen hacia el exterior de la raíz
principal tiene lugar un acontecimiento clave: las células indiferenciadas del primordio se convierten en las del meristemo
apical de la nueva raíz lateral. Es decir, vuelve a establecerse un
nicho de células pluripotentes que, una vez constituido, resuljW_dZ_ij_d]k_Xb[Z[bZ[bWhW‡pfh_dY_fWb$BW_Z[dj_ÐYWY_ŒdZ[bei
mecanismos que permiten la salida de la proliferación hacia el
establecimiento de un nuevo nicho de células madre constituye uno de los retos más apasionantes que habrán de afrontar
las investigaciones futuras.
TALLO Y HOJAS
Flor de una planta del género Vinca: El meristemo floral
produce un número limitado de lo que pueden considerarse
hojas muy diferenciadas (las partes de la flor).
62 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2012
BeiŒh]WdeiWƒh[eiZ[bWfbWdjWYh[Y[dWfWhj_hZ[bWiYƒbkbWiZ[b
meristemo apical del tallo. En los ejemplares adultos de las plantas dicotiledóneas, dicha estructura consta de una masa de células en forma de cúpula maciza que no posee una organización
jWdX_[dZ[Ðd_ZWYece[bc[h_ij[ceWf_YWbZ[bWhW‡p$9edjeZe"
resulta posible distinguir algunas regiones tanto desde el punto
Z[l_ijWWdWjŒc_YeYeceZ[iZ[[b\kdY_edWb$BWYWfWc|i[nj[hdWZ[YƒbkbWih[Y_X[[bdecXh[Z[YWfW[f_Zƒhc_YW"eB'$8W`e[bbW
i[Wbe`WbWYWfWikX[f_Zƒhc_YW"eB($BWiYƒbkbWigk[Yed\ehcWd
estas capas se dividen anticlinalmente (en sentido perpendicubWhWbfbWdegk[\ehcWd"fehbegk[Yedjh_Xko[dWbYh[Y_c_[dje
ikf[hÐY_Wb$BWpedWB)"beYWb_pWZW^WY_W[b_dj[h_eh"Yecfh[dZ[
al resto de las células del meristemo. Estas se dividen en cualgk_[hZ_h[YY_Œd"fehbegk[YWh[Y[dZ[[ijhkYjkhWY_ŒdZ[Ðd_ZWo
Yedjh_Xko[dWbYh[Y_c_[dje[dlebkc[d$BWiYƒbkbWiZ[h_lWZWi
Z[bWYWfWB'iedbWifh[YkhiehWiZ[bW[f_Z[hc_iZ[beiŒh]Wdei
CORTESÍA DE E. CARO, CENTRO DE BIOLOGÍA MOLECULAR SEVERO OCHOA (desarrollo de la raíz); CORTESÍA DEL AUTOR (flor)
Desarrollo de una raíz lateral en una plántula de Arabidopsis thaliana de cuatro días. Teñidas de azul
aparecen las células que expresan un gen necesario para la replicación del material genético, lo que indica que dichas células se encuentran en división. El desarrollo de las raíces laterales se inicia con la activación de algunas células del periciclo, en la zona madura de la raíz principal (a). Después, se forma un primordio de raíz lateral (b) con células no diferenciadas en el que, más tarde, se establecerá otro meristemo
apical (c y d). Este contiene un nicho de células madre idéntico al de la raíz principal.
bWj[hWb[i"YecebWi^e`Wi"c_[djhWigk[bWiZ[bWiYWfWiB(oB)
originarán sus capas internas.
El destino de las células del meristemo viene determinado
por la posición que ocupan en él, lo que permite distinguir tres
regiones funcionales. En la cúspide se encuentra el núcleo de
células madre. Esta región, que incluye células de las capas anajŒc_YWiB'"B(oB)"h[Y_X[[bdecXh[Z[pedWY[djhWb$>WY_Wiki
laterales se extiende la zona periférica y, por debajo de ambas,
bWh[]_Œd_dj[h_eh"[d[b[`[Y[djhWbZ[bjWbbe$BWZ_l_i_ŒdZ[bWi
células madre que componen la zona central produce células
que se van desplazando hacia los laterales del ápice, tanto haY_WbWpedWf[h_\ƒh_YWYece^WY_WbWh[]_Œd_dj[h_eh$BeiŒh]Wdei
laterales, como las hojas, se formarán a partir de las células de
la zona periférica. Estas cambian de identidad cuando pasan a
formar parte del primordio de la hoja.
BWi_dl[ij_]WY_ed[iZ[@WdJhWWi"_dl[ij_]WZeh[dbWKd_l[hi_ZWZZ[BoedobeiY[djhei\hWdY[i[i?DH7o9DHI"^WdYedtribuido de manera decisiva a entender la organización estrucjkhWbZ[bc[h_ij[ceWf_YWbZ[bjWbbe$BWiYƒbkbWigk[[ijWXb[Y[d
un primordio foliar poseen un gran potencial de proliferación
y diferenciación, muy bien coordinados en el tiempo y en el espacio. Dicha capacidad de diferenciación, sin embargo, resulta
menor que la que poseen las células madre de la zona central.
BWpedWf[h_\ƒh_YWZ[[ij[c[h_ij[ceYedij_jko["fehjWdje"kdW
zona de transición entre las células madre, muy pluripotentes,
y las del primordio de las hojas, con un espectro más reducido
de destinos celulares.
¿Qué mecanismos moleculares determinan que ciertas células del meristemo apical del tallo adquieran la naturaleza de células madre? ¿Qué procesos dictan el tamaño del nicho y su di-
námica de crecimiento? Estas preguntas han concentrado los
esfuerzos de un gran número de laboratorios durante los últiceiW‹ei$BWi_dl[ij_]WY_ed[iZ[=[hZ@”h][di"Z[bWKd_l[hi_ZWZZ[JkX_d]W"oJ^ecWiBWkn"Z[bWKd_l[hi_ZWZZ[<h_Xkh]e"
han contribuido a establecer la base molecular que controla el
número de células madre y el tamaño del nicho: un bucle génico autorregulado en el que participan factores de transcripción
y reguladores del ciclo celular.
BWfhej[‡dWI>EEJC;H?IJ;CB;IIIJC[ikd\WYjehZ[
transcripción que se encuentra en todas las células del meristemo apical del tallo salvo en las más periféricas, donde ya se
han establecido los primordios de los órganos laterales. Esta
proteína se necesita para mantener la capacidad de proliferación de las células meristemáticas y para evitar que abandonen
el ciclo celular y adquieran la capacidad para diferenciarse. Sin
embargo, no interviene directamente en el establecimiento del
nicho de células madre. Este depende de la función de la proj[‡dWMKI9>;BMKI"kd\WYjehZ[jhWdiYh_fY_Œdfh[i[dj[[d
un reducido grupo de células situadas bajo las células madre de
la zona más apical. Dicha agrupación de células conforma el
centro organizador, una región muy semejante desde el punto
de vista funcional al centro quiescente de la raíz.
BWfhej[‡dWMKIWYj_lWbW[nfh[i_ŒdZ[b][dCLAVATA3
(CLV3"Wkdgk[debe^WY[[dbWiYƒbkbWiZ[bY[djheeh]Wd_pWdor, sino en las de la zona central. Es la expresión de CLV3 lo
gk[b[iYedÐ[h[ikdWjkhWb[pWZ[YƒbkbWicWZh[$BWfhej[‡dW
9BL)[ikdf[gk[‹efeb_fƒfj_ZeYWfWpZ[i[Yh[jWhi[oWYjkWh
en las células vecinas, donde, a su vez, inhibe la expresión del
gen WUS$9BL)deWYj‘WZ[\ehcW_dZ[f[dZ_[dj["i_degk[[`[hY[ik\kdY_ŒdWb_dj[hWYY_edWhYedbWifhej[‡dWi9B7L7J7'
TA L L O Y H O JA S
Crecimiento aéreo
El equivalente funcional del centro quiescente en el meristemo apical del tallo es un grupo de células denominado centro organizador.
ø³Ôøx³¸¸ąDlxø³Dxäîßø`îøßDîD³Užx³lx‰³žlD`¸­¸§Dlx§`x³î߸Ôøžxä`x³îxlx§DßDŸąjäøä`y§ø§D䞳lø`x³ā­D³îžx³x³ø³³ž`š¸
de células madre en las capas más apicales. También contribuye a regular el tamaño del nicho. Los esquemas muestran una sección
longitudinal del ápice del tallo. La organización de sus células puede describirse atendiendo a su anatomía, función o dominios de
expresión génica.
Primordios de las hojas
$yàŸåïy®¹Dȟ`D¨
del tallo
5D¨¨¹
Organización
anatómica
Organización
funcional
Dominios
de expresión génica
yåmyy¨Èù´ï¹myÿŸåïDD´DﺮŸ`¹
se distinguen tres capas celulares:
L1 (epidérmica), L2 (subepidérmica) y L3j¨D®y´¹åmyŠ´ŸmDÎ
"Då`DÈDå"ÀĂ"÷`¹´ïàŸUùĂy´D¨
`ày`Ÿ®Ÿy´ï¹åùÈyàŠ`ŸD¨è"ñ¨¹›D`y
al crecimiento en volumen.
En cuanto a la capacidad de
división de las células, pueden
distinguirse la zona central, la
zona periférica y el eje central.
La velocidad de división celular
es elevada en las dos últimas, pero
no así en la zona central.
Se distinguen los siguientes:
"<5ñ, "<5À, WUSCHEL,
3''5$235$"33.
åÈy`ŸŠ`D´Ă®D´ïŸy´y´y¨´Ÿ`›¹
de células madre, así como el
estado indiferenciado de las
células del ápice.
Agosto 2012, InvestigacionyCiencia.es 63
9BL'o9B7L7J7(9BL("bWiYkWb[i\ehcWdkdh[Y[fjeh^[terodimérico que se localiza en la membrana plasmática de la
célula. Este complejo, en conjunción con otras enzimas y proteínas, activa una cascada que mantiene la capacidad de proliferación de las células madre de la zona central.
´9Œcei[fheZkY[bW^ec[eijWi_iY[bkbWh5BW[n_ij[dY_WZ[
demasiadas células madre en el meristemo apical del tallo proZkY[kdWkc[djebeYWbZ[bWYWdj_ZWZZ[fhej[‡dW9BL)$;ijW"
a su vez, causa una reducción proporcional en el número de células que expresan el gen WUS, lo cual contribuye a reducir el
número de células madre y el tamaño del centro organizador,
que las mantiene en una sutil coordinación. No deja de sorprender la manera en que esta perfecta homeostasis celular, que descansa en el bucle génico autorregulado formado por WUS y
CLV3, contribuye a uno de los aspectos más intrigantes y únicos del desarrollo vegetal: la producción continua de órganos
laterales en la planta adulta.
UN NICHO TERMINAL DE CÉLULAS MADRE
El meristemo apical del tallo posee la capacidad de producir un
j_fecko[if[Y_Wb_pWZeZ[c[h_ij[ce0[bc[h_ij[ceÑehWb$7Z_ferencia del primero, que presenta un patrón de crecimiento inZ[Ðd_Ze"bWWYj_l_ZWZZ[bWiYƒbkbWicWZh[Z[bc[h_ij[ceÑehWb
j[hc_dWYedbWÑehWY_Œd$;ijWh[]_Œdc[h_ij[c|j_YWfheZkY[kd
número limitado de lo que pueden considerarse hojas muy mo-
Z_ÐYWZWi"bWiYkWb[iYedij_jko[dbWiZ_\[h[dj[ifWhj[iZ[bWÑeh0
sépalos, pétalos, estambres y carpelos. En el interior de estos
últimos se originan las células germinales de la planta (gamejei$;ij[\[dŒc[deh[l_ij[kd_dj[hƒifWhj_YkbWh"oWgk[ikfene otra de las grandes diferencias entre los reinos animal y vegetal: a diferencia de los animales, las plantas no poseen una
línea germinal formada durante la embriogénesis, sino que esta
se inicia a partir de las células somáticas.
Un hecho sorprendente reside en que la producción y manj[d_c_[djeZ[bWiYƒbkbWicWZh[Z[bc[h_ij[ceÑehWbZ[f[dZ[
del mismo bucle génico que opera en el meristemo apical: el
formado por los genes WUS y CLV3. Pero entonces, ¿cómo se
ceZ_ÐYWikWkjehh[]kbWY_ŒdfWhWZ[h_lWh[dkdYh[Y_c_[dje
j[hc_dWb5;ijWYk[ij_Œd^Wi_Ze[ijkZ_WZW"[djh[ejhei"fehBWkn
o:[jb[\M[_][b"Z[b?dij_jkjeCWnFbWdYaZ[8_ebe]‡WZ[b:[iWhhebbeZ[JkX_d]W$IkijhWXW`ei_Z[dj_ÐYWhedbW[n_ij[dY_WZ[
ejhei_ij[cW]ƒd_Yegk["YkWdZei[_d_Y_WbWÑehWY_Œd"i[ikf[hpone a la regulación del bucle WUS/CLV3. Dicho sistema está
constituido por los productos de los genes AGAMOUS (AGo
LEAFY (LFY$BWfhej[‡dW7=[ikd\WYjehZ[jhWdiYh_fY_ŒdYkoW
[nfh[i_ŒdZ[f[dZ["Wikl[p"Z[bWifhej[‡dWiMKIoB<O$;ijW
‘bj_cW[ikd\WYjehZ[_Z[dj_ZWZÑehWbgk[i[WYj_lWYedbWii[‹Wb[iZ[ÑehWY_Œd$7cXWii[kd[dWbi[]kdZe_djhŒdZ[b][d
AG para estimular su expresión. A su vez, la proteína AG reprime la expresión del gen WUS. Por tanto, al desaparecer progre-
CORTESÍA DEL AUTOR
Brote floral de Prunus: El meristemo apical del tallo posee la capacidad de producir un tipo muy especializado de meristemo: el
meristemo floral. Su actividad concluye con la formación de la flor.
64 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2012
M E CA N I S M O S M O L E C U L A R E S
Bucles génicos
La producción y mantenimiento de los nichos de células madre en
plantas depende de una serie de bucles génicos que se autorregulan. Estos pueden originar dos tipos de crecimiento: uno permanente (hojas o raíces) y otro que termina con la formación del
¹ßD³¸É‹¸ßxäÊÍ
El crecimiento indeterminado y continuo del meristemo apical
del tallo depende de la actividad de un sencillo bucle génico
autorregulado en el que intervienen los productos de dos genes:
CLAVATA3 (CLV3) y WUSCHEL (WUS). Cuando a este bucle se
superpone la actividad de otros genes, sobre todo AGAMOUS (AG)
y LEAFY (LFY), el meristemo apical se convierte en un meristemo
‹¸ßD§Íäîxäx`DßD`îxߞąDǸßÔøxäøD`îžþžlDl`xäD`¸³§D…¸ß­D`ž¹³lx§D‹¸ßÍ
sivamente la proteína WUS, también se reduce la concentraY_ŒdZ[9BL)o"YeceYedi[Yk[dY_W"[bd_Y^eZ[YƒbkbWicWZh[
del meristemo acaba desapareciendo.
CÉLULAS MADRE DE ANIMALES Y PLANTAS
Durante los últimos años, la investigación con células madre de
animales, incluido el hombre, ha suscitado un enorme interés.
Ello se debe a sus aplicaciones potenciales en medicina y, también, a los problemas éticos que plantea su uso. Por tanto, resulta imprescindible encontrar salidas respetuosas pero racionales para avanzar en nuestro conocimiento sobre la biología
Z[bWiYƒbkbWicWZh[Wd_cWb[i$;d[ij[Yedj[nje"bW_Z[dj_Ð#
cación de células madre en plantas ha introducido un nuevo
|cX_jeZ[[ijkZ_e$BW[n_ij[dY_WZ[YƒbkbWicWZh[[dc_YheWcX_[dj[iY[bkbWh[ickoX_[dZ[Ðd_Zei"ikcWdj[d_c_[djeoikYWpacidad de producir células con un enorme potencial de división y diferenciación parecen ser problemas con una base
conceptual común en animales y plantas.
BW_d\ehcWY_ŒdZ_ifed_Xb[^WijW[bcec[djefWh[Y[_dZ_YWh
que existen paralelismos entre las estrategias biológicas básicas
de ambos tipos de células madre. Un aspecto común reside en
su capacidad de proliferación y en la asimetría funcional de los
productos de la división celular: en ambos casos, una célula hija
permanece en el nicho de células madre, mientras que la otra
puede iniciar un proceso de diferenciación con varias rutas posibles. Por otra parte, existen cada vez más indicaciones de que
algunos procesos guardarían relación en ambos tipos de organismos. Un ejemplo lo constituyen los mecanismos responsables
de los cambios en la organización estructural y funcional de la
YhecWj_dW[dh[]_ed[i]ƒd_YWicko[if[Y‡ÐYWi$7i‡"bW[nfh[i_Œd
de algunos genes en células madre animales y vegetales depenZ[Z[bWWYj_l_ZWZZ[Y_[hjeiYecfb[`eifhej[_YeiFH9("Z[b]hkfeFeboYecX"YkoeiYecfed[dj[iceb[YkbWh[i[ij|dYedi[hlWdos en ambos tipos de organismos. Uno de ellos, la proteína
HX7f*.%f++[dWd_cWb[ieCI?'[dfbWdjWi"\ehcWfWhj[jWcX_ƒdZ[bYecfb[`e97<#'"[i[dY_WbfWhWZ[fei_jWhbW^_ijedW>)$'
durante el proceso de replicación del ADN nuclear. Todo ello
contribuye a la estrecha relación entre el control de la expresión
génica y la replicación del genoma, un proceso imprescindible
para un correcto funcionamiento celular.
Sin embargo, parece que las señales moleculares que regulan ambos tipos de células madre han seguido sendas divergentes a lo largo de la evolución de los dos reinos. Dichas se-
Meristemo
apical del tallo
Merisïy®¹Œ¹àD¨
CLV3
CLV3
WUS
WUS
LFY
AG
Activación
Otros genes
Inhibición
ñales no son homólogas desde el punto de vista estructural, si
bien utilizan estrategias semejantes para solucionar los mismos problemas —o muy similares— de regulación funcional.
En las células animales, por ejemplo, los factores de transcripción OCT4, NANOG y SOX2 son responsables de conferir la capacidad de funcionar como células madre. En las plantas, esa
función la desempeñan, en el meristemo de la raíz, los factoh[iFBJ'"FBJ("I9HoI>H"beiYkWb[ide]kWhZWdh[bWY_ŒdYed
los anteriores.
Animales y plantas han encontrado soluciones diferentes a
una misma necesidad: el mantenimiento y reposición de célubWiZkhWdj[[bZ[iWhhebbeo[bYh[Y_c_[dje$Beic[YWd_iceiceleculares que regulan la proliferación y diferenciación de las
células madre vegetales son aún poco conocidos. Sin duda, su
estudio permitirá mejorar nuestro conocimiento de las células madre animales y revertirá en un mejor entendimiento de
la regulación de la homeostasis celular, un proceso crucial para
el desarrollo y el crecimiento de todos los organismos multicelulares.
Me gustaría concluir con una cita de Scheres sobre «la enorme emoción que nos provocaría saber que, en otro planeta, una
misión espacial ha descubierto cierta clase de criaturas verdes
que pueden vivir más de dos mil años y que mantienen su capacidad de crecimiento gracias a células madre que nunca envejecen». Si semejante posibilidad nos parece extraída de un liXheZ[Y_[dY_WÐYY_Œd[ifehgk[deieceiYediY_[dj[iZ[gk[
esos seres ya existen entre nosotros. El estudio de los fascinantes procesos que rigen la biología de las plantas puede contidkWhfhefehY_edWdZeX[d[ÐY_ei_dYWbYkbWXb[iWbW^kcWd_ZWZ"
pero requiere una mayor concienciación y medios para llevarlo a cabo.
PA R A S A B E R M Á S
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Coupling cell proliferation and development in plants.»æܔ÷ÍÍrîr§Nature Cell Biology,
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»3ZrÍrÒr§Nature Reviews in Molecular and Cellular Biologyd諛»sdµñ†Ò»Þƒ€“Þ€ƒdäððÖ»
Plant stem cell niches: From signalling to execution.2»3DO›«éҚ”r§Current Opinion in Plant
Biologyd諛»®ƒdµñ†Ò»ƒ“¨däð®®»
Agosto 2012, InvestigacionyCiencia.es 65