capítulo v - infoagro colombia

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EL DESARROLLO VEGETAL
Crecimiento y diferenciación
El desarrollo vegetal, es el conjunto de procesos mediante los cuales, a partir de una
semilla sexual o vegetativa es posible obtener una planta completa capaz de producir
semillas sexuales y/o vegetativas que garanticen la continuidad de la especie. El desarrollo,
también puede ser considerado como la suma total de todos los procesos fisiológicos de un
organismo, y como el conjunto de procesos que sufre el embrión a partir de sus meristemos.
El desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación) es la consecuencia de la expresión
secuencial de un programa detallado, codificado en la secuencia de bases del ADN nuclear
y citoplásmico. Sin embargo, el programa no es sencillo en la mayoría de las plantas, sino
que tiene varias rutas alternas. La expresión de este programa es, en gran medida, una
consecuencia de la interacción con las variables ambientales. La temperatura, el
fotoperíodo, la calidad y cantidad de luz, la gravedad, la accesibilidad al agua, y los vientos,
son los factores ambientales más significativos que pueden iniciar o modificar las rutas
específicas del desarrollo vegetal. Por ejemplo, existen plantas como el cafeto, que como
respuesta a una disminución del potencial hídrico en el suelo y la atmósfera, desencadenan
procesos de floración (antesis), que son necesarios para obtener buenas cosechas periódicas
del grano. En este caso, el nivel de humedad ambiental, inicia un proceso de desarrollo
reproductivo que culmina en la formación de flores, frutos y semillas.
Normalmente, el desarrollo está constituído por dos procesos evolutivos muy importantes:
1. El crecimiento: Es el conjunto de modificaciones cuantitativas que intervienen en el
curso del desarrollo vegetal y que se traducen en un aumento en las dimensiones,
sin cambios apreciables en las propiedades cualitativas. Es un fenómeno biológico
que implica la síntesis y organización de nuevas moléculas a nivel celular, y a nivel
del órgano, implica diferenciaciones que conducen a la histogénesis y la
organogénesis. Se debe tener cuidado con no tomar como crecimiento las
variaciones de tamaño puramente mecánicas como el hinchamiento de una célula
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turgente. Tales variaciones, generalmente son reversibles, contrario a lo que sucede
durante el crecimiento biológico.
El crecimiento de una planta, es la suma integrada de los procesos individuales de
crecimiento de órganos y células: Cada uno de estos órganos y células, puede ser
afectado por factores externos tales como la temperatura, las condiciones de luz y la
disponibilidad de nutrientes y agua, así como también por factores internos. Este
crecimiento se define como un aumento en el volumen celular o incremento en el
número de células, que no discrimina dirección en el espacio, pero que tiene dos
direcciones fundamentales bien marcadas: El crecimiento primario o en longitud,
radicado en los meristemos apicales y crecimiento secundario o en grosor, ubicado
en los meristemos laterales.
En un camino intermedio a muchas definiciones de crecimiento, se lo puede
proponer como el proceso que describe el cambio cuantitativo del vegetal en
tamaño, en forma y ocasionalmente en número, o como el incremento sostenido e
irreversible de la materia seca de una planta o de una comunidad de plantas.
2 .La diferenciación
Es la adquisición gradual de diferentes rasgos estructurales y funcionales, por la
población celular uniforme y no especializada del meristemo. Mediante este proceso
también conocido como morfogénesis, se originan los rasgos anatómicos del
organismo. La morfogénesis es el desarrollo de formas externas de nuevos órganos
como las hojas.
El proceso de crecimiento, la división celular, la morfogénesis y la diferenciación,
constituyen la evolución de la planta.
Regulación del desarrollo
El crecimiento y la diferenciación vegetal, además de aumentar su tamaño y complejidad
funcional, conducen a la planta a interactuar favorablemente con su medio. Según lo
anterior, el proceso es mediado por mensajeros químicos o reguladores del desarrollo,
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concepto que explica cómo las plantas lo regulan y lo controlan. En los organismos
pluricelulares, la división y crecimiento de las células, su diferenciación y organización en
tejidos, así como sus actividades metabólicas, deben suceder en forma armónica. Para ello,
es necesaria la comunicación intercelular, la cual se efectúa mediante sistemas de
señalización capaces de operar a larga distancia.
Existen varios modos diferentes mediante los cuales los cuales los factores ambientales
desencadenan los cambios durante el desarrollo vegetal. En primer lugar, el estímulo debe
ser percibido por la célula vegetal. La luz, por ejemplo, produce un efecto biológico debido
a que es absorbida en primer lugar por un pigmento. Entre los pigmentos que actúan como
fotorreceptores en las plantas se encuentran las clorofilas, los fitocromos, las ficobilinas, los
carotenos, las flavinas. Aunque todos los pigmentos absorben determinadas longitudes de
onda de la luz, no todos actúan como fotorreceptores. Para que un pigmento actúe como
fotorreceptor, debe estar acoplado a un mecanismo bioquímico de tal forma, que la
absorción de la luz genere una señal química que modifique el metabolismo celular.
Finalmente, el metabolismo celular alterado, produce cambios en el crecimiento o en la
diferenciación.
Aunque algunos estímulos inician nuevas rutas completas del desarrollo tales como la
inducción de la floración, otros, sencillamente, modifican los patrones o la dirección del
crecimiento. El crecimiento se orienta mediante los estímulos ambientales tanto hacia el
estímulo (movimiento tropístico positivo o tropismo positivo) como en dirección contraria
(movimiento tropístico negativo o tropismo negativo). En muchos casos, estas respuestas
tropísticas, son mediadas por moléculas señal que estimulan o suprimen el crecimiento y
pueden iniciar o alterar las rutas del desarrollo. Estas moléculas reguladoras especiales se
denominan hormonas. Este término se utiliza en Fisiología Vegetal para significar cualquier
molécula de ocurrencia natural que actúa como señal para la regulación del desarrollo
vegetal (crecimiento y diferenciación).
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Las hormonas vegetales
A lo largo de la evolución, los organismos han adquirido la capacidad para modular su
actividad metabólica y asegurar un desarrollo controlado. Tal capacidad se evidencia en
determinados mecanismos internos regulados por hormonas. En los animales, las hormonas
cumplen funciones de mensajeros químicos: Se sintetizan en glándulas específicas, se
transportan desde allí al sitio de intervención y la respuesta inducida por la señal química
depende de la concentración de la hormona. En 1928, Fritz Went descubrió la actividad
hormonal del ácido indolacético (AIA) sobre el crecimiento de plántulas de avena: Su
efecto dependía de la concentración, y ejercía su acción en sitios diferentes al de síntesis.
En los años posteriores a 1950, se descubrieron las giberelinas, las citocininas, el ácido
abscísico, el etileno, las poliaminas, los brassinoesteroides, el ácido jasmónico y sus
derivados, y el ácido salicílico.
Las hormonas de las plantas, son sustancias que ocurren naturalmente en ellas, y son
efectivas en muy pequeñas cantidades. Actúan estimulando o inhibiendo el crecimiento, o
regulando algunos programas del desarrollo. Son moléculas muy pequeñas, de masas
moleculares menores de 1.0 kDa. En muchos casos, las hormonas de las plantas son activas
en tejidos objetivo específicos, diferentes del tejido en el cual se producen. Son señales
químicas que facilitan la comunicación intercelular. En estos casos, la hormona puede ser
transportada pasiva o activamente hacia los tejidos objetivo, desde los sitios de síntesis y
puede tener poco o ningún efecto sobre los tejidos a través de los cuales se transporta o
donde se producen. En otros casos, los efectos de las hormonas son más generalizados y
pueden actuar sobre los tejidos en los cuales se produce la señal, o bien en otros.
Existe una regulación específica del mecanismo de biosíntesis de la hormona, lo mismo que
un mecanismo de regulación de su degradación. Como resultado, los niveles de las
hormonas en la planta son variables. Los factores ambientales como la luz, el fotoperíodo, y
la gravedad, pueden afectar tanto la biosíntesis, como la degradación y la distribución de las
hormonas en la planta, y a su vez, las hormonas modifican el desarrollo o la respuesta en
crecimiento.
Hasta hace relativamente poco tiempo (años 80), se reconocían únicamente 5 clases de
hormonas vegetales: Las auxinas, las citocininas, las giberelinas, el etileno y el ácido
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abscísico. Se encontró que su actividad no se restringe a regular los tropismos, e incluso,
algunas de ellas no tienen nada que ver con en las respuestas trópicas, pero se ha podido
establecer que las hormonas regulan la mayoría, si nó todos los aspectos del desarrollo
vegetal.
La mayoría de las hormonas tienen un receptor o varios de ellos a los cuales se ligan. La
unión de una hormona con su receptor inicia una cascada de cambios celulares que
constituyen una ruta de transducción de señales. En algunos casos, la unión de la hormona
con su receptor, da como resultado la formación de un segundo mensajero intracelular.
Se ha demostrado que las auxinas, las giberelinas, las citocininas, el ácido abscísico (ABA),
el etileno, los brassinoesteroides, las poliaminas, el ácido salicílico, la tiamina, la sistemina,
varios oligosacáridos, el ácido jasmónico (AJ), el metil jasmonato y ciertos compuestos
fenólicos, ejercen un efecto poderoso sobre algunos aspectos del desarrollo vegetal. No
todos los compuestos de la lista son hormonas, como por ejemplo la tiamina, que se incluye
para ilustrar la diferencia entre las hormonas vegetales y otras moléculas que pueden
estimular el desarrollo bajo algunas condiciones. La tiamina es una vitamina, nutriente
esencial para los animales, los cuales no pueden sintetizarla, y deben obtenerla de la dieta
alimenticia. La tiamina se sintetiza solamente en el brote de la planta en presencia de la luz,
pero no es sintetizada por las raíces, las cuales dependen para su trabajo metabólico, de la
tiamina que se sintetiza en el brote.Hay una diferencia fundamental entre la tiamina y las
hormonas de las plantas, tales como la auxina. Una vez la tiamina entra a la célula, es
fosforilada y entonces sirve como cofactor para la carboxilasa, es decir, participa en el
metabolismo respiratorio que es esencial para aportar la energía necesaria para el
desarrollo.
Las hormonas de las plantas, no son únicamente factores permisivos, sino que juegan un
papel importante en la determinación de cuándo o dónde ocurren los procesos de
crecimiento y de la iniciación o inhibición de los procesos de desarrollo. Se ha demostrado
que la mayoría de las hormonas vegetales inducen la expresión de muchos genes, y que una
parte de tales genes contiene secuencias de bases específicas en sus promotores que actúan
como elementos de la respuesta hormonal. En presencia de la hormona, se liga a ella un
factor de transcripción que permite la iniciación de este proceso.
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Según lo anterior, el desarrollo vegetal es mediado por mensajeros químicos o reguladores
del crecimiento vegetal (hormonas), concepto que explica cómo las plantas lo regulan y
controlan. En los organismos pluricelulares, la división y crecimiento de las células, su
diferenciación y organización en tejidos, así como sus actividades metabólicas, deben
producirse de forma armónica. Para ello, es necesaria la comunicación intercelular, la cual
se efectúa mediante sistemas de señalización capaces de operar a larga distancia.
De las moléculas anteriormente nombradas, cinco son generalmente reconocidas como
hormonas: Auxinas, giberelinas, citicininas, ácido abscísico y etileno. El polipéptido de 18
aminoácidos sistemina, de reciente descubrimiento, puede ser añadido a la lista de las
hormonas vegetales. La sistemina se producida como respuesta al daño producido por los
insectos y fitófagos, y rápidamente es transportada a través de la planta donde desencadena
la síntesis de los inhibidores de proteinasas. Además de esto, los fragmentos específicos de
la pared celular llamados usualmente oligosacarinos u oligosacáridos, hacen parte de la
respuesta inicial al ataque de insectos o patógenos y son, por consiguiente, importantes
señales moleculares. Los oligosacarinos derivados de la pared celular de las plantas pueden
actuar como señales que regulan otros aspectos del desarrollo de ellas.
Las auxinas
Las auxinas regulan muchos aspectos del desarrollo vegetal, y es posible que ellas sean
esenciales para la vida de la planta. Además de la regulación del alargamiento celular, las
auxinas pueden ser responsables del control de los siguientes fenómenos: Fototropismo,
inhibición de la formación de la zona de abscisión, inhibición del desarrollo de las yemas
laterales (dominancia apical), diferenciación del tejido vascular, división de las células del
cámbium vascular, mantenimiento de la polaridad de los tejidos y expansión de la lámina
foliar.
Las auxinas se sintetizan en las yemas apicales y las hojas jóvenes de una planta típica. Son
transportadas hacia la parte baja del tallo por un mecanismo específico conocido como el
sistema de transporte de las auxinas. Se ha establecido el papel de la auxina como señal en
el fototropismo. Regulan el alargamiento de los entrenudos jóvenes y el crecimiento de las
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hojas jóvenes. Inician la diferenciación celular en ambos, estimulando el agrandamiento y
el alargamiento. Mientras promueven el crecimiento de estos tejidos y órganos, inhiben el
desarrollo de las yemas laterales conocido como dominancia apical. Las auxinas pueden
tener un efecto positivo o negativo sobre alguno de estos fenómenos, dependiendo de su
concentración, la cual debe estar por encima de algún umbral para que sea efectiva, y por
encima de este umbral, la cantidad de crecimiento es función lineal del incremento en la
concentración de la hormona. Sin embargo, en un punto determinado, los mayores
incrementos en la concentración de las auxinas cesan de promover el crecimiento, y de
hecho, se convierten en inhibidores. En los diferentes tejidos, varía ampliamente la
concentración efectiva de la auxina que promueve el desarrollo.
Posibles mecanismos de acción de las auxinas
a acción de las auxinas depende de las condiciones anatómicas y fisiológicas de las células
afectadas. Las investigaciones iniciales fueron guiadas por la idea de que las auxinas y otras
hormonas, pueden actuar como coenzimas para enzimas específicas. Una molécula de ácido
idolacético (AIA) puede afectar a miles o millones de otras moléculas, amplificando
enormemente la respuesta al desencadenamiento inicial producido por ella y por otras
hormonas involucradas. Si una hormona actúa como coenzima, se puede explicar tal
amplificación, pero no se ha probado definitivamente que ninguno de los grupos
hormonales actúe como coenzima ni hay evidencia de que provoquen cambios alostéricos
en ninguna enzima. Pueden existir ambas posibilidades debido al hecho de que hay muchas
enzimas cromosómicas asociadas a la síntesis de ADN y ARN, y muchas enzimas y
proteínas ribosomales responsables de la síntesis de proteínas. Tales enzimas y proteínas
son las que están recibiendo mayor atención para explicar la teoría de la acción hormonal.
Las moléculas de ARN que se necesitan para la síntesis de enzimas u otras proteínas, se
producen más rápidamente en la presencia de auxinas, mientras que los inhibidores
bloquean tal síntesis. La síntesis de ARN ribosomal, se estimula especialmente por las
auxinas, y los nucléolos responsables de esta síntesis, aumentan de tamaño en presencia de
ellas.
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Aparentemente, las auxinas estimulan el debilitamiento de la pared celular asociado a un
efecto sobre la membrana plasmática, pero esta respuesta, requiere de la presencia de
alguna proteína o enzima que se destruye en pocas horas y puede ser resintetizada
dependiendo de las reacciones del ARN. El estímulo del ARN y la síntesis proteínica por
la auxina, requieren que la hormona o la molécula formada como respuesta a la acción
hormonal en el sitio de la membrana plasmática, se mueva o se transfiera al núcleo,
afectando la transcripción. En esta forma, la actividad nuclear puede ser controlada por
eventos relacionados con la acción hormonal en la superficie de la célula.
Las giberelinas
Las giberelinas también regulan el alargamiento del tallo, pero afectan diferentes tejidos de
los afectados por las auxinas. Aunque las auxinas regulan el alargamiento de los tejidos del
coleoptilo en semillas de pastos, no se han encontrado en estos órganos, contenidos
significativos de giberelina. Cuando se corta el coleoptilo y se aplica giberelina, no hay
crecimiento de la plántula. Las giberelinas están relacionadas con la regularización del
alargamiento internodal en las plantas enteras.
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Las giberelinas, también ejercen un marcado efecto sobre el crecimiento de plantas
genéticamente enanas. Por ejemplo, hay un solo gene mutante en alverja, maíz y otras
plantas que exhiben estatura enana, debido primariamente a que sus entrenudos no se
alargan. La aplicación de giberelinas ocasiona que estas plantas puedan crecer a alturas
similares a las del tipo silvestre. Entonces, las giberelinas juegan un papel importante en la
regulación del alargamiento internodal. Esta conclusión, se sustenta sobre el hecho de que
cuando se aplican muchos compuestos químicos sintéticos como el Cicocel, a plantas
normales, inducen enanismo. Varios de estos químicos enanizantes inhiben la biosíntesis de
giberelinas.
Se ha demostrado, que las giberelinas intervienen en las siguientes respuestas: Reversión a
la juvenilidad en plantas que poseen diferentes fases juveniles y adultas, control del
cuajamiento y crecimiento de los frutos, particularmente en vid, inducción de la
germinación en las semillas que requieren luz o frío para su germinación, ruptura de la
dormancia apical de yemas, diferenciación sexual en algunas plantas monóicas,
movilización durante la germinación, de las reservas alimenticias almacenadas.
Se han descubierto al menos 50 tipos diferentes de giberelinas en los hongos y en las
plantas, los cuales se distinguen mediante la abreviatura GA con un subíndice como en el
caso de GA3 que ha sido estudiada más que las demás por su fácil consecución. Las
giberelinas ocurren en las angiospermas, gimnospermas, helechos, algas y hongos, y
aparentemente no se encuentran en las bacterias, pero sólo en las plantas vasculares se han
establecido con precisión sus roles fisiológicos.
Mecanismo de acción
Los muchos efectos de las giberelinas, sugieren que tienen más de un sitio primario de
acción. Aunque ocurra un efecto individual en las plantas, tal como el alargamiento del
tallo, este es el resultado de su contribución en, al menos, tres eventos: (1) La división
celular es estimulada en el ápice de los brotes, especialmente en las células de los
meristemos más basales. Las giberelinas promueven la división celular porque estimulan la
entrada de las células de fase G1 a fase S y porque también acortan la fase S. El mecanismo
no ha sido completamente aclarado, pero es razonable afirmar que las giberelinas
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incrementan el número de sitios en el cromosoma donde puede empezar la síntesis de ADN
y ARN. Esto puede ser el resultado de su habilidad para combinarse con las proteínas
cromosómicas y consecuentemente, para descubrir los sitios de iniciación de la síntesis de
los ácidos nucléicos (2) las giberelinas estimulan el crecimiento celular, porque
incrementan la hidrólisis de almidón, fructosanos y sacarosa a moléculas de glucosa y
fructosa. Estas hexosas, suministran energía por la vía de la respiración, contribuyen a la
formación de la pared celular y también hacen que la célula haga más negativo su potencial
hídrico momentáneamente.
Como resultado de la disminución del potencial hídrico, el agua entra más rápidamente,
diluye el azúcar e induce la expansión celular. En los tallos de la caña de azúcar, el
crecimiento promovido por las giberelinas, se debe al incremento en la síntesis de la
invertasa, que hidroliza la sacarosa proveniente de las hojas (3) las giberelinas incrementan
algunas veces la plasticidad de la pared celular y no solamente promueven el alargamiento
del tallo, sino también el crecimiento de la planta entera incluyendo las hojas y las raíces.
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Figura 71. Principales formas moleculares de las giberelinas.
Las citocininas
Durante la década de 1920-1930, G. Haberlandt descubrió que un compuesto desconocido
presente en los tejidos vasculares de varias plantas, estimulaba la división celular, originaba
la formación de corcho a partir del cámbium y participaba en la curación de las heridas en
los tubérculos de la papa. También dedujo que las células parenquimatosas de las heridas
producían otros compuestos que participaban en los procesos de división y sanación de las
heridas. Esta fue la primera demostración de que las plantas contenían compuestos
llamados ahora citocininas, que estimulan la citocinesis.
A mediados del siglo 20, Oberbeek, encontró que el endospermo lechoso de los cocos
inmaduros, también es rico en compuestos que estimulan la citocinesis, y durante los
primeros años de la década de 1950, Folke Skoog y sus colaboradores, quienes estaban
interesados en el estímulo por auxinas en cultivos de tejidos vegetales, encontraron que las
células de las secciones de los vasos cribosos de los tallos de tabaco se dividían mucho más
rápidamente si se colocaba una pieza de tejido vascular, en la parte superior del vaso
criboso, verificando los resultados de Haberlandt. Trataron de identificar el factor químico
de los tejidos vasculares utilizando el crecimiento de las células de los vasos cribosos de
tabaco en sistemas de bioensayo. Estas células fueron cultivadas en medio de agar con
contenidos de azúcares, minerales, sales, vitaminas, aminoácidos y AIA conocidos. El AIA
mismo, estimulaba el crecimiento ligeramente, principalmente debido a que se formaban
células enormes que no se dividían. Muchas de estas células eran poliploides y con muchos
núcleos. En la búsqueda de sustancias que estimularan la división celular, encontraron una
purina componente de extractos de levadura, con alta actividad. Este resultado, condujo a
investigaciones acerca de la habilidad del ADN para promover la citocinesis y al
descubrimiento en 1954 de muchos compuestos activos formados a partir de la ruptura del
ADN de esperma de arenque y llamaron a estos compuestos cinetinas.
Aunque la cinetina misma no ha sido encontrada en las plantas y no es la sustancia activa
encontrada por Haberlandt en el floema, algunas cinetinas relacionadas, ocurren en la
mayoría de las plantas. F.C. Steward usó técnicas de cultivo de tejidos durante la década de
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1950 y encontró en la leche de coco muchas citocininas que estimulan la división celular en
los tejidos de raíces en zanahoria. Letham, van Staden y Drewes mostraron entre 1974 y
1975, que las más activas de estas eran la zeatina y el ribósido de zeatina. La zeatina fue
identificada en el maíz por Letham y Miller en 1964.
A partir de entonces, se han identificado otras citocininas con estructuras parecidas a la
adenina, similares a la cinetina, la zeatina y el ribósido de zeatina. Ningunas de estas son
constituyentes del ADN ni son productos de su ruptura, pero algunas ocurren como bases
extrañas en ciertas moléculas de ARNt de plantas superiores y aun en primates. Algunos se
presentan en forma de citocininas libres. Solamente cerca de un décimo de las moléculas de
ARNt contienen citocininas y, entonces, sólo una base de citocinina se encuentra presente
en cada molécula de ARNt, ligada luego del terminal 3' del anticodón. Las citocininas
ligadas al ARNt pueden ser necesarias para la unión normal del ARNt al ARN mensajero
mediante interacciones anticodón-codón durante la síntesis de proteínas en el ribosoma,
pero es una citocinina libre no ligada en el ARNt, la que aparentemente, ocasiona las
respuestas fisiológicas conocidas. Las citocininas básicas incluyen la zeatina, la isopentenil
adenina, la 2-metiltiozeatina y la 2-metiltioisopentenil adenina. Los derivados metiltio no
se han encontrado como citocininas libres.
También se han identificado en las angiospermas, otra media docena de citocininas
derivadas de la adenina, que poseen una cadena lateral en la posición N6 y se espera
encontrar otras. Las citocininas libres, han sido identificadas en sólo unas pocas
gimnospermas y aparentemente en no todos los musgos y los helechos, aunque
probablemente ocurren en todas las plantas tanto en forma libre, como en forma de ARNt.
Según lo anterior, aunque no ha sido demostrado, se supone que las citocininas son
sustancias producidas endógenamente y que actúan como sustancias reguladoras del
crecimiento de las plantas. Contrariamente a lo anterior, la producción de citocininas por
microorganismos asociados a las plantas está bien documentada, y se ha propuesto una
hipótesis alternativa según la cual, las citocininas son producidas exclusivamente por
simbiontes microbiales de las plantas, tales como las bacterias pigmentadas rosa
facultativamente metilotróficas (PPFM). Estas bacterias se distribuyen en todas las plantas,
gracias al desarrollo de mecanismos confiables para su transmisión por las semillas,y no
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son ni accidentales ni triviales. Las poblaciones de estos organismos son mayores en los
puntos de crecimiento de la planta y su distribución imita la distribución de las citocininas
en los tejidos de la planta.
La relación entre las plantas y sus simbiontes microbiales, no está completamente
comprendida, pero puede ser mutuamente benéfica: los simbiontes dependen de la planta
para cubrir sus necesidades nutricionales y para la obtención de un hábitat físico, y se ha
propuesto que las plantas dependen de las bacterias para la remoción de los productos
metabólicos de desecho que se generan durante el crecimiento, como el metanol producido
por la planta y consumido por las PPMF. Esto es razonable debido a que las células
metabólicamente activas, generan sustancias de desecho. Estas bacterias, remueven este
material desde el apoplasto y lo utilizan como recurso nutricional degradándolo a
compuestos más simples como el amonio, que pueden retornar a la planta.
Debido a la inmovilidad de las plantas, su habilidad para crecer, depende de su capacidad
para eliminar los productos de desecho generados durante el proceso de crecimiento. Las
citocininas, son señales emitidas por los microbios hacia la planta, señales que sirven para
informar que los mecanismos manipuladores de desechos están presentes y activos: en
esencia, que el crecimiento puede comenzar. Las plantas responden a esta señal, iniciando
el crecimiento y desactivando la molécula señal a medida que la reciben.
Cuando las citocininas se visualizan como señales de los microbios a la planta, la idea del
balance entre auxinas y citocininas toma un gran significado. Esto también explica por qué,
la modificación de la señal citocinina ocurre en el mismo tejido en el cual dicha señal, se
produce aparentemente. La distribución de la bacteria en la planta evita el requerimiento de
un mecanismo integrado para la producción de citocinina por ella, y también puede explicar
que los niveles de citocininas circulantes parezcan bajos, y cuando se aplican
exógenamente parecen inmóviles.
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Como funciones generales de las citocininas, se pueden mencionar: Promoción de la
división celular y de la formación de órganos, retardo de la senescencia, promoción del
desarrollo de las yemas laterales, aumento de la expansión de los cotiledones y las hojas en
algunas dicotiledóneas, promoción del desarrollo de los cloroplastos y del crecimiento
general de la planta.
Modo de acción de las citocininas
La variabilidad de los efectos de las citocininas, sugiere diferentes mecanismos de acción
en diferentes tejidos, aunque el punto de vista más simple es el de un efecto primario
común seguido por numerosos efectos secundarios que dependen del estado fisiológico de
las células objetivo. Como en el caso de otras hormonas, debe ocurrir una amplificación del
efecto inicial ya que las citocininas ocurren en bajas concentraciones (0.01 a 1.0 M). Se
sospecha que existe un efecto de las citocininas sobre el ARN y la síntesis de enzimas,
particularmente porque sus efectos son bloqueados por los inhibidores de la síntesis de
proteínas.
Cuando las citocininas promueven la citocinesis, ocurre un incremento en el tamaño de los
nucléolos de los cotiledones de lino y de los vasos cribosos del tabaco, lo cual sugiere un
aumento en la síntesis de ARN ribosomal, que es una de las funciones primarias de los
nucléolos, pero este efecto, ocurre únicamente después de muchas horas y no hay duda de
que se trata de una respuesta secundaria.
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Figura 72. Principales formas moleculares de las citocininas.
Las hormonas pueden estimular la formación de algunas proteínas necesarias para la
citocinesis, pero no se necesita la síntesis de ADN, ya que este último proceso, ocurre sin
impedimento en tejidos de callo, sin la adición de citocininas.
Ácido abscísico (ABA)
El ácido abscísico, fue descubierto durante la búsqueda de los factores que forman la zona
de abscisión en frutos y hojas y como resultado de la investigación acerca de las señales
reguladoras de la iniciación de la dormancia. Fue llamado ácido abscísico, porque
inicialmente se creía que esta hormona era la señal primaria para la iniciación de la
abscisión de la hoja. Sin embargo, aunque el ácido abscísico puede promover la abscisión
de las hojas de algodón y otras pocas especies bajo condiciones experimentales, se sabe en
la actualidad que en muchas plantas la abscisión de frutos y hojas es inducida por el etileno.
El ácido abscísico, regula muchos aspectos importantes del desarrollo de la planta, entre los
cuales, se incluyen la iniciación de la dormancia de la semilla y de las yemas, el control del
cierre estomático bajo condiciones de estrés, y la iniciación de la senescencia. Algunas
veces, se ha considerado al ABA como una hormona del estrés de las plantas, porque se
sintetiza como respuesta a muchos tipos de estrés inducidos por el frío, la salinidad y la
deficiencia hídrica. El ABA puede inhibir o revertir la acción de otras hormonas
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promotoras del crecimiento, mientras que induce el crecimiento a partir de semillas y brotes
en dormancia. El ABA, inhibe tanto a las giberelinas como a las auxinas que inducen el
crecimiento y promueve el inicio de la dormancia.
El ABA induce el cierre estomático en pocos minutos y se ha encontrado que el estrés
hídrico en la raíz puede incrementar hasta en 40 veces los niveles de ABA en las plantas.
Un incremento en un ión, desencadenado por la luz o por los cambios en la concentración
de CO2, resulta en el aumento de la presión osmótica y en la toma de agua por las células
guardas. El resultado del incremento en la presión de turgencia, es la deformación de las
células guardas, de manera que los estomas se abren. El cierre estomático, es el resultado de
la pérdida de iones, lo cual conduce a la pérdida de agua y a una reducción en la presión de
turgencia.
Las células guardas, poseen un receptor de ABA en la superficie externa de su membrana
plasmática, y el ABA, con su receptor, abre un canal iónico y activa la bomba de protones.
Figura 73. Principales formas moleculares del ácido abscísico.
Etileno
El etileno es una molécula reguladora muy simple
H2C=CH2
Cuando las plantas se exponen al smog, a diversos gases y al aire contaminado, ocurren
muchos cambios fisiológicos en el desarrollo (crecimiento y diferenciación). Desde 1900,
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se sabe que el etileno puede modificar el crecimiento de las plantas, por ejemplo, los
cultivadores de piña en Puerto Rico y de mango en Filipinas, encienden hogueras cerca de
sus cultivos en un esfuerzo por inducir la floración o la maduración de los frutos, y se sabe
que algunos de estos efectos, son causados por el etileno. En 1901, Neljabou (Rusia),
encontró que las plantas de arveja que cultivaba en su laboratorio iluminado por lámparas
de gas, mostraban lo que se dió en llamar la triple respuesta:(1) ausencia de geotropismo
positivo (2) aumento del volumen de los tallos y (3) epinastia de los pecíolos de las hojas.
Cuando se analizaron los componentes del gas de alumbrado, se encontró una
concentración de etileno de 10 ppm, y se estableció que a esta concentración, el etileno
puede producir los efectos observados en las plántulas de arveja. Se sabe ahora, que los
eventos que ocurren durante la maduración de los frutos, tales como la suavización de la
consistencia, los cambios en la coloración y en la conversión de almidones en azúcar, son
desencadenados por el etileno. Como resultado de estos trabajos, se encontró que el etileno
es una hormona que actúa durante los procesos de maduración del fruto, y se considera que
tiene más bien un papel limitado sobre la regulación del crecimiento de la planta. En la
actualidad, se sabe que el etileno se produce en todas las partes de la planta, pero en mayor
cantidad en los frutos en maduración, en los tejidos senescentes y en las regiones
meristemáticas. El etileno se produce en muchas otras partes de la planta como respuesta al
estrés, como en el caso de las heridas y la invasión por organismos patogénicos.
Modo de acción del etileno
Muchas evidencias, indican que el etileno se une temporalmente a un metal (probablemente
Cu) contenido en algunas enzimas no identificadas o quizá a una proteína de membrana. El
metal desconocido, parece interactuar tanto con el CO como con el CO2, y el CO ocasiona a
algunos de los mismos efectos del etileno. Si las concentraciones del gas son demasiado
bajas, se inhibe la citocromo oxidasa por el CO, mientras que el CO2 es un inhibidor
competitivo para la acción de muchas de las respuestas del etileno.
El etileno juega un papel importante en el control de la formación de la zona de abscisión.
La zona de abscisión, es una capa específica que se forma en el pecíolo y en la base de la
hoja y que representa una región de debilidad estructural que lleva a la hoja a desprenderse
19
de la planta. Su formación es inhibida por las auxinas y promovida por el etileno. La
biosíntesis del etileno, puede ser inducida por las auxinas y se ha demostrado que muchos
de los efectos inhibidores de las auxinas, son causados por el etileno inducido por ellas. En
estos casos, el etileno parece ser un tipo de segundo mensajero. De hecho,se ha demostrado
que muchos de los efectos que se atribuyeron en primera instancia a las auxinas son
mediados por un etileno inducido por ellas.Sin embargo, el etileno no puede sustituír a la
auxina en la promoción del alargamiento de los tallos de muchas plantas o en la promoción
de la división celular en los cultivos de tejidos.
Los jasmonatos
El ácido jasmónico (JA) y los compuestos relacionados con él fueron aislados inicialmente
como
inhibidores
del
crecimiento
vegetal,
a
partir
del
filtrado
del
hongo
Botrydiploiditheobromae, pero actualmente, se los ha relacionado con varios procesos
fisiológicos que incluyen las respuestas de defensa.
El JA, es estructuralmente similar a las prostaglandinas, compuestos hormonales que
juegan una amplia variedad de actividades en los mamíferos. Tanto el JA como las
prostaglandinas, se derivan de los ácidos grasos.
El ácido jasmónico (JA) y sus derivados [(principalmente el ácido metil jasmónico (MJA)],
pueden modular varios aspectos de la maduración de los frutos, de la producción de polen
viable, del crecimiento de la raíz, del enrrollamiento de los zarcillos en las plantas
trepadoras, y de la resistencia a insectos y patógenos. El jasmonato activa genes que tienen
que ver con la resistencia a patógenos e insectos y genes relacionados con proteínas de
almacenamiento vegetativo, pero reprime genes que codifican para proteínas relacionadas
con el proceso fotosintético. La activación de la biosíntesis del ácido jasmónico, provocada
por elicitores liberados por la pared celular, por el péptido sistemina y por otros
compuestos, se relaciona con la función de los jasmonatos en las plantas. El jasmonato
modula la expresión génica durante la transcripción, el procesamiento del ARN y la
traducción.
20
Durante los estudios iniciales, se encontró que tanto el AMJ como el AJ, aplicados
exógenamente, promueven la senescencia y actúan como fitorreguladores. A partir de otras
investigaciones, se ha encontrado que el AJ altera la expresión génica y que las heridas y
los elicitores inducen la acumulación de AJ/AMJ en las plantas. Estos resultados sugieren
la participación del jasmonato en la defensa de las plantas, lo cual ha sido confirmado
recientemente. Como resultado de otras investigaciones, se ha encontrado que los
jasmonatos se encuentran implicados en el desarrollo vegetativo, en el desarrollo del fruto
y en la viabilidad del polen. En adelante, se utilizará el término jasmonatos para identificar
el complejo AJ/AMJ.
Los jasmonatos modulan la expresión de numerosos genes y tienen influencia sobre
aspectos específicos del desarrollo vegetal (crecimiento y diferenciación) y de la respuesta
a estreses bióticos y abióticos. El MJA, y el compuesto estructuralmente relacionado, la
cis-jasmona, son bien conocidos en la perfumería como componentes fragantes de los
aceites esenciales del jazmín Jasminum grandiflorum.
El ácido cucúrbico, fue aislado de semillas inmaduras del zapallo o ahuyama Cucurbita
máxima y a comienzos de los años de 1980, fueron detectados el JA y el MJA como
sustancias promotoras de la senescencia y retardantes del crecimiento en muchas especies
vegetales como la artemisa Artemisia absinthium, haba Vicia faba, fríjol Phaseolus
vulgaris, poroto Dolichos lablaby castaño japonés Castanea crenata. En 1989, se encontró
que el glucósido 12-O-β del ácido tuberónico (ácido 12- hidroxijasmónico) es uno de los
factores inductores de la tuberización de la papa Solanum tuberosum. El JA y el MJA, son
los principales jasmonatos de los tejidos vegetales.
Figura XXX. Estructura del ácido jasmónico
21
Germinación de las semillas
Los jasmonatos inhiben la germinación de semillas no latentes, y estimulan la germinación
de las semillas latentes. En algunas semillas recalcitrantes como las de roble, Quercus
robur, los jasmonatos, el ABA y el etileno inhiben la germinación. La desecación de estas
semillas induce el incremento en la concentración de jasmonatos antes de que se pierda la
viabilidad. El incremento en el nivel de jasmonatos está relacionado con la peroxidación de
los lípidos, lo cual hace pensar que la producción de jasmonatos, puede no estar asociada
con la regulación de la germinación sino más bien con el daño de la membrana.
Depósitos vegetativos y proteínas de almacenamiento
Las plantas, tienen la capacidad de acumular grandes cantidades de carbono y nitrógeno en
células y tejidos específicos, y la de movilizarlos para que sean utilizados en otras partes
de ella. Esta capacidad, se utiliza durante la formación de la semilla, cuando los nutrientes
se movilizan desde las partes vegetativas de la planta, hasta las semillas en desarrollo, y
durante la germinación de la semilla, cuando el carbono y el nitrógeno, se movilizan para
el desarrollo de la plántula.
El almacenamiento y la movilización transitoria de los nutrientes, también ocurren durante
el crecimiento vegetativo. Por ejemplo, el carbono se acumula durante el día en forma de
almidón en el cloroplasto, y se moviliza en forma de sacarosa durante la noche, a otras
partes de la planta. El carbono y el nitrógeno, pueden acumularse también en las células
localizadas en regiones meristemáticas, para su utilización durante el crecimiento celular
acelerado. Como el nivel del jasmonato en los sumideros vegetativos es alto, se ha
sugerido que el AJ juega un papel muy importante en formación de tales sumideros. Por
ejemplo, se ha encontrado que los contenidos de AJ, son altos en los ejes de crecimiento,
en las plúmulas y en el hipocotilo de la soya, lo mismo que en las estructuras reproductivas
en crecimiento como las vainas. Se ha propuesto, que el AJ o uno de sus derivados, el
ácido tuberónico, juega un papel importante en la formación de los tubérculos, los cuales
constituyen un tipo especial de depósito o vertedero. Por otro lado, se ha encontrado que el
AJ regula la expresión de los genes que tienen que ver con el almacenamiento de proteínas
durante el crecimiento vegetativo de las plantas.
22
Fotosíntesis, senescencia y estreses abióticos
La aplicación foliar de AJ, disminuye la expresión de los genes nucleares y cloroplásticos
relacionados con la fotosíntesis. Además, ocasiona también la pérdida de la clorofila de las
hojas o en los cultivos de tejidos. El estudio dela habilidad del AJ para ocasionar la
clorosis, condujo a establecer el papel del AJ en la senescencia vegetal. Así mismo, la
participación del AJ en la inhibición de los genes relacionados con la fotosíntesis, parece
indicar, que el jasmonato contribuye a reducir la capacidad de la planta para la asimilación
del carbono bajo condiciones de exceso de luz o de CO2. El aparato fotosintético, puede
absorber más energía lumínica que la que puede utilizar durante la fotosíntesis, bajo
condiciones en las cuales la fijación del CO2 excede la capacidad de las células para
exportar o almacenar el carbono, de tal forma, que la inhibición de los genes que codifican
para el aparato fotosintético bajo estas condiciones, puede balancear las capacidades de
absorción y utilización de la energía lumínica.
Desarrollo de la flor y el fruto
Se ha encontrado que el AJ juega un papel importante en la formación de las flores, los
frutos y las semillas. La presencia del AJ o de los derivados volátiles de ácidos grasos
relacionados, también tiene que ver con la atracción de los insectos y la dispersión del
polen, y con otros aspectos del desarrollo de la flor, el fruto y la semilla tales como la
maduración, la composición en carotenoides y la expresión de los genes relacionados con
las proteinas de almacenamiento vegetativo. Aparentemente, la inducción de la maduración
del tomate y la manzana, ocurre principalmente como una respuesta a la inducción de la
producción de etileno. La aplicación de AJ a frutos de tomate, inhibe la acumulación de
licopeno y estimula la acumulación de β-caroteno.
Resistencia a los insectos y enfermedades
El AJ juega un importante papel en la defensa de las plantas contra los insectos y
enfermedades. En primer lugar, el AJ se acumula en las plantas heridas y en las plantas o
cultivos de tejidos tratados con inductores de defensa contra los patógenos. En segundo
23
lugar, el AJ activa los genes que codifican para los inhibidores de proteinasas, los cuales
ayudan a proteger a la planta del daño provocado por los insectos. El AJ activa la expresión
de los genes que codifican para proteínas antifungosas tales como la tionina, la osmotina,
la PDF y la proteína inactivante del ribosoma RIP60. El AJ, modula la expresión de algunas
proteínas de la pared celular como la PRP, la cual está relacionada con la síntesis de
barreras contra las infecciones. Además, el AJ induce los genes relacionados con la síntesis
de fitoalexinas y fenoles relacionados con la defensa de las plantas.
Iniciación hormonal de las cascadas reguladoras
Al día de hoy, no se tiene un conocimiento completo acerca de cómo las hormonas
vegetales llevan a cabo su papel regulador. Sin embargo, ha sido bien establecido que estas
moléculas reguladoras, actúan por la ruta de transducción de señales iniciadas como
resultado de la unión de la hormona con un receptor. Los receptores esteroides de
hormonas, son proteínas que se unen al ADN para iniciar la transcripción de genes
específicos después de que ellos se unen a la hormona. Se han identificado receptores para
las auxinas, giberelinas y ABA. Los receptores de la giberelina y el ABA, se encuentran en
la superficie celular, y los receptores de la auxina se han encontrado tanto en la superficie
celular como en el citoplasma.
La unión de la hormona con los receptores en la superficie de la membrana, inicia cambios
en los eventos que conducen a la generación de mensajeros secundarios de corta vida. Se
pueden usar muchos mensajeros secundarios diferentes, pero la acción de una hormona
específica en un tipo de célula en particular, puede desencadenar la aparición de un
mensajero secundario específico. Estos mensajeros secundarios, incluyen el AMP cíclico,
la guanosina monofosfato cíclica (GMPc), el 1,2-diacilglicerol, el inositol-1,4,5-trifosfato,
el ácido jasmónico y los iones de calcio. De estos, el ácido jasmónico, el inositol fosfato, el
diacilglicerol y los iones de calcio, actúan como mensajeros secundarios durante la
respuesta hormonal de las plantas.
Aunque casi todos los organismos desde las bacterias hasta los humanos usan el AMPc
como mensajero secundario, las angiospermas pueden ser una excepción. No existe
evidencia contundente de que el AMPc tenga un papel importante en la regulación vegetal.
24
En contraste, existen fuertes evidencias de que el 1,2-diacilglicerol, el inositol-1,4,5trifosfato, el ácido jasmónico y los iones de calcio, son parte, tanto de la ruta de las señales
de transducción para las hormonas como de la ruta de transducción para los factores
ambientales como la luz, la gravedad y el tacto.
Brassinosteroides (BRs)
Los brassinosteroides son un grupo de poli-hidroxiesteroides de ocurrencia natural en las
plantas, en las cuales están ampliamente distribuídos y son esenciales para su desarrollo
(crecimiento y diferenciación). El brassinólido, que fue aislado originalmente del polen del
nabo campestre o colza Brassica napus, fue el primer BR en ser caracterizado luego de que
se estableció que un extracto crudo de tal polen, induce el alargamiento de los entrenudos
del fríjol pinto Phaseolus vulgaris en forma diferente al alargamiento del tallo mediado por
el GA. Este trabajo condujo al aislamiento y caracterización en 1979 del brassinólido,
primer regulador vegetal de tipo esteroide, y desde entonces han sido caracterizados más
de 60 BRs. Los BRs han sido identificados en muchas plantas que incluyen dicotiledóneas,
monocotiledóneas, gimnospermas, algas verdes y helechos, y han sido aislados de semillas,
frutos, brotes, hojas, flores, yemas y agallas provocadas por insectos, en niveles entre 0.5 y
30 ng (g peso fresco)-1. En el polen, los niveles son relativamente altos [5 a 190 ng (g peso
fresco)-1]. Sin embargo, los BRs no han sido detectados en micro-organismos. El
brassinólido C28-BR, es el BR que provoca la mayor actividad de todos los BRs, y se
distribuye ampliamente en todo el reino vegetal, conjuntamente con varios compuestos
relacionados biosintéticamente.
Los BRs exógenos ocasionan alargamiento y división celular en segmentos escindidos de
plántulas, a concentraciones del orden del pM. Además de las actividades promotoras del
crecimiento, se ha encontrado que los BRs exógenos inhiben el crecimiento de la raíz,
incrementan el gravito-tropismo, retardan la abscisión foliar, incrementan la resistencia al
estrés, promueven la diferenciación del xilema, incrementan la tasa de alargamiento del
tallo y del crecimiento del tubo polínico, el desenrrollamiento de las hojas de los pastos, la
activación de la bomba de protones, la reorientación de las microfibrillas de celulosa, la
generación del leño y el incremento en la producción de etileno.
25
Figura XXX. Estructura química de dos brassinosteroides
De los brassinosteroides más conocidos, los más abundantes son el brassinólido y sus
precursores biosintéticos relacionados (campesterol y campestanol y campesteranol).
La habilidad de muchos compuestos de ocurrencia natural como los BRs para modular
fuertemente el crecimiento vegetal en bioensayos o en estudios con plantas completas,
sugiere que ellos pueden funcionar como hormonas vegetales endógenas. Las evidencias
inequívocas de que los BRs son esenciales para el desarrollo vegetal (crecimiento y
diferenciación), se han obtenido con el trabajo en mutantes enanos de alverja, Pisum
sativumArabidopsis, tomate Lycopersicon esculentum y repollo Brassica oleracea
insensibles a los BRs.
Se ha demostrado quealgunos análogos sintéticos del brassinosteroide natural 24(S)-etilbrassinona, inhiben la multiplicación de los arenavirus Tacaribe y Junín (VJ) y del virus
herpes simplex tipo 1 (HSV-1) en células animales.
26
Poliaminas
Las poliaminas como la putrescina, la espermidina y la espermina, son compuestos
nitrogenados alifáticos que actualmente se consideran como reguladores del desarrollo de
las plantas por su efecto sobre el crecimiento, la división y la diferenciación celular a bajas
concentraciones. Debido a su carácter poli-catiónico, pueden unirse a moléculas cargadas
negativamente como ácidos nucleicos, proteínas ácidasy fosfolípidos, alterando la
expresión génica y la actividad de ciertas enzimas, así como afectando la fluidez y la
permeabilidad de las membranas biológicas. En algunos casos, las poliaminas actúan como
reserva de nitrógeno, constituyendo su única fuente. Su biosíntesis está muy relacionada
con la del etileno, ya que la S-adenosilmetionina, es el intermediario común de ambas rutas
metabólicas. Las poliaminas pueden conjugarse con ácidos hidroxicinámicos y desempeñar
funciones, todavía poco claras, en los procesos de diferenciación, floración y maduración;
por otra parte,en ciertas plantas, tienen efecto sobre la resistencia a virus y hongos. La
pared celular es uno de los compartimentos celulares más importantes en relación con el
metabolismo degradativo de las poliaminas, y es destacable el aumento de la conjugación
de poliaminas en la pared celular durante el envejecimiento celular. Las poliaminas también
son importantes como precursoras de numerosos alcaloides. Se las encuentra en todos los
organismos, y se han estudiadoen animales y bacterias por más de medio siglo. Sin
embargo, su significado para los vegetales sólo ha sido reconocido hasta recientemente. Sus
concentracionesse correlacionan con la frecuencia en la división celular, y las poliaminas
estimulan muchas reacciones que tienen que ver con la síntesis de ADN, ARN y proteínas.
Las poliaminas son esenciales para el desarrollo, tanto de las células procarióticas como de
las eucarióticas. En las plantas, las poliaminas inducen diversas respuestas fisiológicas
entre las cuales se pueden citar la división celular, la formación de tubérculos, la iniciación
de la raíz, la embriogénesis, el desarrollo floral y la maduración de los frutos. En las
plantas, las poliaminas son mucho más abundantes que las hormonas como las GAs y las
citocininas, requiriéndose cantidades de poliaminas del orden del mM para inducir la
respuesta biológica. Además, la naturaleza policatiónica de las poliaminas parece que limita
su translocación. Cuando la planta está en equilibrio, las poliaminas no parecen tener un
verdadero papel hormonal, aunque en desequilibrio, como sucede en los animales, parece
27
que ellas participan directa o indirectamente en varias rutas metabólicas esenciales para un
funcionamiento eficiente a nivel celular.
Las poliaminas encontradas con mayor frecuencia en las plantas y otros organismos, son la
putrescina, la espermidina y la espermina. Aunque la cadaverina (1,5-diamino pentano) se
encuentra presente en mucha menor cantidad que la diamina putrescina, ella es
una
constituyente común de las leguminosas. Las poliaminas vegetales ocurren sea como
aminoácidos libres, o sea como amidas conjugadas de los ácidos hidroxi-cinnámicos, tales
como el ácido p-cumárico, el ácido ferúlico, y el ácido caféico. Estos conjugados no
solamente representan una porción significativa del conjunto total de poliaminas, sino
también juegan papeles importantes en el desarrollo de las flores, las semillas y los frutos, y
en la respuesta hipersensible a las infecciones microbiales.
Figura XXX. Estructura de la putrescina
Figura XXX. Estructura de la espermidina
Ácido salicílico (SA)
Figura XXX. Estructura del SA
28
El ácido salicílico (SA), es mejor conocido por sus propiedades medicinales que por su
papel regulador en las plantas. Aunque se han registrado muchos efectos de su aplicación,
sólo pocos de ellos, han mostrado ser de importancia fisiológica para las plantas, como es el
caso del papel regulador de la termogénesis en el espádice de las AraceaecomoSauromatum
guttatum, en la cual se demostró que la termogenicidad causante de que en algunas horas
del día el espádice de la inflorescencia incremente su temperatura hasta en más de 12 °C
por encima de la temperatura ambiental, es debida al efecto de una sustancia “calorígena”,
(identificada actualmente con el SA), y está relacionado con la respuesta de las plantas a los
patógenos.
En efecto, cada día, es mayor el interés acerca de la relación entre el SA y la respuesta
hipersensible de las plantas, mecanismo de resistencia a las enfermedades mediante el cual,
ellas restringen la dispersión de patógenos fungosos, bacteriales o virales, por medio de la
producción de lesiones necróticas alrededor del punto de penetración inicial. Esta muerte
celular localizada, se asocia con frecuencia con cambios en partes distantes y saludables de
las plantas, que incrementan la resistencia a las infecciones secundarias producidas por un
amplio rango de patógenos.
Figura XXX. Inflorescencia y espádice de Sauromatum guttatum.
Cuando se agrega una tableta de aspirina a un vaso de agua, ella se disuelve fácilmente, y
el ácido acetilsalicílico se convierte en SA. Si se agrega esta solución a un florero con
flores cortadas, se retarda la senescencia de los pétalos, y las flores duran más tiempo, lo
cual, probablemente, es la consecuencia de la reducción de la tasa de biosíntesis del etileno,
29
de acuerdo con los registros del bloqueo de la conversión del ACC a etileno. El SA,
también induce la floración de las lentejas de agua Lemna minor, Spirodela polyrrhiza y
Wolffia microscópica, cuando estas plantas que son de día largo, crecen bajo fotoperíodos
cortos no inductores de floración. Sin embargo, este efecto no es específico, ya que también
algunos compuestos fenólicos relacionados, también pueden estimular la floración en estas
y otras especies. Además, como las concentraciones de SA son similares en los tejidos
vegetativos e inducidos, el compuesto, no puede ser considerado verdaderamente como una
señal endógena inductora de floración.
Calcio2+
La concentración de los iones de calcio, puede tener un efecto poderoso sobre el
comportamiento celular. Tanto en las plantas como en los animales, los niveles de Ca2+ en
el citosol son bajos (<1.0 M). El fluído extracelular y algunos compartimientos
intracelulares ligados a la membrana, a menudo poseen niveles comparativamente altos de
Ca2+ (del orden del mM). Bajo estas condiciones, los Ca2+ pueden tender a atravesar la
membrana celular y difundirse en el citoplasma. Sin embargo, el escalonamiento del
gradiente de concentración a través de la membrana, se mantiene mediante la acción de la
bomba de ATPasa-Ca2+.
En las plantas, muchas hormonas, estimulan el incremento en los niveles de Ca2+, que a su
vez, desencadenan una variedad de respuestas celulares. Los niveles de Ca2+ en el citosol
son transitorios, pues son bombeados rápidamente fuera de la célula por medio de los
acumuladores de Ca. Por ejemplo, la giberelina estimula la síntesis y secreción de amilasa por las células de aleurona de la cebada ante la presencia niveles de Ca2+ externo,
del orden del mM. La acción de la giberelina desencadena, tanto la transcripción de los
genes que codifican la -amilasa como la síntesis y secreción de la enzima. Esta respuesta,
es precedida por un incremento de tres veces la concentración de Ca2+ inducido por la
giberelina. El ABA, bloquea la síntesis de -amilasa inducida por la giberelina, en la
misma forma como lo hace el incremento en la concentración de Ca2+ que la precede. La
membrana plasmática de la aleurona contiene un receptor para la giberelina, esto implica
que el incremento en el contenido de Ca2+ en el citosol es inducido por la unión de la
30
hormona a tal receptor, aunque no se sabe cómo este incremento en la concentración del
Ca2+ inducido por la giberelina, desencadena la expresión de los genes de la -amilasa.
Una de las respuestas más comunes a los niveles elevados de Ca2+ es la fosforilación de
otras proteínas celulares mediante las proteína kinasas. La actividad de muchas enzimas, es
regulada por la fosforilación de la serina, de la tirosina o de los residuos de treonina. La
habilidad de algunos factores de transcripción para ligarse a los elementos reguladores en
los promotores genéticos, es determinada por su estado de fosforilación.
La importancia de la respuesta al toque, sólo ha sido comprendida recientemente. Algunos
órganos vegetales especializados, tales como los tendrilos de los viñedos, los pulvínulos
motores de la Mimosa pudica y las hojas de algunas plantas insectívoras, son sensibles al
toque y responden rápidamente cuando son estimuladas. Estas no son respuestas del
crecimiento sino más bien, son cambios rápidos en la presión de turgencia. Se ha
demostrado recientemente en Arabidopsis,que el hecho de tocar las plantas, ocasiona una
disminución en la tasa de crecimiento e induce un incremento transitorio de la calmodulina,
la cual, frecuentemente, está ligada a los procesos reguladores en los que participa el Ca2+.
Requerimientos de calmodulina para muchas respuestas inducidas por el Ca2+
Todos los eucariotes, incluyendo las plantas superiores, contienen una proteína pequeña
ligada al calcio, conocida como calmodulina, la cual está constituída por 148 aminoácidos
que tienen 4 sitios de unión para el calcio, dos en el dominio del C-terminal y dos en el
dominio del N-terminal. Después de que los Ca2+ se unen a la calmodulina, es posible la
activación de otras proteínas celulares. El complejo Ca-calmodulina no tiene actividad
enzimática por sí mismo, aunque actúa como una subunidad reguladora para otro complejo
enzimático como en el caso del de las proteinas kinasas dependientes del complejo Cacalmodulina (Ca-kinasas). Estas proteína-kinasas son inactivas a menos que tengan ligados
complejos Ca-calmodulina, y deben ser activadas por la unión Ca-calmodulina antes de que
sean capaces de añadir grupos fosfato a la serina y/o los grupos hidroxilo de la treonina de
las otras proteínas.
31
Los inositol fosfatos y el 1,2-diacilglicerol como segundos mensajeros importantes
La unión de una hormona a su receptor, frecuentemente induce la ruptura del fosfatidilinositol (PI), uno de los fosfolípidos menos comunes de la cara citoplasmática de la
membrana celular. En dicho sector, ocurren tres diferentes fosfatidil-inosítidos que difieren
en su grado de fosforilación. La hidrólisis de uno de estos, el fosfatidil inositol 4,5-bifosfato
(PIP2), mediante la fosfolipasa C, genera dos productos: El 1,2-diacilglicerol (soluble en
lípidos, que permanece en la membrana) y el inositol 1,4,5-trifosfato (InsP3) (soluble en
agua), que se difunde rápidamente a través del citosol. Ambos compuestos, son mensajeros
secundarios importantes. El InsP3, induce un incremento transitorio del contenido de calcio
en el citosol, mediante la apertura de los canales de calcio en la membrana plasmática o en
un compartimiento donde se secuestra el calcio. El diacil-glicerol, activa el requerimiento
específico de calcio de una proteína kinasa conocida como proteína kinasa C.
Papel clave de las proteínas G asociadas a la membrana, en las rutas de transducción de
señales
Las proteínas G son componentes de muchas subunidades, una de las cuales se liga
estrechamente al GTP. Otra subunidad de proteína G, puede interactuar con el dominio
citoplásmico de un receptor de hormonas específico, pero sólo cuando se ha unido a la
hormona. La unión de la proteína G al receptor, activa la proteína G para que pueda a su
turno, activar la fosfolipasa C.
Oligosacarinos
Los oligosacarinos son carbohidratos complejos que funcionan en las plantas como señales
moleculares que, a bajas concentraciones, regulan su desarrollo (crecimiento y
diferenciación) y su supervivencia en el ambiente. Los estudios acerca de la interacción
planta-microorganismo, han producido las primeras evidencias de que los oligosacarinos
funcionan como señales biológicas. Gran parte de estos estudios, se ha enfocado en la
síntesis y acumulación de fito-alexinas antimicrobianas como respuesta a los ataques de
microbios. La síntesis y acumulación de fito-alexinas se observan no sólo luego de la
32
infección microbiana, sino también luego del tratamiento del tejido vegetal con extractos de
origen microbiano libres de células. A los componentes activos de estos extractos, se los
denomina comúnmente “elicitores”. El término “elicitor”, se utilizó originalmente para
referirse a moléculas y otros estímulos que inducen la síntesis y acumulación de
fitoalexinas en las células vegetales, pero ahora se utiliza para
denominar cualquier
molécula que estimule cualquier mecanismo de defensa vegetal.
FiguraXXX . Ejemplos de oligosacarinos
Se ha encontrado que los mecanismos de defensa vegetal, tienen cierto grado de
especificidad, y son inducidos por la presencia de los oligosacarinos, que son fracciones
de glucano provenientes de la pared celular y pueden estar compuestos de, entre siete y
veinte monosacáridos. Cuando hay ataque de hongos o bacterias, la planta genera enzimas
que degradan la pared celular de una forma muy específica, para liberar determinados
oligosacarinos que inducen el sistema de protección, el cual produce las fitoalexinas que
ocasionan la muerte de las células circunvecinas al sitio de la infección, y así logran
bloquear el desarrollo del patógeno. También se ha comprobado que la producción de
antibióticos por parte de la planta es mediada por la producción de otros oligosacarinos
específicos. En el mismo estudio, se observó que la adición exógena de fracciones diversas
de oligosacarinos, puede desencadenar este sistema de reacciones. Igualmente se ha
33
demostrado que hay cierta afinidad entre tipos de plantas que, al adicionarles mezclas de
oligosacarinos o extractos de unas sobre otras, producen efectos de reacción del sistema de
protección.
Los oligosacarinos, son fragmentos de la pared celular liberados por medios enzimáticos
(diferentes enzimas liberan diferentes oligosacarinos). Existen indicaciones de que las
hormonas vegetales pleiotrópicas como las auxinas y las giberelinas, pueden funcionar
activando las enzimas que liberan otros mensajeros químicos más específicos a partir de la
pared celular. Durante la producción de fitoalexinas, se ha comprobado que cuando está
presente un oligosacarino específico que proviene de la pared celular de Erwinia
carotovora, en conjunto con un oligogalacturónido de la pared celular de la planta atacada,
ocasiona un efecto sinérgico sobre el desencadenamiento del sistema de protección de la
planta. Por estas razones se, puede considerar que los oligosacarinos presentes en los
extractos fermentados, actúan sinérgicamente con otros oligosacarinos producidos por la
acción de las poliaminas y del ácido giberélico contenidos en la mezcla de extractos
vegetales. Estos fitorreguladores, pueden activar la síntesis de enzimas que degradan la
pared celular de las arvenses afectadas, liberando oligosacarinos que, conjuntamente con
los oligosacarinos del extracto de plantas, producen un efecto sinérgico sobre el
desencadenamiento del sistema de protección de la arvense que, directamente, o con una
producción adicional de otros oligosacarinos, activan la producción de fitoalexinas
autotóxicas.
Algunos oligosacarinos, tales como los oligogalacturónidos, actúan como elicitores y
evocan las respuestas vegetales de defensa ante los patógenos. Estas respuestas de defensa
incluyen la cumulación de fitoalexinas, de inhibidores de proteínasa, de lignina, peroxidasa,
lipo-oxigenasa (LOX), y ᵦ-1,3 glucanasas.
Compendio acerca del equipo hormonal
La regulación del crecimiento y las respuestas de los vegetales a los estímulos ambientales
es mediada por un equipo de hormonas endógenas que incluye a las giberelinas, el ácido
abscísico las citocininas, la auxina interna ácido 3-indolacético, el etileno, los
34
brassinosteroides, las poliaminas, los jasmonatos, el ácido salicílico y los oligosacarinos. La
mayoría de estos compuestos, ocurren en los tejidos vegetales, a bajas concentraciones [(ng
(g peso fresco)-1], y los tamaños de sus reservas, son controladas fuertemente por varias
rutas biosintéticas, catabólicas y de conjugación.
Las Gas, promueven la germinación de las semillas, el alargamiento del tallo,la floración y
la producción de conos en las coníferas, y retardan la senescencia de hojas y frutos.
También inducen la síntesis de nuovo de numerosas enzimas, incluyendo la α-amilasa en la
capa de aleurona de la cebada. El compuesto ABA, de 15 carbonos, se asocia con la
tolerancia a la desecación, la supresión del viviparismo, y el cierre estomático inducido por
el estrés hídrico. En la misma forma que sucede con los GAs, el ABA es un producto de la
ruta de los terpenoides. Las citocininas, en conjunción con las auxinas, promueven la
división celular, y determinan su diferenciación. También se asocian con la senescencia de
los órganos vegetales, con la dominancia apical, y con la apertura estomática. El AIA,
afecta la dominancia apical, los tropismos, el alargamiento de los brotes, la inducción de la
división celular en los cambiums, y la iniciación de la raíz. Es sintetizado a partir del Ltriptófano, el AIA, puede ser liberado luego de la hidrólisis de los glucosil conjugados del
AIA. El etileno ocasiona el crecimiento anormal de las plántulas etioladas, y tiene impacto
sobre el crecimiento del brote y de la raíz, la senescencia y el desarrollo de las flores, la
abcisión de las flores y la maduración de los frutos. Los BRs, son factores esenciales para
el alargamiento de las células y tallos, para el desenrrollamiento de las hojas de los pastos,
para el curvamiento de las yaguas de las hojas de las gramíneas alrededor del tallo, para la
xilogénesis, y para la producción de etileno. El brassinólido, es el BR más ubicuo y
biológicamente activo, y es sintetizado a partir del campesterol. Las poliaminas, estimulan
muchas reacciones relacionadas con la síntesis de los ácidos nucleicos y las proteínas. Las
diversas respuestas fisiológicas inducidas por las poliaminas, incluyen la división celular, la
formación de raíces tuberosas y tubérculos, la iniciación de la raíz, la embriogénesis, el
desarrollo floral y la maduración de los frutos. La putrescina, la espermidina y la
espermina, son sintetizadas a partir de la arginina y la ornitina. Las poliaminas ocurren
como aminas libres o como amidas conjugadas de hidroxi-cinnamatos como el ácido pcumárico, el ácido ferrúlico, y el ácido caféico.
35
Respuesta del desarrollo vegetal a la percepción y transducción de señales generadas por
los estímulos ambientales
Las células vegetales, reciben constantemente el bombardeo de información proveniente
del ambiente, señales a las cuales ellas reaccionan en diferente grado y forma. La
transducción, es la forma mediante la cual, las células vegetales y animales construyen las
respuestas a tales señales.También se la puede definir como el conjunto de procesos o
etapas que ocurren de forma concatenada para que una célula animal o vegetal, convierta
una determinada señal o estímulo exterior, en otra señal o respuesta específica.
La transducción de sñales es un campo de investigación muy activo de la biología vegetal.
Las señales, que incluyen un amplio arreglo de estímulos internos y externos, son
comunicadas y amplificadas por unas complejas redes de transducción, que en su mayoría,
se inician con la activación de proteínas receptoras. Los receptores y sistemas bacteriales de
transducción sirven como modelos de los receptores vegetales que incluyen a las proteínas
que perciben el etileno, y al fitocromo. Entre las múltiples rutas de transducción de señales
que han sido identificadas, están otros componentes comunes a muchas redes de
transducción en los animales, tales como las GTP-asas y los derivados de los fosfolípidos.
Las investigaciones acerca del papel de las GTP-asas en la transducción de señales en las
plantas, aún se encuentran en una etapa inicial, pero ya se ha establecido una fuerte relación
entre las GTP-asas y la señalización con fosfolípidos. Las fosfolipasas A, C y D, influyen
sobre muchos aspectos del desarrollo y la señalización de las plantas. También, parece que
los nucleótidos cíclicos actúan como segundos mensajeros en las células vegetales, y muy
verosímilmente, la mayoría actúa con otro segundo mensajero, el calcio citosólico. Los
canales, y otros transportadores de calcio, forman la base una compleja red de señalización
en las plantas. Las proteína kinasas, son los componentes intérpretes de transducción de
señales más comunes en las células vegetales. Varias clases de proteína kinasas actúan
concertadamente con las proteína fosfatasas para mediar en la señalización de las células
vegetales y el control del metabolismo. Las hormonas vegetales, son elementos importantes
para el control del desarrollo (crecimiento y diferenciación) de las plantas, y en este
momento se realizan importantes progresos en la comprensión del mecanismo mediante el
cual la célula vegetal transduce estas señales.
36
Figura XXX. Patrón general de la transducción de señales en las células
Durante su ciclo de vida, tanto la planta completa, como las células vegetales individuales,
responden continuamente a señales que utilizan para modificar su fisiología, morfología y
desarrollo. Entre los estímulos tanto externos como internos que portan información a las
plantas, están la luz, los nutrimentos minerales, los metabolitos orgánicos, la gravedad, el
balance hídrico, la turgencia, la calidad del suelo, las tensiones mecánicas, el viento, el
calor, el frío, las heladas, los reguladores del crecimiento y las hormonas, el pH, los gases
(CO2, O2, C2H4), las heridas, las enfermedades, y el flujo eléctrico. Estas señales, pueden
variar continuamente en cantidad y calidad. Algunas señales son transportadas por el
sistema circulatorio de las plantas (xilema y floema), el cual puede lograr flujos muy
grandes y rápidos.
Las respuestas vegetales a los estímulos son moduladas por el estado de desarrollo, las
experiencias ambientales previas, y los relojes internos que especifican la época, año y hora
del día en que deben procirse. En las células vegetales maduras, las respuestas pueden ser
fisiológicas o bioquímicas. En las células en crecimiento, pueden ser morfológicas o de
37
desarrollo. La integración de varias formas de información provista por las señales, es
crucial para la determinación de la respuesta final. En las semillas, por ejemplo, la decisión
de germinar puede ser irreversible y si se recibe en una época inapropiada, puede ser fatal.
La capacidad de las semillas para reaccionar exitosamente ante muchas variables físicas,
químicas y temporales, es el resultado de la presencia de un
sistema complejo de
reconocimiento y transducción de señales en las células vivientes de todas las plantas.La
transducción de señales, utiliza una compleja red de interacciones dentro de las células,
entre las células y en la totalidad de la planta.
Entre los principales elementos de las rutas de transducción de señales de las células
vegetales, se encuentran el Ca2+ intracelular ([Ca2+]i) y las proteína kinasas, que son
enzimas que fosforilan y alteran, en consecuencia, la actividad de las proteínas “objetivo”.
El término “segundo mensajero”, se utiliza para describir una molécula fácilmente
difundible, relacionada con el transporte de información desde una fuente extracelular hasta
las principales enzimas objetivo dentro de la célula. En las plantas, la [Ca2+]i, transduce
muchas señales comportándose como un importantísimo segundo mensajero. En
consecuencia, la [Ca2+]i debe ser mantenida en el citoplasma a valores de muchos órdenes
de magnitud menores que los de la pared celular. Durante la señalización, se producen
incrementos transitorios en la [Ca2+]i, que con frecuencia se asocian con la iniciación de las
respuestas. Las numerosas rutas de transducción en las cuales actúa la [Ca2+]i, involucran
cientos de proteínas diferentes, así como a otros segundos mensajeros en el citoplasma, y en
la membrana plasmática. Las proteína kinasas, exhiben una ubicuidad similar, y los genes
que codifican para estas enzimas, representan un estimativo de, entre el 3% y el 4% de la
totalidad del genoma vegetal. En cualquier instante, las células pueden estar utilizando
cientos de diferentes proteína kinasas. Tomadas en conjunto, las rutas de señalización que
utilizan las proteína kinasas y la [Ca2+]i, constituyen una red de gran complejidad.
Los cambios en la [Ca2+]i, pueden iniciar diversas respuestas que varían de acuerdo con la
estructura celular, y son sensibles a la interacción entre diversos componentes específicos
del sistema de señalización. Por ejemplo, los incrementos en la [Ca2+]i, pueden iniciar el
cierre de la apertura estomática en las células guardas, la reorientación del crecimiento de
los tubos polínicos, o el engrosamiento de las paredes celulares de plántulas de tabaco, en
respuesta a la acción del viento. Similarmente, una proteína kinasa individual, puede tener
38
muchas proteínas “objetivo”, pero los objetivos defieren entre tipos diferentes de células y
estados de desarrollo.
Muchas señales, actúan sinérgica y cooperativamente cada una de las otras para producir la
respuesta final. La combinación de señales que inducen trespuestas tan complejas,
involucran la luz roja y azul, la gravedad y la luz, los fito-reguladores, y los nutrientes
minerales.
Los sistemas de información genético y epigenético de las células vegetales
Desde la época de Mendel, el sistema de información que fluye en las células vegetales:
ADN
ARN
proteína
fenotipo
Ha sido, el foco primario de investigación. Sin embargo, esta secuencia aparentemente
causal, implica una cierta rigidez y simplicidad en los resultados. Algunos de los genes
estudiados por Mendel, tales como los que especifican el color de las flores o la morfología
de las semillas, son de expresión invariante bajo diferentes condiciones de desarrollo. Los
genetistas se han concentrado en la expresión de tales genes, porque el análisis de su
herencia es relativamente simple.
Por otro lado, muchas importantes características fenotípicas, son fuertemente modificadas
por el ambiente en el que crece la planta. Entre estas características, se incluyen la
producción de biomasa, la duración del crecimiento, la ramificación, la partición de fotoasimilados entre estructuras vegetativas y reproductivas, y las respuestas al estrés. En estos
casos, el carácter fenotípico, se construye a partir de genes epistáticos, cuyo producto altera
la expresión de otros genes heredados independientemente, y de genes pleiotrópicos que
influyen sobre múltiples rasgos. Estas características epigenéticas, resultan de una compleja
red de productos génicos interactuantes, enmarañados con múltiples circuitos de
transducción de señales. Los fenotipos asociados con tales genes, pueden ser estudiados
sólo en condiciones rígidamente controladas, debido a que sus caracteres varían con las
condiciones ambientales de la planta.
39
Figura XXX. Señales que modifican el metabolismo y el desarrollo celular vegetales
Figura XXX. Dos de las principales señales en las rutas de transducción de las células
vegetales.
40
La recepción de las señales
Las diferentes señales, afectan las redes de transducción en diferentes formas y lugares,
pero la mayoría de ellas, modifican la expresión genética. Las señales ilustradas en las
figuras XXX y XXX, impactan a la célula en diferentes sitios, y son percibidas por
diferentes receptores. Sin embargo, las reacciones desencadenadas pueden confluir en lo
que se han llamado “puntos nodales”, que son proteínas o enzimas involucradas en
múltiples secuencias de transducción. Algunas respuestas como la caída de los folíolos
inducida por el toque en Mimosa púdica, ocurren en fracciones de segundo. Otras como el
desplazamiento de la expresión genética que acompaña a los cambios en la morfología y el
desarrollo inducidos por el toque, pueden tomar días. Tanto las respuestas de corto como de
largo término, se han visualizado históricamente como enteramente separadas, pero
actualmente se sabe que esta noción es incorrecta, ya que tanto las respuestas rápidas como
las lentas, utilizan la misma maquinaria básica de transducción de señales, y las dos son el
resultado de un estímulo percibido. La mayoría de las señales, parecen inducir una
expresión genética alterada.
Los receptores
Para iniciar la transducción, las señales deben ser percibidas inicialmente por un receptor
proteínico o mediante cambios en el potencial de la membrana.
El término “receptor”, designa a las proteínas involucradas en la interacción de
determinadas sustancias con los mecanismos del metabolismocelular. Los receptores son
proteínas o glicoproteínas ubicadas en la membrana plasmática, en las membranas de los
organelos o en el citosol celular, a las que se unen específicamente, otras sustancias
químicas llamadas moléculas señalizadoras, como las hormonas vegetales y los
neurotransmisores en los animales.
La unión de una molécula señalizadora a su receptor o receptores específicos, desencadena
una serie de reacciones en el interior de las células, proceso denominado “Transducción de
señales ”, cuyo resultado final depende no sólo del estímulo recibido, sino de muchos otros
factores, como el estadio celular, la presencia de patógenos, el estado metabólico de la
célula, etc.
41
La mayoría de los receptores conocidos, se encuentran en la membrana plasmática, aunque
algunos de ellos se localizan en el citosol u otros compartimientos celulares. En los
animales, se han descrito al menos tres tipos de receptores en la superficie celular. Sin
embargo, no se sabe si los tres tipos también se encuentran en las células vegetales.
La mayor parte de los receptores identificados, son de naturaleza proteínica, aunque los
receptores para algunos estímulos, no son fácilmente identificables, por ejemplo, los
relacionados con el rompimiento de la dormancia de algunas yemas o de semillas
embebidas en alcohol etílico, éter, azida o cianuro. Cualquiera de estos químicos, puede
ocupar los receptores celulares establecidos, o más verosímilmente, muchos de ellos
modifican el potencial de membrana, el voltaje que atraviesa la membrana plasmática.
El potencial de membrana, puede actuar como un receptor, ya que la membrana plasmática
utiliza bombas y poros proteínicos llamados canales, para controlar el flujo de iones hacia
dentro o fuera de la célula. La selección discriminatoria contra ciertos iones genera una
diferencia de potencial de -80 a -200 mV. Las modificaciones del potencial de membrana,
abren un grupo de canales controlados por el voltaje que permiten la entrada de Ca2+ y la
activación de la secuencia de transducción. El ingreso de Ca2+, puede ocasionar a su vez, la
apertura de muchos canales de potasio y cloruro, lo cual produce cambios muy rápidos en
la turgencia, tal como ocurre en los pulvínulos motores de Mimosa pudica. Se conocen
numerosas señales que modifican el potencial de membrana, entre las que se incluyen la luz
roja y azul, los inductores de origen fungoso, y muchos reguladores del crecimiento
vegetal.
Muchos receptores comparten atributos estructurales y actividades catalíticas similares, y
han sido determinadas sus secuencias en muchos casos, aunque con frecuencia la
conservación de las secuencias entre receptores de diferentes organismos que ligan el
mismo ligando es poca. En algunos receptores trans-membranares proteínicos, la región del
C-terminal, es fosforilada por las proteína kinasas, entre las cuales se distinguen dos
familias, de acuerdo con los aminoácidos fosforilados en las proteínas sustrato, aunque las
proteína kinasas que fosforilan exclusivamente los residuos de tirosina, son raras en las
células vegetales.
42
Otra clase de receptores son las llamadas proteína kinasas similares a receptores (PKSR),
las cuales constan de un gran dominio extracelular, y un dominio citoplásmico que contiene
el sitio activo de la proteína kinasa. Se han identificado numerosas PKSR en las células
vegetales, específicamente en los tejidos reproductivos masculinos, donde se encuentran
involucradas en las reacciones de incompatibilidad que impiden la fertilización.
Otros receptores, se ubican en las membranas intracelulares y pueden actuar como canales
de Ca2+. Los receptores mejor conocidos de esta clase ligan el segundo mensajero inositol
1,4-trifosfato (IP3). Recientemente se han encontrado los canales para otro segundo
mensajero, la ADP-ribosa cíclica. Estas dos moléculas señal son sintetizadas
enzimáticamente en la membrana plasmática, y luego se translocan a la vacuola y el
retículo endoplásmico donde se localizan sus receptores. La ocupación del receptor produce
la apertura de los canales de Ca2+ y al ingreso de Ca2+ proveniente de la vacuola y el
retículo endoplásmico al citoplasma. Cada uno de tales organitos, contiene Ca2+ en muchos
órdenes de magnitud mayores que las concentraciones citosólicas.
Las numerosas señales a las cuales responden las plantas específicamente, deben interactuar
con receptores específicos que las acoplan a las rutas de transducción, pero la mayoría de
tales receptores no han sido identificados todavía. Por ejemplo, las células vegetales pueden
percibir claramente su estado hídrico y responden en variadas formas, entre las cuales se
pueden citar el ajuste osmótico mediante la acumulación de solutos compatibles tales como
la prolina o la glicina-betaína, mediante la acumulación de ABA, y mediante cambios en la
expresión genética, el desarrollo y la morfología. Las bacterias perciben su estado osmótico
mediante un receptor proteínico cuya conformación está determinada por la cantidad de
agua ligada, y la activación de este receptor, conduce a cambios en la expresión genética.
No todos los tejidos o tipos de células pueden responder a todas las señales. Por ejemplo,
los tejidos de los frutos se vuelven sensibles al etileno en cierta etapa de la maduración,
mientras que las células guardas de los estomas, son totalmente insensibles a las altas
concentraciones de la hormona gaseosa. Las diferentes respuestas producidas por
diferentes tejidos a la misma señal, pueden ser explicadas en parte por las familias de
receptores. La auxina, por ejemplo, puede inducir a las células del periciclo para que
formen raíces laterales o adventicias, pero en las células del coleoptilo, ella promueve su
43
alargamiento. Probablemente, se encuentren involucrados diferentes receptores en cada
respuesta.
Ejemplos específicos de receptores vegetales
El etileno, regula la maduración, el alargamiento, la germinación la senescencia y las
respuestas vegetales ante los patógenos. Se han clonado varios receptores del gas mediante
el aislamiento de mutantes insensibles al él, y luego, se utilizaron técnicas moleculares para
identificar el gene mutante. El primer receptor en ser clonado, fue la proteína de
Arabidopsis codificada por el gene ETR1. Esta proteína ocurre en forma dimérica en la
membrana plasmática, y el etileno se une a los dos monómeros para posibilitar
conjuntamente la fosforilación intermolecular.
El ácido indol-acético, (AIA) o auxina, es un regulador del crecimiento con una amplia
variedad de funciones en la división y expansión celulares. Las auxinas han sido estudiadas
intensivamente durante más de medio siglo, pero no se han observado receptores para
señales auxínicas. Por medio de técnicas farmacológicas convencionales, se ha descubierto
y caracterizado una proteína que liga la auxina (ABP1), cuya función de receptor ha sido
establecida recientemente.
El fitocromo
El fitocromo, es un pigmento foto-receptor que utilizan las plantas para detectar la luz. Es
sensible a la luz en la región roja y roja lejana del espectro visible. Muchas fanerógamas lo
utilizan para regular la época de floración con base en la longitud del día y la noche (fotoperiodismo), y para inducir los ritmos circadianos. También regulan otras respuestas como
la germinación de las semillas, el alargamiento de las plántulas, el tamaño forma y número
de las hojas, la síntesis de clorofila y el enderazamiento del gancho del epicotilo e
hipocotilo de las plántulas de las dicotiledóneas. Bioquímicamente, el fitocromo es una
proteína con un cromóforo de bilina. El fitocromo ha sido encontrado en la mayoría de las
plantas, incluyendo a las plantas superiores. En las bacterias se encuentran moléculas muy
similares.
44
Entre los otros receptores vegetales, se encuentran los criptocromos y las fototropinas, los
cuales son sensibles a la luz de las regiones azul y ultra-violeta del espectro
electromagnético.
El fitocromo, ha sido claramente identificado en las cianobacterias como un receptor para la
luz roja, y en ellas exhibe actividad de proteína kinasa. La luz roja, controla la expansión
foliar, las reacciones evasivas al sombreamiento, la germinación, y las respuestas al
fotoperíodo. Una característica especial de muchos efectos inducidos por la luz roja, es su
reversibilidad cuando un destello inductivo de luz roja de 660 nm, es seguido
inmediatamente por un destello de luz roja lejana de 730 nm. Esta característica, fue
utilizada en 1975para identificar y purificar, el fitocromo, receptor de la luz roja (PR), uno
de los logros más importantes de las ciencias vegetales durante el siglo XX. El receptor
proteínico purificado sufre cambios estructurales reversibles in vitro, cuando se expone a
luz roja o roja lejana (Figura XXX).
Figura XXX. Interconversión de las formas del fitocromo PR y PFR
45
Los fitocromos, forman una familia de proteínas de 120 kDa. La mitad foto-reactiva de
estas proteínas (cromóforo), es un tetra-pirrol de cadena abierta. Dos formas del fitocromo,
A y B, pueden formar cada una, dímeros en solución, y las evidencias fisiológicas, sugieren
que ambas pueden dimerizarse in vivo. Se considera que la forma que absorbe la luz roja
lejana, PFR, es la forma activa del fitocromo, aunque se piensa que la mayor parte de las
reacciones fotomorfogénicas, son el resultado de la relación celular entre las formas PFR y
PR. Una hipótesis inicial, sugería que el PRF, es una proteína kinasa, debido al hecho de que
los fitocromos semi-purificados, exhiben con frecuencia actividad de proteína kinasa, lo
cual no es evidente en los PFR altamente purificados.
El criptocromo
Criptocromo, es el nombre que se utiliza para designar a los foto-receptores de luz azul de
plantas y animales. La palabra se deriva del griego, y significa literalmente luz escondida, y
se utiliza ahora para describir un subconjunto de receptores de la luz azul, una familia de
flavoproteínas que regulan la germinación, el alargamiento de las plántulas, el
fotoperiodismo, y otras respuestas de las plantas superiores. La luz azul, también media en
el fototropismo, pero se sabe hoy, que esa respuesta tiene su propio conjunto de fotoreceptores, las fototropinas.
Los criptocromos, son moléculas altamente conservadas, es decir, muy antiguas desde el
punto de vista evolutivo, que se derivan de la foto-liasa, una enzima bacteriana que se
activa por la luz y participa en la reparación de los daños en el ADN. Los criptocromos
pierden su actividad enzimática en los eucariotes. Los criptocromos poseen dos
cromóforos: la pterina y la flavina (pariente químico de la pterina). La pterina, absorbe un
fotón, lo que ocasiona que ella emita energía, y esta energía, es absorbida por la flavina,
proceso que probablemente media en la fosforilación de cierto dominio del criptocromo,
hecho que inicia una cadena de transducción de señales que afecta la regulación genética en
el núcleo celular.
Los estudios en animales y plantas sugieren que los criptocromos juegan un papel central
en la generación y mantenimiento de los ritmos circadianos. En los corales, forman parte
del mecanismo de inducción de la oviposición luego de unas pocas noches de luna llena,
46
durante la primavera. También están involucrados en la orientación magnética de las aves
migratorias, y son esenciales en la habilidad de las moscas de la fruta para percibir los
campos magnéticos. En múltiples especies, se han encontrado los genes CRY1 y CRY2,
que codifican para dos criptocromos. En los humanos, estos genes se ubican en los
cromosomas 11 y 12.
El criptocromo, tiene similaridad con la secuencia de las ADN foto-liasas, una rara clase de
flavo-proteínas que catalizan las reacciones de transferencia de electrones dependiente de la
luz azul, en las bacterias.
El calcio
La concentración de calcio citosólico [Ca2+]i, ocupa un lugar central en la transducción de
las señales en las células vegetales. Entre las señales vegetales que se piensa son
transducidas por la vía del [Ca2+]i, se encuentran el toque, los vientos, el choque térmico,
las moléculas inductoras fungosas (elicitores), las heridas, el estrés oxidativo, la luz roja, la
luz azul, la anaerobiosis, el ABA, los campos eléctricos aplicados, los estreses osmóticos y
nutrición mineral.
La dependencia de los procesos de señalización basados en la [Ca2+]i, se define mediante
dos criterios prácticos: (1) La señal debe estimular cambios observables sea en la [Ca2+]i o
en el flujo del Ca2+ a través de las membranas, lo cual a su turno, debe preceder a las
respuestas fisiológicas. (2) Las respuestas fisiológicas asociadas con los cambios en la
[Ca2+]i, deben ser duplicadas artificialmente imitando la [Ca2+]i transitoria observada.
La señalización dependiente del Ca2+, es función de los gradientes de potencial
electroquímico que atraviesan las membranas plasmática e intracelulares.Para facilitar los
procesos de señalización, las células en reposo, mantienen muy bajas concentraciones de
Ca2+ citosólico (100 a 200 nM). La vacuola y el retículo endoplásmico rugoso, constituyen
grandes depósitos intracelulares de Ca2+ (típicamente del órden de cerca de 1mM), el cual
puede ser movilizado mediante el IP3 y otras señales sintetizadas por la membrana
plasmática. En la pared celular, donde el Ca2+ se utiliza como elemento estructural,su
concentración se estima en los alrededores de 0.5 a 1Mm. En la misma forma, tanto las
mitocondrias como los cloroplastos, y aún los núcleos, también pueden actuar, como
47
depósitos del ión Ca2+. Estos organelos, también pueden contener otros componentes del
complejo de transducción de señales del Ca2+, tales como la calmodulina, un receptor
ubicuo de Ca2+. La membrana nuclear, también contiene los componentes esenciales para el
sistema generador del IP3.
Cuando las células reciben señales, los canales de Ca2+, los canales se abren
transitoriamente y la [Ca2+]i , se incrementa rápidamente. En esta forma, son activadas
numerosas proteínas ligadoras de Ca2+, incluyendo la calmodulina y el dominio la
calmodulina dependiente de Ca2+ similar al de las proteína kinasas. Una vez formado, el
complejo Ca2+/calmodulina, transporta la señal de Ca2+ ligándose y acivando a las proteínas
blanco. Probablemente, las células vegetales contienen varios cientos de proteínas que se
ligan al Ca2+, o al complejo Ca2+/calmodulina.
Las señales constituídas por la [Ca2+]i, se truncan mediante la actividad de las ATP-asas
localizadas en la membrana plasmática y en el retículo endoplásmico. Estas bombas
restauran y mantienen reducidas las concentraciones del Ca2+ citoplásmico. Justo en el
momento cuando las H+-ATP-asas de la membrana plasmática y el tonoplasto extraen los
protones del citosol, las Ca2+-ATP-asas utilizan la energía liberada durante la hidrólisis del
ATP, para translocar el Ca2+ hacia compartimientos extra-citosólicos, en contra del
gradiente de potencial electroquímico. Algunas de las Ca2+-ATP-asas, dependen para su
actividad, del complejo Ca2+/calmodulina. En consecuencia, los inhibidores del ligamiento
de la calmodulina, incrementan el contenido del complejo Ca2+/calmodulina.
Durante la señalización, la [Ca2+]i, puede alcanzar transitoriamente muy altas
concentraciones, particularmente cerca a las entradas de los canales abiertos. Estas elevadas
concentraciones no se permiten durante largo tiempo, porque el Ca2+, puede interferir con
el metabolismo celular debido a la competencia con el Mg2+ por el ATP.
La utilización de la [Ca2+]i, como elemento de señalización, parece ser ampliamente
limitada a las células eucarióticas, lo cual genera un interrogante acerca de la evolución de
los mecanismos de transducción de señales. Para responder a este interrogante, se ha
sugerido que durante su evolución temprana, las células eucarióticas experimentaron una
catástrofe por exceso de Ca2+, lo que originó por presión de selección, la elaboración de
mecanismos de detoxificación que se convirtieron más tarde en rutas de señalización.
48
Calmodulina
La calmodulina, el receptor primario del Ca2+, es una proteína pequeña (15 a 17 kDa)
altamente conservada que liga el Ca2+ tanto en las células vegetales como en las animales.
Las secuencias de las calmodulinas de plantas y animales difieren en tan sólo 12 a 13
aminoácidos entre cerca de 150. La molécula tiene 4 regiones o rizos que ligan el Ca2+,
formados por 12 aminoácidos cada uno, ricos en aspartato y glutamato.
Figura XXX. Estructuras 3D de la calmodulina: (A) Forma no complejada con Ca2+, con
dos dominios ligadores del Ca2+ en los terminales. (B) ComplejoCa2+ /calmodulina. En
verde, el péptido ligador del Ca2+.No se muestran los Ca2+ ligados.
La calmodulina se encuentra tanto en el citoplasma como en el núcleo, y puede estar
adherida a la membrana plasmática. La concentración celular de calmodulina, varía
fuertemente entre tipos de células y estados de desarrollo. Los estatocitos (células radicales
que perciben la gravedad), contienen concentraciones de calmodulina varios órdenes de
magnitud superiores que las de las células meristemáticas, siendo probablemente, más
sensibles a los cambios pequeños en [Ca2+]i. En las células polarizadas como las del zigote
49
de Fucus, la calmodulina puede concentrarse en las regiones de crecimiento y metabolismo
más activas.
Cuando se está ligando el Ca2+, la calmodulina sufre un cambio sustancial en la estructura
terciaria, de tal forma que se expone un parche o trozo muy hidrofóbico rico en metionina,
leucina y fenilalanina. Las regiones específicas en las proteínas objetivo reconocen este
parche y se combinan con la calmodulina, dando como resultado la activación de tales
proteínas.
Proteína kinasas
Son componentes esenciales de la transducción de señales. Los miembros de la
superfamilia de las proteína kinasas, catalizan la transferencia reversible del γ-fosfato desde
el ATP, a la serina, treonina o tirosina de las cadenas laterales de las proteínas objetivo. La
actividad de las proteínas kinasas es contrabalanceada por la acción de proteína fosfatasas
específicas que remueven el fosfato de las proteínas. En la mayoría de los casos, la
fosforilación modifica la actividad de las proteínas objetivo. Una molécula de proteína
kinasa, puede fosforilar muchos cientos de proteínas objetivo, lo cual produce como
resultado la amplificación de las señales débiles.
La activación de las proteína kinasas se ha visto involucrada en las respuestas a la luz, al
ataque de los patógenos, a los reguladores del crecimiento, al estrés por temperatura y a la
deficiencia de nutrientes. Varias importantes proteína kinasas se encuentran involucradas
en la regulación de rutas metabólicas.
Proteínas DELLA
Los mutantes deficientes en la biosíntesis de GA, exhiben defectos generados por la
ausencia de regulación por esta hormona. Se ha establecido que los genes SPY, RGA y
GAI, son reguladores negativos de la señalización por GA en Arabidopsis. RGA y GAI son
miembros de la familia GRAS de proteínas reguladoras de las plantas, las cuales son
altamente homólogas en sus regiones C-terminales, pero exhiben gran variación en sus
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regiones N-terminal. Los genes RGA y GAI, ejercen funciones similares durante la
represión de la señalización por GA, pero el gene RGA, juega un papel más dominante que
el gene GAI. Las proteínas codificadas por RGA y GAI, poseen un dominio de 17
aminoácidos en el N-terminal, llamado DELLA, por el motivo aminoacídico contenido
dentro del dominio (DELLAVLGYKVRSSEMA). Se ha propuesto la hipótesis de que la
señal de GA, puede inhibir la función de GAI, mediante la interacción directa o indirecta
con la secuencia DELLA. Los resultados experimentales sugieren que el GA induce la ruta
de transducción de señales, inhibiendo las proteínas represoras GAI, y probablemente las
RGA.
Las plantas pueden percibir a sus competidoras vecinas mediante señales lumínicas de
diferente longitud de onda, y responden con mecanismos de evasión del sombreamiento,
que incluyen el alargamiento del brote o parte aérea, lo cual incrementa la captura de luz y
por tanto, la potencia de su competitividad. Sin embargo, tales interacciones planta- planta
afectan profundamente el desarrollo vegetal en poblaciones muy densas, ya que las
respuestas de evasión al sombreamiento, están estrechamente coordinadas por las
interacciones entre señales y hormonas, donde juegan un papel principal el fotoreceptor B
del fitocromo que percibe la proporción rojo/rojo lejano, y el GA. La familia DELLA de
proteínas supresoras del crecimiento, son los objetivos de la señalización por GA, y se las
ha propuesto como integrantes del mecanismo de señalización asociado con otras
hormonas. Sin embargo, la importancia de estos reguladores no ha sido estudiada en el
complejo y ecológicamente relevante dominio del dosel de las plantas. Se ha demostrado
que la abundancia de las proteínas DELLA, se regula durante las respuestas al crecimiento
de las plantas vecinas en comunidades densa de Arabidopsis.
Rutas de transducción de señales asociadas con reguladores del crecimiento vegetal
La transducción del etileno se realiza mediante cascadas de proteína kinasas, según se ha
podido establecer en bioensayos con plántulas de mutantes en las que se afecta un amplio
rango de respuestas al etileno durante todo el ciclo de vida de la planta. Las observaciones
indican que las respuestas al etileno comparten una ruta primaria de transducción de
señales. El gene mutante CTR1, codifica otra proteína de transducción que cuando muta,
51
activa constitutivamente tres procesos regulados por el etileno en las plántulas: desarrollo
del gancho, el alargamiento del hipocotilo y el crecimiento de la raíz. El gene CTR1, se
constituye, entonces, en un regulador negativo de la respuesta al etileno.
Se han identificado numerosos mutantes deficientes en la señalización por giberelinas. La
mayoría de ellos cae dentro de una de dos clases :(1) Los que semejan plantas deficientes
en GA, pero no responden a su aplicación, y (2), los que parecen plantas en las cuales la
ruta de respuesta al GA ha sido activada constitutivamente. Los mutantes rht (altura
reducida), pertenecen a la primera clase. Los mutantes en la biosíntesis de GA, han sido
explotados por los fitomejoradores para desarrollar cereales de porte bajo como el arroz
enano y el trigo de día corto, genotipos ampliamente difundidos en el mundo durante la
“Revolución Verde”. En Arabidopsis, el gene SPY (larguirucho), es un regulador negativo
de la transducción de la señal GA. Las plantas con el gene SPY, son altas pero capaces de
incrementar su altura luego de la aplicación de giberelina. Las rutas de transducción
dependientes del GA en cebada, involucran el Ca2+ citosólico.
La auxina se visualiza comúnmente como una hormona “maestra” porque, tanto la división
como el crecimiento, la maduración y la diferenciación celulares, están asociadas con la
regulación por auxinas, y algunos procesos mediados por las auxinas como la acidificación
del apoplasto durante la expansión celular, también son mediados por el grupo de proteínas
14-3-3, de reciente descubrimiento. Estas proteínas, facilitan la fosforilación de otras
moléculas, y pueden discriminar entre proteínas objetivo fosforiladas y no fosforiladas. En
consecuencia, las proteínas 14-3-3, actúan como mensajeros intracelulares que pueden
entrecruzar cadenas de transducción de señales.
La H+-ATP-asa localizada en la membrana plasmática, es un importante objetivo para la
regulación del crecimiento por la auxina, debido a que la enzima puede incrementar la
extensibilidad de la pared celular, por medio de la acidificación del apoplasto. Además, la
generación de un gradiente de protones entre la membrana plasmática y la pared celular,
aporta la energía para la absorción activa del K+ requerido para el mantenimiento de la
presión de turgencia a medida que la célula se expande. Aparentemente, la auxina modifica
la actividad de la ATP-asa por la vía de la activación de las proteínas 14-3-3 mediante una
proteína kinasa.
52
En general, la auxina es abundante en las puntas del brote, las cuales poseen células que
progresan siguiendo un programa definido de desarrollo:
División
expansión
maduración
diferenciación
Para que ocurran estos procesos, es necesaria la presencia constante de las auxinas.
La regulación de la biosíntesis del almidón en yuca
Uno de los procesos biosintéticos más importantes asociados con la producción de biomasa
en general y del rendimiento en particular, es el de la producción del almidón, polímero de
glucosa que representa la forma más generalizada de acumulación de energía en las plantas,
tanto transitoriamente en los cloroplastos, como permanente o semipermanentemente en las
semillas (endospermo y otros tejidos), tallos, raíces tuberosas, tubérculos. Su importancia,
desde el punto de vista de la producción vegetal, es fundamental.
Se ha escogido como ejemplo ilustrativo de regulación de un proceso metabólico, a la
biosíntesis del almidón en la yuca Manihot esculenta Crantz. La yuca es la tercera fuente de
calorías de origen vegetal en el cinturón tropical y es consumida diariamente por más de
sesenta millones de personas en África, Asia y Latinoamérica. Su cultivo se desarrolla en
suelos de baja fertilidad, tiene relativamente altas productividades y baja demanda de
labores, en comparación con otros cultivos importantes desde el punto de vista alimenticio.
La industria del almidón, realiza dos actividades principales: la extracción del almidón
“nativo”, y su modificación física y/o química para posterior utilización en diferentes
procesos. Gran parte del beneficio económico proviene de la modificación de los
almidones. En Colombia, la producción de almidón “agrio” o fermentado, es una actividad
artesanal (de gran importancia social en el Departamento del Cauca), con destino a la
industria de panificación. La naturaleza, ofrece alternativas a la modificación química o
física de los almidones. En el caso del maíz, existe una gran riqueza de mutaciones (maíz
53
“waxy” o ceroso, maíz dulce, maíz opaco de alta calidad proteínica, maíz para crispetas,
etc.) que han sido ampliamente explotadas por diversos sectores. Con el maíz ceroso, por
ejemplo, es posible obviar ciertas etapas en la modificación industrial del almidón nativo,
razón por la cual, este almidón adquiere un mayor valor para una industria que
normalmente, paga un 30% más por este tipo de maíz que por el normal. Esta situación
ofrece dos ventajas importantes: (1) el beneficio por el valor agregado del producto, que es
transferido de la industria almidonera al agricultor, y (2) al requerir menor intervención
industrial, genera un menor impacto ambiental.
La modificación genética, constituye una alternativa para producir variedades waxy de
yuca. Por ejemplo, con la mutagénesis, ha logrado en otros cultivos como la papa, un
considerable efecto sobre la actividad del gene GBSS, ausencia de la proteína waxy,
considerable reducción del contenido de amilosa en el almidón, y la modificación de
algunos caracteres morfológicos.
La regulación de la síntesis del almidón, está relacionada con una red flexible pero
compleja de reacciones catabólicas y anabólicas altamente interactivas que ocurren en el
citosol y los plastidios. Es de particular interés, que las células vegetales saben cuando
utilizar la sacarosa para la síntesis del almidón o para otros procesos metabólicos.
Estos procesos, están gobernados por el interjuego de control genético, actividad mitótica,
histodiferenciación y estado metabólico celular. Se ha demostrado en cebada, haba, trigo y
maíz, que el patrón de acumulación del almidón está correlacionado con la expansión
celular, pero este patrón es espacialmente distinto del patrón de actividad mitótica.
Regulación diurna
Las redes metabólicas vegetales, tienen que ver con diferentes rutas de expresión genética.
Estas expresiones, se manifiestan como niveles en estado estacionario o como ciclos
recurrentes día / noche llamados ritmos diurnos. Los ritmos diurnos son inducidos por la
luz y se relacionan con los relojes circadianos internos. Los ritmos circacianos mediados
por la luz, funcionan mediante rutas de señales relacionadas con los sistemas del fitocromo,
las cuales, luego de la recepción de la luz, se transportan al núcleo. El fitocromo está
ubicado en la superficie de la membrana celular y se activa bajo el efecto de la luz azul o
54
del rojo lejano, produciendo una cascada de señales que interactúa con el factor de
interacción en el fitocromo III. El modelo básico de un sistema circadiano, está compuesto
de tres elementos de control: entrada, oscilador y salida. La entrada, que es desencadenada
por la luz y la temperatura, transmite una señal al oscilador para reiniciar el proceso. A su
turno, el reciclaje de la ruta de entrada lleva el reloj hacia un itinerario específico sostenido
por el oscilador. En una secuencia coordinada, el oscilador controla la salida hacia los
ritmos circadianos abiertos.
Hasta la fecha, hay indicaciones de que el metabolismo del almidón y algunos de los genes
relacionados, se ajustan al ritmo circadiano de la planta. Se han identificado elementos que
responden a la luz, (G, GT1 y GATA), en los promotores de la síntesis de almidón
regulada por la luz, los cuales muestran convincentemente, que son esenciales para la
transcripción inducida por la luz. Más recientemente, en trabajos realizados con análisis de
micro-arreglos, se ha encontrado que varios genes de Arabidopsis que codifican para
enzimas de la síntesis y degradación del almidón, están bajo la influencia del reloj
circadiano. Sin embargo, existe evidencia inconsistente con respecto a la relación entre las
expresiones genéticas, el nivel proteínico y las actividades enzimáticas de tales genes
regulados diurnamente. Por ejemplo, no se sabe en el caso de α y β-amilasa, si las
cantidades de proteína o las actividades enzimáticas están emparejadas con los perfiles y
niveles de la expresión genética. Sin embargo, en todos los casos, la relación con el modo
de regulación circadiano puede servir a los eventos primarios del metabolismo del almidón,
conjuntamente con otros factores claves tales como la longitud del día, la temperatura y la
accesibilidad a los nutrientes.
Señalización por azúcares
La señalización con azúcares, es un fenómeno bien establecido en muchas plantas. Este tipo
de señalización está relacionada con tres pasos críticos: sensoreo azúcar/señal, transducción
de señales y acción en los genes objetivo. El sensoreo de los azúcares, puede aparecer luego
de cambios en las concentraciones de los azúcares en el apoplasto, del flujo de azúcares a
través de la membrana plasmática, de las fluctuaciones de los niveles intracelulares de
azúcares y a partir de las interconversiones de especies de azúcares glicolíticos, plastidiales
55
o vacuolares. Cualquiera que sea el modo de sensoreo, se ha establecido que las señales
constituídas por azúcares, participan en muchos procesos metabólicos de la planta tales
como la germinación, el crecimiento, el desarrollo de la raíz, la síntesis de almidón y la
senescencia, en acuerdo con la expresión de los genes relevantes.
Se ha demostrado que los genes cab y rbcs (que codifican para la proteína que liga la
clorofila a/b y para la sub-unidad pequeña de Rubisco, son reprimidos por la sacarosa y la
glucosa, mientras que los genes de la síntesis de almidón y el promotor de la patatina, son
activados por ella. Adicionalmente, la sacarosa reprime la expresión de la α-amilasa. A
pesar de esta evidencia, no se sabe cómo son registrados los efectos del azúcar y/o
transducidos a los genes objetivo. Recientemente, se ha registrado la existencia de un
sensor de sacarosa. Se ha planteado la hipótesis de que dicho sensor, funciona como un
transportador activo de sacarosa o como una señal metabólica derivada.
En el primer caso, el transportador activa la proteína siguiente en la ruta de señalización. En
el segundo caso, la corriente de metabolitos actúa como un conjunto de mensajeros
metabólicos. En concordancia con lo anterior, se han identificado sensores de sacarosa
transportadores y no transportadores. Sin embargo, el modo de transporte de la sacarosa y
la naturaleza de sus transportadores, aún permanecen en controversia, aunque se sabe, que
están relacionados con los cambios en el pH extracelular y en el potencial de membrana. En
este punto, ocurre la activación de la H+-ATP-asa de la membrana plasmática, la cual
genera un potencial de membrana negativo y acidifica el ambiente extracelular relacionado
con el citoplasma.
Señalización hormonal
Desde hace tiempo, se conocen los efectos interactivos de la señalización por azúcares y
hormonal sobre la modulación de los procesos metabólicos de los vegetales. Se ha
demostrado que el ácido abscísico (ABA), incrementa el papel inductivo de los azúcares
sobre la expresión de varios genes en Arabidopsis. Adicionalmente, existen mutantes
insensibles al ABA, lo cual indica que en el sensoreo de los azúcares, participa una ruta de
transducción específica relacionada con el ABA. La señalización con ABA, tiene que ver
con receptores putativos de ABA (extracelulares o intracelulares), con proteínas de
56
membrana de la superficie celular que incluyen canales iónicos, glicoproteínas y proteínas
transportadoras de membrana, y con mensajeros secundarios tales como el ácido
fosfatídico, con el Ca2+ y también con cascadas cíclicas de fosforilación y defosforilación
de proteínas.
A la fecha, está bien establecido que los mecanismos reguladores múltiples
están
relacionados:
1. A nivel de la expresión genética
2. A nivel de la localización de las proteínas
3. A nivel de la especificidad del sustrato
4. A nivel de la regulación mediante la actividad de otras enzimas.
Moléculas que modifican el desarrollo de las plantas y son utilizadas para el control de las
plantas arvenses
Glifosato
Figura XXX. Fórmula química del glifosato
Es un herbicida organofosforado de amplio espectro que se aplica en áreas no cultivadas o
en pre-emergencia, evitando el contacto con el cultivo. La sal isopropil amina del ácido
fosfónico, se utiliza para el control de las herbáceas anuales y muchas malezas perennes
herbáceas y leñosas. Posee baja actividad residual en el suelo, dependiendo del contenido
57
de materia orgánica que pueda capturar la molécula del herbicida. No es muy tóxico para
los mamíferos pero es muy tóxico para la mayoría de las plantas anuales.
El sitio de acción primario del glifosato es la 5-enol-piruvil-shikimato-3-fosfato sintasa o
EPSPS, una enzima de la vía del ácido shikímico que sintetiza aminoácidos aromáticos en
plantas y bacterias. El ácido shikímico, se acumula luego del tratamiento con glifosato y la
actividad del glifosato, puede ser suprimida mediante la utilización de aminoácidos
aromáticos ya que el glifosato bloquea su síntesis, lo cual afecta negativamente la síntesis
de proteínas.
El glifosato puede ser degradado por microrganismos que utilizan una de las dos vías que
eliminan la fitotoxicidad del compuesto. La más común, es la hidrólisis que realizan
Flavobacterium ssp., Psudomonas spp., Alcaligenes spp. y Arthrobacter atrocyaneus, que
produce aminometil fosfonato (AMPA). La hidrólisis del enlace C-P por una C-P liasa que
produce Pi y sarcosina es el método empleado por Pseudomonas y Arthrobacter. Este
proceso es regulado por retroalimentación negativa, ya que el Pi inhibe la toma del
glifosato por las bacterias. Sin embargo, el Flavobacterium spp., es el único que es capaz
de degradar el glifosato en presencia del ortofosfato. La Salmonella typhimurium con
susceptibilidad reducida al glifosato, posee un gene mutante aroA que expresa una EPSPS
con afinidad disminuída por el glifosato.
No se ha identificado una resistencia natural al glifosato, relacionada con una EPSPS
resistente. Sin embargo, se han encontrado niveles bajos de resistencia en algunos cultivos
y arvenses, pero la base fisiológica de esta variación se desconoce. Mediante ingeniería
genética, se han obtenido plantas de varios cultivos (tabaco, tomate, petunia, soya),
resistentes a glifosato, insertándoles el gen mutante aroA procedente de S. typhimurium.
También, se ha aumentado la resistencia al glifosato mediante la selección de plantas con
actividad incrementada de la EPSPS.
En caña de azúcar, el glifosato en pequeñas cantidades inhibe, fomenta o modifica algunos
procesos fisiológicos de la planta, actuando como un fitorregulador que induce una mayor
concentración de sacarosa mediante la interrupción del crecimiento en edades de entre 9 y
10 meses, o indirectamente, mediante la inhibición de la invertasa ácida que participa en el
desdoblamiento de la sacarosa en la glucosa y fructosa necesarias para el crecimiento del
58
cultivo. La sacarosa no desdoblada con la aplicación del glifosato, se almacena en las
células, principalmente en las del tercio superior del tallo. En la variedad CC 6592 las
aplicaciones de glifosato en las concentraciones comerciales no afectan ni el rebrote ni el
desarrollo de la primera soca.
2,4-D
Se utiliza para el control de malezas de hoja ancha en cereales y áreas no cultivadas. El 2,4D y los herbicidas relacionados, se utilizan básicamente para el control de malezas
dicotiledóneas en post-emergencia en cultivos monocotiledóneos como maíz y trigo.
A pesar de los estudios realizados durante más de 40 años, el sitio de acción de los ácidos
fenoxiacéticos no se ha establecido claramente. Estos compuestos, tienen efectos similares
a los reguladores de crecimiento producidos naturalmente en las plantas, como las auxinas.
Inicialmente, ellos causan cambios rápidos en la elasticidad de las paredes celulares de la
planta como resultado del incremento de la actividad de las ATP-asas de la membrana
plasmática. Los síntomas de la toxicidad incluyen curvaturas epinásticas asociadas a la
formación de tumores como producto de la proliferación ocasionada por una intensa
división celular en los puntos de crecimiento y numerosos efectos secundarios resultantes
de muchas anormalidades en el crecimiento y de un crecimiento celular incontrolado.
Existe un amplio rango de bacterias que degradan el 2,4-D, que incluyen especies de los
géneros Acinetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Corynebacterium, Flavobacterium y
Pseudomonas. La mejor caracterizada de estas, es una cepa de Alcaligeneseutrophus
poseedora de un plásmido que codifica para las primeras seis enzimas de la ruta
59
degradativa. El proceso de degradación a través del metabolito 2,4-diclorofenol, es seguido
por una hidroxilación que genera un producto inactivo.
Resistencia en las arvenses
A pesar de que este compuesto ha sido ampliamente usado en el mundo, se encuentra
relativamente libre de problemas de resistencia. Se han documentado evidencias
inequívocas de resistencia al 2,4-D únicamente en seis arvenses. En Stellaria media, los
biotipos R y S tienen tasas iguales de absorción y translocación del herbicida, y no exhiben
diferencias en la actividad de ATP-asas en la membrana. La única diferencia apreciable
entre ambos biotipos, es la mayor tasa del metabolismo del mecoprop para conjugar
metabolitos en el biotipo R, lo cual indica un incremento de la actividad de la citocromo
P450 mono-oxigenasa que es la base de la resistencia.
Se ha obtenido tabaco transgénico con incremento en la resistencia al 2,4-D, como
resultado de la expresión de un gene que codifica una enzima de detoxificación bacterial.
La enzima empleada fue la 2,4-D monooxigenasa que cataliza la ruptura del punto de
enlace del acetato en el 2,4-D, lo cual libera glioxilato y 2,4-diclorofenol.
Triazinas
Son herbicidas residuales que se aplican en pre o post-emergencia para el control de pastos
anuales o arvenses de hoja ancha einhiben el transporte electrónico en el fotosistema II. Se
usan selectivamente en maíz y en forma no selectiva para el control de la vegetación en
áreas no cultivadas.Su estructura contiene un N simétrico (Figura XXX).
Figura XXX .Estructura básica de las triazinas.
60
Resistencia en cultivos y arvenses
Los herbicidas con base en s-triazinas, son metabolizados por plantas naturalmente
resistentes por muchas vías que incluyen la 2-hidroxilación, la conjugación con glutation y
en menor extensión, la N-dealquilación de las cadenas laterales con una posterior
oxidación. El maíz, utiliza todas las rutas degradativas y es resistente a las triazinas. Las
arvenses resistentes a las triazinas, se han utilizado para obtener cultivos resistentes. La
resistencia ha sido transferida mediante cruzamientos por vía sexual, desde Brassica
campestris a muchos cultivos relacionados con la col, tales como el cultivar Tritón de
canola, que es resistente a la atrazina. Los esfuerzos para obtener cultivos resistentes a las
triazinas mediante ingeniería genética, han sido obstaculizados por la dificultad en la
introducción de genes en los cloroplastos.
El bledo Amaranthus spp,el paico Chenopodium álbum y Kochia escoparia, son las
arvenses con alta resistencia a las triazinas más ampliamente distribuídas. La resistencia a
la atrazina, casi siempre se origina en una mutación del gene psbA del cloroplasto que da
como resultado, un cambio único de serina por glicina en la proteína D1 del fotosistema II.
El cambio de esta proteína, que tiene una afinidad mucho más baja por la triazina, ocasiona
una resistencia al herbicida, 1000 veces superior. Todos los mutantes psbA estudiados
resistentes a las triazinas, contienen el mismo cambio en la proteína D1. La mutación que
confiere resistencia a las triazinas, disminuye la tasa de transferencia electrónica entre QA y
QB lo cual ocasiona bajas en la tasa de fotosíntesis, producción de biomasa, fecundidad y
competitividad entre los biotipos R y S del cultivo.
Los microorganismos del suelo, están involucrados en la formación de compuestos menos
fitotóxicos, por dealquilación, y no fitotóxicos por dehidroxilación. Se ha aislado una
especie de Nocardia que utiliza la atrazina como fuente única de nitrógeno y carbono, y se
ha planteado que la degradación completa del herbicida, comienza con Pseudomonas y
termina con Rhodococcus.
61
Ureas
Se utilizan para el control total de malezas en áreas no cultivadas, o para la supresión por
residualidad de la mayoría de las malezas en pre-emergencia, en una amplia variedad de
cultivos. Son relativamente persistentes en el suelo y permanecen activas por muchos
meses.
Sitio de acción
Este herbicida, inhibe el transporte electrónico en el fotosistema II. Las úreas sustituídas
incluyen el monurón, diurón y el clorothunuron que son una amplia clase de herbicidas que
se obtienen por sustitución de los átomos de hidrógeno de la úrea por otros grupos químicos
como fenilo, metilo y metoxi.
La gran mayoría de los compuestos químicos que inhiben el fotosistema II, pueden unirse
al mismo sitio. Se considera que las úreas sustituídas y las triazinas, pertenecen a la misma
gran familia de inhibidores del fotosistema II.
Se han realizado experimentos bioquímicos y de biología molecular, utilizando
azidoatrazina, compuesto análogo de la atrazina que marca por fotoafinidad y se ha
demostrado que este compuesto, marca covalentemente la proteína de ligamiento QB del
fotosistema II. La proteína que liga al herbicida ha sido identificada como la proteína D1
(32 kDa) y posee una alta tasa de reciclaje en el tejido foliar iluminado.
En Inglaterra, se ha detectado un biotipo de Alopecurus myosuroides, resistente al
clorotolurón. Los estudios bioquímicos, indican que la resistencia al clorotolurón y al
isoproturón se debe a una rápida del citocromo P450, catalizada por las mono-oxigenasas
Los mecanismos hereditarios para esta resistencia no se conocen, aunque se sabe que están
relacionados con la herencia nuclear. Recientemente, se han encontrado en Australia
algunos biotipos de Lolium rigidum, con resistencia cruzada a todos los inhibidores del
fotosistema II (atrazina, clorotolurón). La resistencia cruzada es la proliferación de biotipos
de cierta especie, generados por el uso de un mismo herbicida, que resultan genéticamente
resistentes no sólo a ese herbicida, sino a otros químicamente diferentes o con diferente
sitio de acción. La forma más común de resistencia cruzada, ocurre cuando herbicidas
62
diferentes actúan sobre el mismo sitio activo. Así, una modificación en dicho sitio, que
confiere resistencia a una clase de herbicidas, también puede generar resistencia a una clase
de herbicidas no esperada. La detoxificación por la vía de las citocromo P450 monooxigenasas, puede ser la responsable de la resistencia en este biotipo.
Mecanismos y aspectos agronómicos de la resistencia a herbicidas
Con el uso de herbicidas en los últimos cuarenta años, se ha incrementado la resistencia por
selección dentro de especies tradicionalmente susceptibles. La incidencia de la resistencia
fue registrada por primera vez en 1970 y se ha elevado notablemente en los últimos 20
años. A la fecha, existe una lista de 57 especies de arvenses, que incluye cuarenta
dicotiledóneas y diecisiete monocotiledóneas, las cuales adquirieron resitencia a las
triazinas. Adicionalmente, al menos sesenta especies, tienen biotipos resistentes a uno o
más herbicidas dentro de las catorce clases de ellos. Las clases de herbicidas que
comunmente inducen resistencia, son aquellos que tienen un único sitio de impacto
regulado por un gene individual o un número pequeño de ellos. En los casos donde se ha
estudiado la genética de las plantas que han adquirido resistencia, se ha encontrado que se
encuentran involucrados tan sólo uno o muy pocos genes.
La resistencia denota la habilidad de las poblaciones vegetales dentro de especies o grupos
taxonómicos, para absorber una dosis tan sustancialmente alta de herbicida, que los tipos
silvestres no podrían tolerar. Incluídas en este concepto, se encuentran las carencias de
susceptibilidad preexistentes al herbicida, las pérdidas de susceptibilidad debidas a la
presión de selección inducida por un herbicida y la resistencia conferida generalmente por
la manipulación genética de los cultivos. A pesar de lo anterior, no se puede afirmar que las
mutaciones que inducen resistencia sean ocasionadas directamente por la acción de un
herbicida.
Aunque la resistencia a los herbicidas es un fenómeno ampliamente distribuído en el
mundo, tradicionalmente, no ha habido la necesidad de desarrollar estrategias especiales
para el control de los biotipos resistentes y esto se ha logrado, usualmente, con la aplicación
de herbicidas alternativos. Sin embargo, en los últimos años, la resistencia de las malezas se
ha incrementado a una tasa equivalente a la de la resistencia de los patógenos a los
63
fungicidas y la de los insectos a los insecticidas como resultado de las prácticas
equivocadas de manejo del cultivo y las arvenses, especialmente de la escogencia y
combinación de los herbicidas, que han sido establecidas en algunos lugares.
Adicionalmente, la resistencia múltiple de las poblaciones de arvenses a los herbicidas, no
puede ser manejada simplemente mediante la sustitución de unos productos por otros, ya
que algunos herbicidas nuevos que son usados persistentemente, tienen una alta
probabilidad de seleccionar por resistencia y volverse inefectivos. Adicionalmente, la
rotación de herbicidas y mezclas no pueden retrasar la tasa de aparición de la resistencia en
los casos donde el ajuste de los biotipos R es aproximadamente el mismo de los biotipos S.
El manejo efectivo de la resistencia de las arvenses a los herbicidas, depende de una
reducción de la presión de selección para la evolución de la resistencia, lo cual
necesariamente incluye la reducción de la frecuencia y la cantidad del herbicida aplicado y
el incremento de las prácticas de manejo integrado. La introducción potencial de cultivos
resistentes a los herbicidas, puede añadir complejidad al manejo de la resistencia,
particularmente en los casos donde pueda haber escape de genes manipulados mediante
ingeniería genética. Independientemente de si la resistencia aparece en un campo o en un
sistema de producción de cultivos que incorpora el uso de herbicidas, deben ser incluídas
las prácticas que prevengan y eviten la eventual ocurrencia de este fenómeno.
La resistencia múltiple es, sin duda alguna, el caso más complejo y el problema más grave
que se cierne actualmente sobre el control químico de las arvenses. Es el fenómeno de
resistencia a los herbicidas de más de una clase química a la cual una población ha estado
expuesta. Esta resistencia, aunque poco común, está aumentando en frecuencia, en la
medida en que las poblaciones de arvenses son expuestas a una mayor diversidad de
herbicidas.
Respuestas de las plantas a los patógenos
Las plantas deben defenderse continuamente contra el ataque de bacterias, virus, hongos,
invertebrados, e incluso de otras plantas. Debido a su inmovilidad que les impide el escape,
cada célula vegetal posee una capacidad de defensa tanto preformada como inducible. Esto
significa un sorprendente contraste con el sistema inmune de los vertebrados en los cuales
64
las células especializadas dedicadas a la defensa, se movilizan rápidamente hasta el sitio de
infección, donde ellas matan al organismo invasor o limitan su propagación. Sin embargo,
la estrategia de defensa no circulatoria de las plantas, minimiza las infecciones. Las
poblaciones silvestres de plantas, se mantienen saludables la mayor parte del tiempo, y si
ocurre una enfermedad, usualmente se restringe a unas pocas plantas y afecta sólo una
pequeña porción de tejido. La enfermedad, que es la consecuencia de una infección exitosa,
raramente mata una planta. La selección natural, actúa probablemente para reducir una
toxicidad fatal de los patógenos hacia las plantas. Después de todo, las enfermedades que
mantienen vivo al hospedero, no permiten la posterior reproducción del patógeno.
Razones para el estudio de la interacción planta/patógeno:
1. El estudio detallado de las interacciones planta / microbio pueden aportar soluciones
prácticas y sustentables para el control de las enfermedades en los cultivos
agrícolas. El monocultivo de especies genéticamente uniformes en vastas
superficies de suelo, es una práctica que conduce con frecuencia a explosiones de la
enfermedad, causando epidemias que disminuyen tanto el rendimiento como la
calidad de las cosechas. Además, el uso de agroquímicos para el control de la
enfermedad puede ocasionar serios problemas contaminación ambiental, e
incrementan los costos de producción de las cosechas.
2. Tales estudios pueden ayudar a aclarar los mecanismos de señalización mediante los
cuales las células vegetales lidian con una situación de estrés. Por ejemplo, difieren
las respuestas provocadas por la invasión de un patógeno de las provocadas por las
heridas mecánicas o por los estreses ocasionados por la baja temperatura, alta
salinidad o sequía?
3. El estudio de las interacciones planta/patógeno puede conducir a descubrir cómo se
comunican unos con otros los organismosdiferentes de diferentes reinos: qué tipo de
mensajes intercambian, y cómo se evoca la respuesta apropiada.
65
Vías mediante las cuales los patógenos vegetales causan las enfermedades
Las raíces y brotes de todas las plantas, adquieren un íntimo contacto con los patógenos
vegetales, y cada patógeno ha desarrollado una forma específica para invadirlas.
Algunas especies penetran directamente las capas superficiales mediante la presión
mecánica o el ataque enzimático. Otros pasan directamente a través de aberturas
naturales como los estomas o los lenticelos. Un tercer grupo, invade únicamente los
tejidos heridos previamente. Una vez dentro de la planta, se despliega una de las tres
principales estrategias de ataque para utilizar la planta hospedera como sustrato de
supervivencia:
1. La necrotrofia, en la cual, las células vegetales mueren;
2. La biotrofia, en la cual las células vegetales permanecen vivas , y
3. La hemibiotrofia, en la cual, el patógeno conserva inicialmente las células vegetales
vivas, pero las mata en estadios posteriores de la infección.
El proceso de infección, colonización y reproducción del patógeno es conocido como
patogénesis, y al patógeno que la causa se lo denomina virulento.
El éxito de ciertos patógenos vegetales de amplia difusión, pueden ser atribuidos a
varios factores principales:
a. Un modo de patogénesis extremadamente efectivo que permite una tasa de
reproducción alta y rápida durante la principal fase de crecimiento de las plantas
b. Un mecanismo de dispersión muy eficiente, mediante el viento, las salpicaduras de
agua lluvia u organismos vectores como los insectos.
c. Un tipo de reproducción diferente (a menudo sexual) hacia el final de cada época
de crecimiento de la planta, para producir un segundo tipo de estructura (espora,
propágulo) con capacidad de supervivencia a largo plazo que en algunos casos llega
hasta los 30 años.
d. Una alta capacidad para generar diversidad genética. En muchos patógenos, la
haploidía durante la fase de mayor reproducción posibilita las mutaciones
66
importancia funcional, prestar una ventaja selectiva inmediata dentro de la
población de patógenos. La posterior reproducción sexual, genera un nuevo acervo
de genotipos recombinantes a partir de los cuales se puede generar una nueva
epidemia.
e. El monocultivo de especies y los genotipos de patógenos bien adaptados.
Menos del 2% de las ~100.000 especies conocidas de hongos, son capaces de colonizar
las plantas y causar enfermedades. Las especies necrotróficas que producen enzimas
degradadoras de la pared celular, tienden a atacar un amplio rango de
especies
vegetales. Por ejemplo, se sabe que los hongos Pythium y Botrytis, atacan cada uno
más de 1.000 especies. Algunos necrótrofos, producen toxinas hospedero-selectivas que
se activan sólo en pocas especies vegetales. Cada toxina tiene un modo de acción
altamente específico, e inactiva sólo una enzima vegetal individual. Por ejemplo, la
toxina HC, producida por el hongo patógeno del maíz Cochliobolus carbonum, es un
potente
inhibidor la actividad de la histona deacetilasa, enzima requerida para la
activación de los genes de defensa de las plantas.
La Alternaria alternata lycopersici, produce la toxina AAL, la cual parece que activa
un programa de muerte celular (apoptosis) en las plantas de tomate. Otros hongos
producen toxinas no selectivas para el hospedero. Por ejemplo, Fusicoccum amygdali,
produce la fusicoccina, toxina que afecta la H+-ATP-asa localizada en la membrana
plasmática de muchas especies vegetales. La acción de esta toxina, produce la apertura
irreversible de los estomas y, consecuentemente, el marchitamiento, seguido por la
muerte celular y la colonización necrotrófica.
Los hongos biotróficos, mantienen vivas las plantas hospederas, y usualmente
manifiestan un alto grado de especialización hacia una especie vegetal en particular.
Para utilizar las células vegetales vivientes como sustrato alimenticio, estos hongos
frecuentemente penetran la rígida pared celular formando en primer lugar una púa de
penetración y luego un haustorio, que induce la invaginación de la membrana
plasmática. Esta especializada estructura de alimentación, incrementa la superficie de
contacto entre los dos organismos, maximizando de esta forma, el flujo de agua y
67
nutrimentos a favor del crecimiento del hongo. Muchas especies de mildeos vellosos y
polvosos, utilizan las asociaciones haustoriales para atacar las plantas. La observación
de la frecuente formación de “islotes verdes” en las hojas senescentes, condujo al
descubrimiento de que los patógenos biotróficos pueden alterar el balance hormonal en
los sitios de infección para asegurarse de que las células hospederas se mantengan vivas
durante estas asociaciones íntimas.
Unos pocos hongos biotróficos, por ejemplo, el Cladosporium fulvum, el moho foliar
patogénico del tomate, no forma haustorios, sino que crece exclusivamente fuera de la
pared de la célula vegetal, dentro de los espacios intercelulares aéreos (apoplasto),
subsistiendo a base de los nutrimentos celulares escapados.
Los hongos hemibiotróficos, despliegan secuencialmente un modo de nutrición
biotrófico, seguido por uno necrotrófico. El interruptor que inicia el paso entre las dos
formas, es operado usualmente por las demandas nutricionales a medida que el hongo
crece. Por ejemplo, el organismo Phytophthora infestans, causante del tizón tardío de la
papa y el tomate, o quemazón, que ocasionó la hambruna irlandesa de 1846 luego de
una epidemia devastadora de la papa, alimento básico de los irlandeses del siglo XIX.
Actualmente, ocasiona grandes pérdidas económicas en muchos países.
Las bacterias fitopatogénicas, se especializan en colonizar el apoplasto para causar
pudriciones, manchas, marchitamientos vasculares, úlceras, añublos o quemazones. La
mayoría de ellas, son bacterias Gram negativas en forma de bastón, de los géneros
Pseudomonas, Xanthomonas y Erwinia. Las relaciones bacteria/planta, se caracterizan
por dos aspectos:
1. Durante su vida parasítica, la mayoría de las bacterias residen dentro de los espacios
intercelulares de los diferentes órganos o en el xilema.
2. Muchas de ellas ocasionan daños considerables mediante la secreción sea de
toxinas, polisacáridos extracelulares, o enzimas que degradan la pared celular en
alguna etapa de la patogénesis. Las toxinas bacteriales, contribuyen a la producción
de síntomas sobre ciertas especies vegetales, aunque mediante mutagénesis dirigida,
se ha demostrado que esas toxinas no son esenciales para la patogénesis.
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Los polisacáridos extracelulares secretados rodean completamente la colonia bacterial en
crecimiento y pueden contribuir a la virulencia bacterial, por ejemplo, saturando los
espacios intercelulares con agua o bloqueando el xilema para producir síntomas de
marchitez. Sin embargo, de nuevo, las toxinas no se requieren
en absoluto para la
patogénesis. Las bacterias que despliegan enzimas pécticas durante la patogénesis, tales
como Erwinia, tienen un amplio rango de hospederos y causan muerte celular extensa y
maceración de los tejidos. Estas enzimas pécticas degradan los polímeros de la pared
celular, ya sea mediante hidrólisis (poligalacturonasas) o mediante β-eliminaciones (pectato
o pectina liasas).
Existen más de 40 familias de virus vegetales a ADN y ARN, pero la aplastante mayoría
son virus a ARN de una fibra en sentido positivo. Los síntomas de la infección viral
incluyen el amarillamiento de los tejidos (clorosis), ennegrecimiento (necrosis), formación
de mosaicos y atrofia de la planta. Los virus vegetales son biótrofos, y todos encaran los
mismos tres desafíos básicos: Cómo replicarse en la célula infectada inicialmente; cómo
trasladarse hacia dentro de las células adyacentes y el sistema vascular; y cómo suprimir las
defensas del hospedero, para luego colonizar la totalidad de la planta.
La replicación genómica de los virus a ARN de fibra única de sentido positivo, se ejecuta
utilizando, aparentemente, el aparato de traducción del hospedero. En contraste, la
amplificación genómica de los gemini virus, y de algunos virus a ARN de fibra única en
sentido negativo, ocurre en el núcleo e involucra los componentes de la maquinaria de
replicación del ADN del hospedero. El transporte posterior de las partículas virales, ocurre
mediante movimiento intracelular (simplástico), a través de los plasmodesmos (canales
entre las células vegetales).Contrariamente a lo que ocurre con los virus animales, los virus
vegetales nunca atraviesan la membrana plasmática de la célula infectada. Las proteínas
vegetales del movimiento viral (MPs), en asociación con varios componentes del citoesqueleto de la célula hospedera, facilitan el transporte de complejos de nucleo-proteínas o
partículas virales hacia dentro de las células por la vía de plasmodesmos modificados. Se
utilizan dos estrategias para el movimiento viral.
69
Los genomas de fibra única positivas ssARN del virus del mosaico del tabaco, incrementan
transitoriamente 10 veces los límites del tamaño de exclusión de los plasmodesmos, para
posibilitar el tráfico de los grandes complejos de núcleo proteínas. En comparación,
algunos virus a ADN de doble banda como el CaMV, dirigen la formación de grandes
estructuras tubulares compuestas de MPs, para facilitar el movimiento de partículas virales
encapsuladas a través de los plasmodesmos agrandados. Muchas MPs virales, tienen sólo
una mínima similaridad en su secuencia, lo cual sugiere que los virus vegetales pueden
haber adquirido las funciones de MP a partir de los genomas vegetales por la vía de la
recombinación.
Los procesos que controlan el transporte de las partículas virales o ácidos nucleicos dentro
del floema, probablemente son diferentes de los que controlan el movimiento entre las
células del mesófilo. Sin embargo, aún no se comprende bien cómo entran o salen los virus
de los tejidos de la hoja. Una vez dentro del floema, el movimiento de las partículas virales
puede alcanzar velocidades hasta de 1.0 cm h-1. Para algunos virus como el TMV, la
proteína de la cubierta (PC), es necesaria para que este proceso trabaje eficientemente. Sin
embargo, para otros virus, la PC, puede no estar involucrada.
Infección por nemátodos
Se conocen más de 20 géneros de nematodos que causan enfermedades a las plantas. Las
infecciones causadas por estos gusanosdelgados y redondos (de alrededor de 1.0 mm de
longitud), se confinan casi siempre al sistema radical. Sin embargo, estas infecciones de la
raíz, pueden alterar fuertemente el metabolismo total de la planta, y producen con
frecuencia modificaciones sustanciales
de la arquitectura radical. Todas las especies
parásitas de nematodos, son biótrofas obligadas, y todas poseen un estilete alimenticio
hueco capaz de penetrar las paredes celulares vegetales. Los nematodos ectoparásitos, se
alimentan exclusivamente en la superficie radical, mientras que las especies endoparásitas,
invaden los tejidos radicales y gastan una gran parte de su ciclo de vida, en asociación
íntima con las células radicales.
70
Los nematodos más dañinos del mundo son, de lejos, dos grupos de especies endo-parásitas
sedentarias de la familia Heteroderidae: los nematodos quiste (géneros Heterodera y
Globodera), y los nematodos nodulares radicales del género Meloydogyne.
El ciclo de vida de los nematodos endoparásitos, comienza cuando los huevos en reposo,
perciben una señal química no caracterizada aún, liberada por las raíces vegetales. La
recepción de esta señal, induce a la incubación de los huevos, liberando nematodos
juveniles. Los nematodos mótiles juveniles de segunda etapa, penetran entonces, las raíces,
y migran hacia los tejidos vasculares. Una vez se inicia el proceso de alimentación, el
nematodo pierde su motilidad y se vuelve sedentario. Para comenzar la alimentación, los
nematodos quísticos juveniles introducen sus estiletes a través de las paredes celulares, pero
no perforan la membrana plasmática, y liberan secreciones glandulares dentro de las células
escogidas. Las moléculas contenidas en los fluidos secretados, inducen rápidas
modificaciones del citoplasma de las células vegetales, y la actividad metabólica de la
célula vegetal se incrementa marcadamente. Además, el nemátodo desencadena la
disolución parcial de las paredes celulares, de tal forma, que las conexiones simplásmicas
de la célula modificada con sus vecinas, se hace más extensa, hasta que finalmente ocurre
la fusión de los protoplastos.
Eventualmente, un nematodo puede reunir hasta 200 células para formar una estructura
continua de alimentación. En contraste, la alimentación de los nematodos juveniles nodales
de la raíz, inducen una mitosis desacoplada de la citocinesis, y una endo-replicación del
ADN que genera núcleos con un contenido de ADN incrementado, lo cual da como
resultado un crecimiento anormal de las células corticales, y la formación de una serie de
células gigantes. En otros aspectos, la morfología de las células que forman el continuo
citoplásmico y las células gigantes, parece ser muy similar. Ambas
llegan a estar
estrechamente asociadas con el floema, mediante conexiones celulares de transferencia, y
aseguran que la planta completa se tapone para los nutrimentos. En efecto, el nudo radical
femenino en desarrollo, y los nematodos quísticos, se convierten en poderosos vertederos
alternativos para los foto-asimilados, lo que, en consecuencia, disminuye el rendimiento de
las plantas infectadas.
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Un aspecto clave no resuelto en la asociación planta/nematodo sedentario, es la naturaleza
de las señales bioquímicas dentro de las secreciones glandulares de los nematodos, que
causan tan dramáticos cambios en la arquitectura celular de las raíces. Análisis
microscópicos detallados, muestran la presencia de una estructura de tubo alimenticio,
asociada exclusivamente con el estilete. Sin embargo, a diferencia del estilete, el tubo
alimenticio ingresa dentro del citoplasma de la célula vegetal. Sorprendentemente, cada
vez que el nematodo se alimenta, se forma un nuevo tubo alimenticio. Así, para la época en
que se completa la patogénesis, se observan cientos de tubos alimenticios en cada célula
gigante. Se ha encontrado que los tamaños límites de exclusión para las moléculas que
pasan a través de los tubos alimenticios están entre 20 y 40 kDa, lo cual sugiere que las
señales provenientes del nematodo, que modifican el citoplasma de la célula vegetal e
incrementan el metabolismo de ellas, pueden ser moléculas relativamente pequeñas.
Miles de especies de insectos, se alimentan, reproducen y refugian en las plantas. Se
reconocen dos amplias categorías de insectos herbívoros: Los masticadores, y los
chupadores de savia. Entre los dos, los masticadores, son los que causan el daño más
espectacular a los tejidos vegetales. Por ejemplo, el escarabajo de la papa de Colorado y las
diversas especies de langostas, pueden defoliar un cultivo entero de muchas hectáreas en un
solo día. En otras especies masticadoras, la extensión del daño depende frecuentemente del
estado de desarrollo, tanto de la plaga como de la planta. Las larvas del barrenador europeo
del maíz, atacan las hojas de las plantas jóvenes. Sin embargo, a medida que tanto las
plantas como la plaga maduran, los insectos se vuelven devastadores barrenadores de los
tallos. Otros masticadores se alimentan exclusivamente de raíces o semillas. Por el
contrario, la mayoría de los insectos chupadores de savia tales como los saltamontes
adultos, los áfidos o los trips, causan una mínima destrucción directa de los tejidos. Estos
insectos utilizan una parte especializada de la boca, el estilete, para localizar, penetrar y
drenar savia desde los elementos cribosos del tejido vascular del floema. Las infestaciones
densas de chupadores, ocasionan disminuciones crónicas de foto-asimilados, reduciendo
así el potencial de crecimiento de la planta. Además del daño directo de las plantas, muchos
insectos plaga, transmiten virus mientras se alimentan, siendo los chupadores, vectores
extremadamente efectivos de los virus, pues ellos depositan partículas virales directamente
en el tejido vascular, el cual disemina rápidamente los virus a través de la planta. Algunas
72
especies virales, pueden replicarse y persistir dentro del insecto vector. Los insectos
masticadores raramente transmiten virus, pero el daño que causan a los tejidos, con mucha
frecuencia posibilita el ataque de muchas especies de hongos y bacterias necrotróficos.
Sistemas vegetales de defensa
Solamente una pequeña proporción de las infecciones patogénicas tienen probabilidad de
enfermar una planta infectada. Se proponen cuatro razones para explicar la mayor cantidad
de fracasos de los patógenos para infectar exitosamente las plantas
1. La especie vegetal atacada, no puede proporcionar los requerimientos de la
estrategia de supervivencia de determinado patógeno, lo cual la inhabilita para ser
su hospedero.
2. La planta posee barreras estructurales preformadas constituidas por compuestos
tóxicos que circunscriben la infección exitosa a especies de patógenos
especializadas (resistencia no hospedera).
3. Durante el proceso de reconocimiento del patógeno atacante, se activan los
mecanismos de defensa, de tal forma, que la invasión permanezca localizada.
4. Las condiciones ambientales cambian, y el patógeno perece antes de que el proceso
de infección haya alcanzado el punto en el cual ya no es influenciado por los
estreses externos adversos.
Las tres primeras interacciones representan la incompatibilidad genética, pero sólo el tercer
mecanismo de resistencia, depende exclusivamente de las respuestas de defensa inducidas
para limitar el ataque del patógeno. Sin embargo, en algunas interacciones planta no
hospedera/patógeno, también se activan las respuestas de defensa. La infección patogénica
exitosa y la enfermedad (compatibilidad), ocurren sólo si las condiciones ambientales son
favorables, si las defensas preformadas de la planta son inadecuadas o si la planta falla en la
detección del patógeno, o si las respuestas de defensa activadas son inefectivas.
73
Para activar rápidamente sus respuestas de defensa en el sitio de invasión del patógeno,
cada célula de la planta necesita de un sofisticado sistema de vigilancia. Este sistema debe
ser completamente funcional en las plantas saludables, y ser capaz de distinguir las señales
autogeneradas, de las emitidas por los patógenos. Aún más, cuando se detectan señales no
autogeneradas, el sistema de la planta debe tener la suficiente capacidad de discriminación
como para distinguir los patógenos dañinos a la planta, de los organismos benéficos tales
como las bacterias del tipo Rhizobium (para las leguminosas) y las especies fungosas de
micorrizas (para casi todas las plantas superiores). Las asociaciones de plantas con tales
organismos benéficos, en últimas, incrementan la habilidad de las plantas para tomar los
nutrientes de suelos pobres.
El reconocimiento de un patógeno genéticamente incompatible, da como resultado la
activación de una compleja serie de respuestas de defensa. El proceso se coordina tanto
espacial, como temporalmente, para asegurarse de que se escoge sólo un número necesario
de células vegetales relacionadas con el metabolismo primario, para un rol defensivo. Esta
inducción de las respuestas de defensa de las plantas, rápida y altamente localizada, da
como resultado la generación de condiciones desfavorables para el crecimiento y la
reproducción del patógeno. Al mismo tiempo, las células que responden, detoxifican y
desacoplan la dispersión de enzimas y toxinas dañinas producidas por el patógeno. La plena
activación de esta intensa respuesta al patógeno, ocurre durante un período de 24 horas, e
invariablemente conduce directa o indirectamente a la muerte celular. La rápida activación
de las reacciones de defensa, en asociación con la muerte de la célula hospedera, se
denomina frecuentemente, “Respuesta hipersensible” (RH). Debido a que las células
muertas contienen elevadas concentraciones de moléculas con propiedades antimicrobiales,
no son atacadas posteriormente por organismos necrotróficos oportunistas, aunque también
existen muchos ejemplos bien documentados de resistencia no mediada por una RH.
Defensas preformadas
La mayoría de las plantas saludables poseen múltiples metabolitos intermediarios
previamente formados, con propiedades antimicrobiales. Estos compuestos pueden estar
presentes en sus formas biológicamente activas, o pueden estar almacenados como
74
precursores inactivos que se convierten a sus formas activas mediante enzimas del
hospedero como respuesta a un ataque patogénico o a daños en los tejidos. En general,
estos inhibidores preformados están confinados en vacuolas u otros organelos en las capas
celulares exteriores de los tejidos vegetales. En consecuencia, la de estrategia de ataque del
patógeno busca influir fuertemente sobre las concentraciones de los inhibidores que
encuentra. Invariablemente, los necrótrofos inducen la liberación de altas concentraciones
de inhibidores, mientras que los hongos biótrofos formadores de haustorios, pueden no
encontrar nunca estas defensas.
Se han caracterizado suficientemente dos clases de inhibidores preformados, que son las
saponinas y los glucosinolatos. Las saponinas son compuestos glicosilados clasificados ya
sea como triterpenoides, esteroides o glicoalcaloides esteroidales. En las raíces de las
plantas de avena, se ha encontrado la avenacina A-1, una saponina triterpenoide
biológicamente activa, altamente efectiva contra Gaeumannomyces graminis var tritici, un
importante patógeno de las raíces de los cereales, extremadamente sensible a las
avenacinas. En consecuencia, la ampliamente distribuida enfermedad causada por tal
patógeno, afecta al trigo y la cebada, pero nunca a las plantas de avena.
Los glucosinolatos son glucósidos que contienen azufre, producidos por los miembros de
las Brassicaceae, incluyendo a la especie modelo experimental Arabidopsis thaliana. Los
glucosinolatos se dividen en tres clases, de acuerdo con la naturaleza de sus cadenas
laterales, las cuales se derivan de los indolil o aralkil α-aminoácidos alifáticos.
Contrariamente a las saponinas, los glucosinolatos se vuelven biológicamente activos,
únicamente en respuesta al daño en los tejidos, mediante la actividad de la mironasa, una
tioglucosidasa.
Bases genéticas de las interacciones planta/patógeno
Los colectores de plantas del siglo XIX, notaron con mucha frecuencia, las diferencias en
susceptibilidad a las enfermedades en las múltiples accesiones de las plantas silvestres
colectadas. Luego del redescubrimiento de los trabajos de Mendel, los fitomejoradores de
los primeros años de 1900, reconocieron que la resistencia a los patógenos vegetales, con
frecuencia se hereda como un rasgo dominante simple. Sin embargo, no fue sino hasta los
75
años de 1940, a partir de los estudios de genética seminal efectuados por Flor, en lino y en
el patógeno de la roña del lino, cuando fue dilucidada la herencia no sólo de la resistencia
de la planta, sino también de la virulencia del patógeno, y se propuso el modelo de gene por
gene. Este modelo predice que la resistencia de la planta ocurrirá sólo cuando una planta
posea un gene de resistencia dominante (R), y el patógeno exprese el gene dominante de
avirulencia complementario (Avr). Este modelo, da cuenta de la mayoría de las
interacciones planta/ patógeno biotrófico.
Para los patógenos que despliegan toxinas selectivas para el hospedero con el fin de lograr
una patogénesis exitosa, se ha propuesto un modelo diferente. La virulencia del patógeno,
debe ser dominante porque se debe producir una toxina o una enzima (o ambos) funcionales
para ocasionar la enfermedad. A su turno, la resistencia de la planta, se hereda
predominantemente como un rasgo dominante, y se alcanza mediante una detoxificación
enzimática o a través de la pérdida o la alteración de la toxina durante el proceso.
El término “tolerancia a la enfermedad”, describe un resultado neutro observado en las
asociaciones planta/patógeno. La interacción es compatible genéticamente, pero de alguna
manera, la planta restríngelos procesos bioquímicos requeridos para el desarrollo de los
síntomas. Como consecuencia, el daño del tejido se mantiene escaso, aún si las plantas
están severamente infectadas. Las plantas tolerantes a una enfermedad, pueden actuar como
importantes reservas de inóculos del patógeno, que pueden infectar las especies
susceptibles.
Bioquímica de las reacciones de defensa de las plantas
La resistencia de las plantas, se correlaciona con la activación de un conjunto de diversos
mecanismos de defensa. La respuesta, involucra la activación transcripcional de numerosos
genes de defensa relacionados, la apertura de canales iónicos, modificaciones del estado de
fosforilación de proteínas, y la activación de enzimas preformadas, para emprender
modificaciones específicas del metabolismo basal e intermediario. Además, se genera una
variedad de moléculas señal secundarias, para asegurar la coordinación de las respuestas de
defensa, tanto temporal, como espacialmente, lo cual da como resultado
una rápida
contención del patógeno. En general, parece que las plantas provocan un amplio espectro
76
de respuestas de defensa a la mayoría de patógenos. Los estudios detallados de los
mecanismos de defensa de las plantas, han involucrado la adición de, sea un patógeno, o
sea un inductor derivado del patógeno en plantas intactas o en cultivos de células vegetales
en suspensión.
Las manchas necróticas resultan de las células vegetales muertas, que se forman
frecuentemente en los sitios de intento de ataques de patógenos. Se piensa que esta rápida
respuesta, puede jugar un papel central en la resistencia a algunos patógenos debido a que
se priva a los biótrofos del acceso a otros nutrientes. Para otros tipos de patógenos, se
piensa que la descompartimentación celular, da como resultado la liberación de sustancias
inhibidoras preformadas. Sin embargo, la RH, no es un componente obligatorio del sistema
de defensa vegetal, ya que muchos genes R confieren a la planta una resistencia no mediada
por la RH. Por ejemplo, la resistencia del tomate contra el C. fulvum, mediada por el gene
cf-9, no siempre se asocia con la muerte celular de la planta. Potencialmente, se encuentran
dos mecanismos subyacentes al desarrollo de la RH. Sea que las células atacadas inicien un
programa regulado de muerte celular, o que las células que respondan sean rápidamente
envenenadas por los compuestos tóxicos o radicales libres sintetizados de antemano por
ellas, el resultado es la muerte a consecuencia de la necrosis. Evidencias recientes, sugieren
que probablemente, durante la defensa vegetal, ocurren ambos tipos de muerte celular.
En muchas interacciones incompatibles, con frecuencia la primera respuesta detectada es la
producción de tipos reactivos de oxígeno (TRO), la cual ocurre dentro de menos de los
.
cinco minutos. Las especies típicas de TRO detectadas son los superóxidos (O2 -), y el
peróxido de hidrógeno (H2O2). Los mecanismos que tienen las plantas para producir
superóxido a partir de oxígeno molecular, probablemente involucran una NADPH-oxidasa,
similar pero no idéntica a la que utilizan los mamíferos neutrófilos para su defensa. Los
aniones superóxido producidos fuera de las células vegetales, usualmente son convertidos a
H2O2, molécula que puede atravesar la membrana plasmática y entrar a las células
vegetales. El H2O2, es removido eventualmente de las células vegetales, mediante la
conversión a agua por la acción de la catalasa, la ascorbato peroxidasa y la glutatión
peroxidasa.
77
Se ha propuesto múltiples roles para los TRO en la defensa vegetal. Por ejemplo, el H2O2
puede ser directamente tóxico para los patógenos. En la presencia de Fe, el H2O2, genera el
radical hidroxilo (OH.), el cual es extremamente reactivo. Alternativamente, el H2O2,
puede contribuir al refuerzo estructural de las paredes de las células vegetales, mediante el
entrecruzamiento de varias glicoproteínas ricas en hidroxiprolina y prolina con la matriz de
polisacáridos, o mediante el incremento de la tasa de formación de polímeros de lignina por
medio de la actividad de la peroxidasa.
El óxido nítrico (NO), es una molécula señal utilizada por los mamífersos para regular
varios procesos biológicos de los sistemas inmune, nervioso y vascular. En las plantas, el
reconocimiento de algunas bacterias patogénicas avirulentas, se acompaña por una síntesis
de novo de NO. Aunque una RH localizada es consistente con un cuadro de interacciones
genéticamente incompatibles, el rápido estallido de producción de TRO, no es suficiente
para inducir la muerte de la célula vegetal por los TRO, pero puede ser capaz de inhibir el
crecimiento del patógeno. Es muy interesante que el NO tiene la capacidad de potenciar la
muerte de las células vegetales inducida por los TRO. Se sabe que el NO, se liga a los
radicales heme, y en consecuencia, puede inhibir la actividad de la catalasa y la ascorbato
oxidasa, las cuales detoxifican el H2O2. Sin embargo, parece que la molécula de NO, posee
también otros roles durante la defensa de la planta. En presencia de inhibidores de la
producción de NO, la RH disminuye, los síntomas de la enfermedad se vuelven más
severos, y se incrementa el crecimiento bacterial. Los hallazgos anteriores, indican que el
NO y los TRO, juegan un importante papel sinérgico en la rápida activación de un amplio
repertorio de respuestas de defensa, luego del ataque de un patógeno
Fortificación de las paredes celulares y respuestas de resistencia a las enfermedades
Con frecuencia, se forman diminutas papilas directamente entre los sitios en los cuales los
hongos biótrofos intentan penetrar la pared celular. Estas papilas, están formadas
primariamente de callosa [un polímero (1→3)β-glucano] y de lignina (un complejo fenólico
altamente complejo), que se piensa que actúan como barreras físicas que bloquean la
penetración de los hongos en las células vegetales. La deposición inducida de callosa dentro
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de los plasmodesmos, verosímilmente también bloquea el movimiento célula a célula de los
virus.
Las glicoproteínas extracelulares básicas ricas en hidroxiprolina (GECRHP), contribuyen a
la fortificación de la pared celular, en dos formas: (1) Las GECRHP preformadas, se
entrecruzan rápidamente con la matriz de la pared celular por la vía de la tirosina, en el
motivo PPPPY, reaccionando con el H2O2 inducido. (2) Más tarde, la síntesis de GECRHPs
de novo, inicia una polimerización adicional de lignina, para un reforzamiento posterior de
la pared celular.
Otra clase de proteínas extracelulares relacionadas con la defensa, son las proteínas
inhibidoras de la poligalacturonasa (PIPG), las cuales portan un motivo LRR, e inhiben una
subclase específica de enzimas de patógenos necrotróficos, que degradan la pared celular,
llamadas poligalacturonasas (PGs). Los PIPG, retardan posiblemente la función de las
PGs, lo cual da como resultado un incremento en la abundancia de oligogalacturónidos con
cadenas de más de ocho unidades de longitud, lo cual, a su vez, puede desencadenar
respuestas de defensa adicionales.
Participación de los ácidos benzóico (BA,) salicílico (SA) y jasmónico en las respuestas de
defensa de las plantas.
Los ácidos libres y glucósidos conjugados de los compuestos fenólicos BA y SA, se
acumulan en elevadas concentraciones en la vecindad inmediata de los sitios de infección
incompatibles. Tanto el BA, como el SA, se derivan de la ruta de los fenil propanoides, y
tienen muchos roles en las respuestas defensa de las plantas. El ácido jasmónico, (JA), es
una hormona similar a la oxilipina, que se deriva del ácido linolénico oxigenado. Cuando se
producen ataques de patógenos o insectos, se produce un incremento de JA que ocurre tanto
local como sistémicamente. La aspersión de metil-JA sobre las plantas, incrementa su
resistencia a algunos hongos necrotróficos como Alternaria brassicicola, pero no a los
hongos o bacterias biotróficos. Sin embargo, la protección inducida por el metil-JA, es
evidente sólo en genotipos de Arabidopsis que tienen una ruta funcional de transducción de
la señal JA.
79
Con frecuencia, el etileno se sintetiza, tanto durante interacciones incompatibles como
compatibles. Mediante el bloqueo de subiosíntesis o de la percepción en varios mutantes o
plantas transgénicas, los investigadores han encontrado que el etileno, en apariencia no es
necesario para las respuestas de defensa mediadas por varios genes R-Avr, como el caso de
la resistencia a Pseudomonas conferida por los genes RPM1 y RPS2 de Arabidopsis, y la
resistencia al TMV, mediada por el gene N del tabaco. Al contrario, cuando se elimina la
señal del etileno durante interacciones compatibles, la severidad de los síntomas cloróticos
y necróticos, se reducen fuertemente, y las plantas parecen más tolerantes a la enfermedad.
El etileno, se requiere para la resistencia contra los hongos
patógenos necrotróficos
habitantes del suelo que ordinariamente no son patógenos vegetales. Las plantas de tabaco
transformadas genéticamente para hacerlas insensibles al etileno, son susceptibles a varias
especies de Phytium, y los mutantes ein1 de Arabidopsis, son susceptibles a B. cinérea.
Otro papel probado para el etileno en la defensa, está en la combinación con la molécula
señal JA, ambas de las cuales se requieren para la activación de los genes del inhibidor de
proteinasa PI y ciertos genes de PR y quitinasa.
Los transcritos de numerosos genes PR, y relacionados con la defensa, se acumulan en
pocos minutos hasta horas luego del ataque de patógenos o de tratamientos con inductores.
Con frecuencia, los mismos genes se inducen también en interacciones compatibles, pero
mucho más débil y lentamente. Algunas proteínas RP son quitinasas y glucanasas, enzimas
que degradan los polisacáridos estructurales de las paredes fungosas, y probablemente,
reducen el crecimiento de los hongos. Las cascadas de transducción de señales mediadas
por el SA, regulan la activación de la transcripción de muchos genes RP. También se ha
demostrado que el etileno y el SA, actúan sinérgicamente, para incrementar la expresión de
los genes RP. Otras proteínas RP de defensa, tales como la lipo-oxigenasa, pueden
contribuir a la defensa, generando moléculas señal secundarias
tales como el JA y
peróxidos lípidos, o mediante la producción de un arreglo de metabolitos secundarios
tóxicos y no tóxicos, con fuerte actividad antimicrobial, por ejemplo el trans-2 hexenal, un
compuesto que puede inhibir el crecimiento de bacteris como Pseudomonas, e induce un
subconjunto específico de genes de defensa relacionados.
80
Las defensinas vegetales, son un tercer tipo de genes relacionados con la defensa, con
actividad antimicrobial demostrada. Esta familia de péptidos básicos ricos en cisteína, con
masas moleculares inferiores a los 7 kDa, es de particular interés por dos razones: (1) La
ruta de señalización que controla las defensinas vegetales en tejidos vegetativos, es
mediada por el etileno y el JA, pero no por el SA. (2)Los insectos, los mamíferos y las
aves, producen defensinas peptídicas, estructural y funcionalmente similares, después de
los ataques microbianos. Por ejemplo, la mosca del vinagre Drosophila melanogaster,
produce un péptido llamado drosomicina, con alta homología con las defensinas vegetales
del rábano. Ambos péptidos poseen una potente actividad antifungosa. Esta conservada
relación estructural y funcional, sugiere la existencia de una antigua y conservada estrategia
que involucra la producción de péptidos de defensa en respuesta al ataque microbiano.
La coordinación de la jerarquía temporal y espacial para la activación transcripcional de
genes de defensa específicos, es una parte importante de la respuesta de resistencia
inducible. Algunos factores de transcripción que activan las defensas, parecen ser únicos de
las plantas, pero otros, tienen sus homólogos en los mamíferos.
Las fitoalexinas
Son compuestos antimicrobiales lipofílicos de baja masa molecular, que se acumulan
rápidamente en los sitios de infección patogénica incompatible. La biosíntesis de las
fitoalexinas, sucede, sólo luego de que los precursores metabólicos primarios son desviados
dentro de una nueva ruta metabólica secundaria. Por ejemplo, la fenil alanina se desvía
hacia la síntesis de varias fitoalexinas de tipo flavonoide, mediante la síntesis de novo de la
fenilalanina amoníaco liasa (PAL), enzima que controla un punto clave de ramificación de
la ruta biosintética de los fenil propanoides. Sin embargo, la síntesis de la mayoría de las
fitoalexinas, requiere de las actividades de numerosas enzimas biosintéticas, y en
consecuencia, necesita de eventos de transducción de señales altamente coordinados.
Parece que una forma como las plantas han logrado esta coordinación, es mediante el uso
de una secuencia de ADN dentro del promotor de cada gene, que codifica una enzima que
se requiere para la síntesis de fitoalexinas.
81
Aunque fueron descubiertas hacia 1940, el papel exacto para la mayoría de las fitoalexinas,
aún no ha sido determinado, excepto para la camalexina, una fitoalexina de Arabidopsis, y
el resveratrol, una fitoalexina de la vid Vitis spp.
Inhibidores de proteinasas(IP)
El ataque de insectos herbívoros, activa la síntesis de otro grupo de proteínas de defensa
pequeñas que interfieren con el sistema digestivo de los insectos. Estos péptidos vegetales
inhiben las proteinasas, (incluyendo las serina, cisteína y aspartil proteinasas) en el intestino
de los herbívoros, y en consecuencia, afectan adversamente la proteólisis de los alimentos
ingeridos. Al reducir la accesibilidad de los aminoácidos esenciales, estos IP, pueden
retardar el desarrollo de los herbívoros e incluso matarlos. El proceso alimenticio de los
nematodos, también puede inducir la acumulación de IPs, con resultados adversos similares
sobre la plaga.
Las respuestas de defensa altamente localizadas y complejas de las plantas, son
coordinadas por rutas de señalización paralelas
Los aspectos más sobresalientes de la activación de la defensa en las plantas, pueden ser:
1. Se requieren sólo minutos para que cada célula vegetal se desvíe desde el
metabolismo basal, hacia una multitud de rutas de defensa del metabolismo
intermediario, y para activar nuevos genes y enzimas de defensa.
2.
Cada compartimento celular, se emplea en la defensa.
3. Los reguladores celulares son variados, incluyendo los canales iónicos, los eventos
de fosforilación/defosforilación, y la síntesis de novo de numerosas moléculas de
señalización, incluyendo el H2O2, el NO, el etileno y el JA.
4. Existen sinergias, antagonismos y bucles de retroalimentación positiva y negativa,
tanto dentro como entre rutas de señalización, para crear una red compleja que
asegure una estrecha coordinación de la eventual respuesta de defensa.
5. Durante la resistencia no inducida por el hospedero en la defensa mediada por R-Avr
, se activan mecanismos similares, en respuesta a inductores derivados del patógeno.
82
6. El repertorio de respuestas de defensa activadas, usualmente no es específico para las
especies de microbios.
7. Los mecanismos específicos de protección celular, se activan simultáneamente, y
acompañan a la respuesta de defensa, para minimizar el daño a las células
hospederas.
8. La red de transducción de señales de la planta, puede entrecruzarse con otras rutas
vegetales de respuesta al estrés.
9.
Muchos de los reguladores claves de la defensa en cada célula vegetal, exhiben
homología con los utilizados para la coordinación de la defensa en las poblaciones
celulares asociadas al sitio de ataque en los vertebrados.
Respuestas sistémicas de defensa en las plantas
Las respuestas vegetales de defensa, se activan localmente dentro de un lapso de minutos
luego del ataque. En lapsos de horas, también se desarrollan a veces respuestas de defensa
en tejidos alejados del sitio de invasión, y aún en las plantas vecinas. Sin embargo, el tipo
de respuesta sistémica inducida, está determinado por la identidad del organismo atacante.
Las respuestas sistémicas inducidas a hongos, bacterias y virus, son distintas de las
respuestas a insectos, y los nematodos parecen inducir una mezcla de los dos, y aún, otro
tipo de respuestas son las inducidas por bacterias no patogénicas colonizadoras de la raíz.
El significado adaptativo de la inducción y coordinación de estas diferentes respuestas
sistémicas, es grande. Su variedad asegura que la planta esté preparada, y en consecuencia,
pueda responder más efectivamente a posteriores ataques de patógenos.
Inducción de la resistencia sistémica adquirida
Los hongos, bacterias y virus, activan sistémicamente, un subconjunto de genes tipo RP,
mediante un mecanismo conocido como resistencia sistémica adquirida (RSA). Para que
ocurra la RSA, la infección inicial debe dar como resultado la formación de lesiones
necróticas, ya sea como parte de la RH, o como síntoma de la enfermedad. La activación de
la RSA, conduce a una marcada reducción en los síntomas de la enfermedad, luego de la
83
infección por muchas diferentes especies de patógenos. En tabaco, por ejemplo, la
resistencia contra el TMV, mediada por el gene N, protege a la planta contra una infección
posterior por una cepa idéntica de TMV, y contra una buena parte de otros patógenos del
tabaco probados, de esta forma, la RSA, convierte las interacciones planta / patógeno de
otra manera compatibles, en incompatibles.
Respuesta sistémica vegetal al ataque de insectos
Los insectos herbívoros masticadores, hieren mecánicamente al tejido vegetal mientras se
alimentan, induciendo una rápida acumulación de IPs, y otras proteínas de defensa
sistémica a las heridas, en toda la planta, la defensa sistémica contra los insectos, se conoce
como respuesta a las heridas, debido a que se desencadenan eventos moleculares y
bioquímicos idénticos, luego de que el tejido vegetal es es herido mecánicamente. Aunque
se liberan altas concentraciones de oligogalacturónidos desde las paredes de las células
dañadas, que inducen la expresión de genes de IP y de proteínas de defensa sistémica
localmente, estos no se desplazan sistémicamente. En su lugar, se libera desde las células
dañadas, un polipéptido de 18 aminoácidos llamado sistemina, que induce la expresión de
los genes IP y de las proteínas de defensa sistémica, a una concentración de 10-6 veces, la
requerida para la inducción de los oligo-galacturónidos, y se transporta por el floema desde
las células dañadashacia las hojas superiores o aún no heridas, en un lapso de 60 a 90
minutos.
Una vez la sistemina alcanza su tejido objetivo, activa una cascada de señales lipídicas,
que produce JA. Entonces, el JA induce la activación de la transcripción de los genes de
IPs y de las proteínas de defensa sistémica. Sin embargo, la inducción de los genes de IP,
requiere de una tercera molécula señal, el etileno. El etileno se acumula transitoriamente en
un lapso entre 30 y 120 minutos luego de la adición de la sistemina hacia el torrente
translocatorio. Sin embargo, cuando se bloquea la síntesis
del etileno, sea
farmacológicamente o mediante genética inversa en plantas transgénicas que expresan una
ACC oxidasa antisentido, ni las heridas, ni la sistemina, ni el JA solos, pueden inducir la
expresión de los genes de IP.
84
Figura XXX. Efecto de la liberación de sistemina desde los tejidos heridos por
herbívoros, sobre la respuesta de defensa de los vegetales
La resistencia sistémica, puede ser inducida por bacterias no patogénicas del
tiporhizobacteria colonizadoras de la raíz, que promueven un crecimiento vegetal
específico, por ejemplo, unas cepas de P. fluorescens, inducen una respuesta de resistencia
sistémica a partir de tejido radical colonizado, que no depende de la acumulación de SA o
de proteínas de resistencia. En lugar, la resistencia sistémica inducida, requiere de la
señalizacióntanto de JA, como de etileno.
Control del daño producido por insectos fitófagos, mediante la expresión de las toxinas del
Bacillus thuringiensis
Desde los años de 1930, se han asperjado cultivos comerciales con numerosas toxinas
relacionadas, producidas por diferentes subespecies de Bacillus thuringiensis(BT), para
controlar especies de insectos coleópteros y lepidópteros. Cuando las toxinas del BT, son
ingeridas por un insecto, producen huecos en las membranas de las células de su tracto
digestivo, lo cual les produce rápidamente la muerte. Las toxinas BT, han sido atractivas
para la ingeniería genética de plantas, porque cada proteína afecta únicamente unas muy
pocas especies de insectos, y se ha demostrado que la toxina aporta un control estable de
los insectos en los cultivos. Se ha logrado una alta producción de proteínas BT, en vivo,
mediante el diseño de genes BT que utilizan preferentemente los codones de la planta más
que los de la bacteria. El grado de control de insectos alcanzable por la expresión
transgénica, es notable. En 1996, se liberaron las primeras semillas transgénicas de algodón
y maíz BT, y se introdujeron en la producción comercial en USA, y fueron seguidas por la
85
papa transgénica en 1997. La introducción de estos cultivos transgénicos BT, ha traído
como consecuencia una reducción sustancial en el uso de insecticidas químicos, y un
incremento asociado, de la diversidad de las poblaciones de insectos nativos en las áreas
predominantemente agrícolas. Sin embargo, el enfoque transgénico con BT para el control
de insectos, debe ser entre mezclado con el despliegue de transgenes adicionales de control
de insectos que tengan su propio y único modo de acción, y con enfoques de control
integrado de plagas, que incluyan la provisión de plantas hospederas sensibles, como
refugio de insectos para minimizar la probabilidad de que los insectos desarrollen
resistencia a las toxinas BT.
La resistencia a las enfermedades, también puede ser objeto del enfoque de ingeniería
genética, mediante la expresión de nuevas secuencias genéticas. Un desarrollo
completamente nuevo en la ingeniería genética de la resistencia a los virus, se obtiene a
partir de la sobre-expresión de genes no vegetales ni derivados de patógenos. Por ejemplo,
un transgene que codifica para una cadena individual de un anticuerpo que reconoce un
epítope estructuralmente importante de la cubierta proteínica de un virus, ha aportado
excelente protección contra ataques virales.
La lucha por los nutrimentos y por la vida, se observa entodos los procesos de la naturaleza,
e incluso los microorganismos compiten unos con otros. Durante los primeros años de la
década de 1980, los profesores Tim Anke y Wolfgang Steglich, decubrieron que el hongo
de los bosques denominado “hongo de los conos del pino” Strobilurus tenacellus(Pers.)
Singer, produce una sustancia fungicida que él utiliza para defenderse contra otros hongos
durante la competencia por nutrimentos. Esta sustancia, denominada Strobirulina A, mostró
notables efectos biológicos en las pruebas de laboratorio, siendo efectiva contra casi todos
los hongos probados, pero el reto posterior era cómo transformar la Strobirulina Aen un
agente protector de los cultivos ya que su eficacia durante las pruebas con plantas
infectadas por hongos era escasa dado que la molécula natural es muy sensible a la luz y al
oxígeno. En 1983, los químicos de síntesis de BASF lograron modificar la molécula de
modo que en adelante no fuera inestable, y lograron sintetizar más de 15000 variantes del
ingrediente original que fueron probadas para su viabilidad como fungicidas. En 1996,
Luego de 13 años de investigación y desarrollo, BASF liberó al mercado los primeros
fungicidas de esta nueva clase de ingredientes activos. La primera sustancia aprobada de
86
esta clase fue el kresoxim metilo, ingrediente activo que aplicado en cantidades pequeñas,
confiere protección a cereales, frutos, vid y hortalizas contra el mildeo, escamas y otras
enfermedades fungosas. Ambientalmente seguro, el kresoxim metilo controla los hongos
patogénicos sobre la superficie de las hojas. Tanto en el tejido mismo como en el suelo y el
agua, el ingrediente activo se rompe y libera un ácido biológicamente inactivo. El
ingrediente activo no constituye riesgo para las especies benéficas como abejas, lombrices
de tierra, escarabajos y ácaros predadores. Entre los nuevos productos liberados al mercado
con ingredientes activos derivados de la estrobirulina, se encuentra el F500, con
propiedades que difieren de las del kresoxim metilo.
Pyraclostrobin es el nombre provisional aprobado por la ISO para el metilN-{2-[1-(4clorofenil)-1H-pirazol-3-oximetil]fenil}(N-metoxi)carbamato, uno de los miembros del
grupo de fungicidas sintéticos llamado estrobirulinas derivados de una sustancia
antifungosa natural que actúa mediante la inhibición de la respiración mitocondrial luego
del bloqueo del transporte electrónico de la cadena respiratoria en el citocromo b, lo cual
ocasiona la interrupción severa de importantes procesos bioquímicos que ocasionan la
detención del crecimiento fungoso. La piraclostrobina y sus dos productos terminales
asociados Headline EC y Cabrio EG han sido registrados por BASF, siendo Headline EC
un fungicida de amplio espectro para uso en cereales, leguminosas, papa, remolacha
azucarera y pastos productores de semilla, mientras que Cabrio EG es un fungicida de
amplio espectro para ser utilizado en el grupo de las bayas, bulbos, raíces y hortalizas
87
fructificantes, cucúrbitas, vid y fresa. El efecto protector y curativo/erradicante de la
piraclostrobina, se debe a que inhibe la germinación de las esporas e inhibe el crecimiento y
esporulación del micelio de los hongos sobre las superficies foliares.
Las estrobirulinas son un grupo de compuestos químicos utilizados en agricultura como
fungicidas. Forman parte de un grupo más grande de inhibidores de QOL (calidad de vida)
que actúan inhibiendo la cadena respiratoria a nivel del complejo III.Entre las strobirulinas
se cuentan la azoxystrobina, el kresoxim metilo, la picoxystrobina, la fluoxastrobina, la
dimoxistrobin, el pyraclostrobina y la trifloxistrobina.Estos compuestos, que representan un
importante desarrollo en el terreno de los fungicidas basados en hongos, fueron extraídos a
partir del micelio del hongo Strobilurus tenacellus (Pers.) Singer, raza 21602
(Basidiomycetaceae, Agaricomycetaceae, Agaricales, Marasmiaceae).
Tienen un efecto supresivo sobre hongos filamentosos y levaduras, reduciendo la
competencia por nutrimentos, y poseen un efecto antitumoral probado en células de la
forma ascítica del carcinoma de Erlich.Las strobirulinas inhiben la transferencia de
electrones en la mitocondria, interrumpiendo el metabolismo energético y bloqueando el
crecimiento del hongo objetivo.
Estructuras de las Strobilurinas
88
Strobilurin A
Strobilurin E
Strobilurin B
Strobilurin C
Strobilurin D
Strobilurin F
Strobilurin G
Strobilurin H
Azoxystrobin
Kresoxim methyl
Trifloxystrobin
Azoxystrobin
Kresoxim methyl
Trifloxystrobin
89
Strobilurin A
Strobilurin E
Strobilurin B
Strobilurin C
Strobilurin D
Strobilurin F
Strobilurin G
Strobilurin H
Azoxystrobin
Kresoxim methyl
Trifloxystrobin
Efectos fisiológicos
Las strobirulinas también pueden afectar el crecimiento vegetal mediante efectos
hormonales directos e indirectos. Probablemente el efecto mejor conocido es la reducción
de los síntomas de estrés luego de su aplicación. El estrés oxidativo causado por factores
ambientales y del desarrollo, da como resultado una producción de etileno que incrementa
la muerte celular. Aparentemente, este fenómeno es un ciclo auto-amplificador que puede
dar como resultado una senescencia prematura y manchado fisiológico foliar si no es
interrumpido. El krexosim y la piraclostrobina poseen gran habilidad para disminuir o
90
prevenir este proceso mediante la disminución de la producción de etileno que da como
resultado una retención del verde foliar durante más tiempo, probablemente asociado con
un efecto inductor de la síntesis de ácido salicílico que confiere resistencia a las
enfermedades y disminuye la tasa de producción de etileno, lo cual también retarda la
senescencia. El uso del pyraclostrobin también posee la habilidad para incrementar la
tolerancia vegetal al daño por ozono mediante el incremento en la síntesis de enzimas antioxidativas dentro de las células vegetales. Esto capacita a la planta para sobrellevar el
incremento en los niveles de compuestos de oxígeno reactivo en el interior de la hoja. Las
strobirulinas difieren fuertemente en términos de cualquiera de estos beneficios fisiológicos
individuales. Se ha demostrado que F500 exhibe elevados niveles de actividad en todos los
aspectos mencionados mediante de los efectos hormonales y metabólicos combinados
acoplados con una tolerancia mayor al estrés. Por otro lado, el metabolismo respiratorio
disminuye reduciendo la cantidad de energía utilizada para el mantenimiento, con lo cual
queda una mayor cantidad para el crecimiento. El kresoxim metilo incrementa la
asimilación del CO2 mediante el desplazamiento del punto de compensación de CO2 dentro
de la planta. También se ha demostrado que las strobirulinas mejoran la utilización del N,
utilizando una mayor proporción para alcanzar un mayor rendimiento, con lo cual, queda
una menor cantidad para el lavado potencial desde el suelo. En resumen, los fungicidas a
base de strobirulinas proveen un buen control de las enfermedades mediante una buena
persistencia del fungicida, y parte de los beneficios en rendimiento proceden de un rango de
efectos fisiológicos que contribuyen a que la planta permanezca verde durante un mayor
tiempo, y parte del beneficio proviene de las propiedades anti-estrés de la química de las
estrobirulinas. Queda por cuantificar si la tasa de retorno marginal debida a los efectos
fisiológicos sobre el rendimiento, es significativa económicamente.
En un ensayo semicomercial sobre papa Solanum andigenum CV Capiro en la localidad de
Tenjo (Cundinamarca, Colombia) situada a 4,7
N y
74°20´ W, con una temperatura
media anual de 13,1 °C y una precipitación anual de
tratamientos descritos en la tabla XXX y se cuantificaron:
1. Número y peso de tubérculos de calidad extra (cero)
2. Número y peso de tubérculos de primera
671 mm., se compararon Los
91
3. Número y peso de tubérculos de papa pareja
4. Número y peso de tubérculos de papa richie (de rechazo)
Tabla XXX
TRATAMIENTO
1
TESTIGO COMERCIAL
2
COMET
APLICADO
A
LA
DESYERBA,
APORQUE
FLORACIÓN+UN PRODUCTO DE OTRA CASA COMERCIAL
3
COMET DESYERBA, APORQUE Y FLORACIÓN+PRODUCTO BASF
4
COMET SIEMBRA, DESYERBA, APORQUE Y FLORACIÓN +
PRODUCTO DE OTRA CASA COMERCIAL
5
COMET A LA SIEMBRA, DESYERBA, APORQUE Y FLORACIÓN +
PRODUCTO BASF
La aplicación de pyraclostrobina (Comet F500) a la desyerba, el aporque y la floración del
cultivo de papa en Tenjo (Cundinamarca, Colombia),
incrementa significativamente
(p<0.05) tanto el número como el peso de tubérculos de calidad extra (cero) planta-1, en
comparación con el testigo comercial cultivado de acuerdo con las prácticas normales del
agricultor en la zona del ensayo. Por otro lado, se observa que cuando se aplica la
piraclostrobina en los momentos de desyerba, aporque y floración acompañado por el
producto de BASF, se obtiene diferencia significativa en comparación con el mismo
tratamiento pero acompañado por una estrobirulina producida por otra casa comercial
productora de agroquímicos, lo cual sugiere que la piraclostrobina contenida en el Comet
(F500) induce una mayor producción de tubérculos de calidad extra planta-1, hecho que
puede resultar en un mayor ingreso para el agricultor, si se tiene en cuenta que no se
observó diferencia significativa entre las medias de los tratamientos 3 y 4 tratamientos para
el peso de los tubérculos de calidad extra. En cuanto al número y peso de tubérculos de
primera y parejos, no se observa diferencia entre las medias de tratamientos. Sin embargo,
es notable que cuando se aplica Comet a la siembra, la desyerba, el aporque y la floración,
Y
92
acompañado por la estrobirulina mercadeada por otra casa productora, se observa un
incremento significativo del promedio del número de tubérculos de calidad de rechazo, en
comparación con los demás tratamientos, lo cual parece sugerir que la piraclostrobina
producida por la competencia actúa como un mensajero químico que modifica la expresión
del conjunto de genes asociados con la generación y activación de numerosas yemas con
baja capacidad de acumulación de fotoasimilados (amilosa y/o amilopectina). Los
anteriores resultados parecen indicar que la piraclostrobina asociada a Comet F500, ejerce
un efecto positivo sobre la calidad y el peso de los tubérculos de papa Solanum andigenum
cv Capiro, en comparación con la papa sembrada y cultivada de acuerdo con las prácticas
normales de los agricultores en Tenjo y en comparación con el efecto de la piraclostrobina
producida por otras casas comerciales.
EFECTO DE COMET SOBRE EL NUMERO DE TUBERCULOS
EN PAPA DIACOL CAPIRO EN TENJO (CUNDINAMARCA,COLOMBIA)
250
No TUBERCULOS
200
150
100
EFECTO DE COMET SOBRE EL PESO DE TUBERCULOS
POR CALIDADES EN PAPA DIACOL CAPIRO EN TENJO
(CUNDINAMARCA, COLOMBIA)
50
25
0
1
2
3
4
5
4
5
TRATAMIENTOS
20
Kg
15
10
5
0
1
2
3
TRATAMIENTO
93
EFECTO DE COMET SOBRE EL RENDIMIENTO
EN EL CULTIVO DE LA PAPA DIACOL CAPIRO
EN TENJO (CUNDINAMARCA, COLOMBIA)
60
50
ton ha-1
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
TRATAMIENTO
Rentabilidad
Tratamiento
1
2
3
4
5
Producción ton/ha Total US
Más ton/ha Diferencia Aumento en %
45
21176,5
47,68
22437,6
2,68
1261,2
48,7
22917,6
3,7
1741,2
50,3
23670,6
5,3
2494,1
51,7
24329,4
3152,9
3152,9
De acuerdo con el resultado anterior la aplicación de Comet en papa logra producir ingresos
superiores porcentualmente con respecto al testigo, del orden del 15% lo que se traduce en
un aumento en el ingreso de alrededor de 3000 U$, mientras que el incremento porcentual
con respecto al tratamiento 4 fue del 12% y representa una ganancia del orden de los 2500
US. Es notable que cuando se utiliza el Comet conjuntamente con productos del portafolio
BASF, se obtienen incrementos superiores al 8% con respecto al testigo comercial, y del
3% superiores a los tratamientos con productos de otras casas comerciales.
5%
8%
12%
15%
94
La historia abunda en ejemplos de graves disminuciones en el suministro alimentario,
ocasionadas por las enfermedades vegetales. Las pérdidas en el rendimiento, varían entre
cultivos y regiones, y su magnitud puede alcanzar entre el 10 y el 20 %. Sin embargo, bajo
condiciones favorables para el crecimiento de los hongos, el rendimiento puede ser
reducido aún más severamente, afectando la seguridad alimentaria y las condiciones de
vida de la población. La importancia del control de enfermedades, ha sido aceptada, al
menos desde la época de los Imperios griego y romano. A pesar de que las prácticas
desarrolladas para el control de ellas era más de tipo espiritual que práctico, estas prácticas
sentaron las bases para el posterior desarrollo de la tecnología de protección vegetal y para
la búsqueda de tecnologías más efectivas. Por ejemplo, desde esa época se sabía que
cuando se asperja azufre sobre los cereales, se los puede proteger contra algunas
enfermedades foliares, pero no se comprendían las causas de las enfermedades o las
razones subyacentes al éxito de tal tratamiento. Es notable que el empirismo inherente a tal
filosofía, aún se mantiene hoy día como un factor significativo en el descubrimiento de los
fungicidas.
Modo de acción y desempeño
El descubrimiento de nuevos modos de acción que aportan una actividad mejorada de los
fungicidas contra objetivos comercialmente importantes, combinado con la seguridad
ambiental y de salud pública aseguradas, es un punto crítico para salvaguardar la seguridad
alimentaria. Mancozeb es un viejo, pero principal ejemplo de un tóxico celular general con
la capacidad de ser fito-tóxico, pero que en la práctica es selectivo debido a su inhabilidad
para ser absorbido dentro de la planta. Por esta razón, el producto es confinado a la
superficie foliar, donde opera como protectante contra un amplio rango de hongos. El
Mancozeb se utiliza ampliamente como una herramienta establecida y barata.
Los fungicidas nuevos, deberán cumplir con la creciente presión reguladora para reducir las
tasas de aplicación, para rebajar su toxicidad para los organismos no objetivos, para
asegurar la seguridad ambiental, y para desarrollar una agricultura de bajas inversiones, lo
cual hace necesario el desarrollo de nuevos fungicidasque controlen la resistencia de los
95
micro-organismos a ellos. Estos criterios se interrelacionan, y son claves para la validación
de los nuevos modos de acción. Los fungicidas con una actividad específica sobre el
desarrollo de los hongos, pueden llenar más fácilmente los requerimientos de seguridad
ambiental y de reducidos riesgos de resistencia, que los que tienen un efecto más general
sobre el crecimiento fungoso. Las diferentes etapas del desarrollo fungoso se caracterizan
por eventos bioquímicos particulares. Los diferentes modos de acción específicos, pueden
separar los fungicidas en aquellos que controlan los patógenos antes de que penetren en el
hospedero, los que son efectivos durante la colonización, y los que operan solamente en las
etapas reproductivas finales del desarrollo. Los modos de acción que tienen como objetivo
los procesos más generales, tienen una actividad potencial contra todas las etapas del
crecimiento, pero carecen de selectividad hacia los cultivos, o poseen toxicología adversa.
Muchos fungicidas caen dentro de la primera categoría, y es muy interesante que en los
últimos años, se han anunciado 17 nuevos fungicidas en tan sólo una institución relacionada
con la protección de cultivos como la Conferencia de Brighton para la Protección de
Cultivos, y la mayoría de ellos poseen actividad específica contra las etapas prepenetrativas del desarrollo fungoso. Por ejemplo, en algunos hongos, la melanina es
importante en la expresión de la patogenicidad, razón por la cual se han desarrollado
inhibidores de la biosíntesis de melanina en las paredes de los apresorios, las estructuras a
partir de las cuales se efectúa la penetración de los hospederos. Estos apresorios, son un
requerimiento esencial y específico para la infección. Los mutantes de Pyricularia oryzae
(Magnapothe grisea) que carecen de la habilidad de producir melanina, son incapaces de
infectar el tejido foliar del arroz. Las etapas finales del desarrollo fungoso, son
independientes de la biosíntesis de melanina, y los fungicidas con este modo de acción,
tienen un uso restringido como protectantes. El nuevo fungicida contra la piricularia del
arroz, la carpropamida, es inefectivo in vitro, como no sea para producir cambios de color
en el micelio del hongo. El compuesto inhibe la ruta de la biosíntesis de la melanina en los
dos pasos de dehidroxilación responsables de la conversión de la conversión de la scilatona
a 1,3,8-tetrahidroxinaftaleno, y de la vermelona a 1,8di-hidroxinaftaleno. Este modo de
acción, es diferente del que ha sido establecido para los inhibidores de la biosíntesis de
melanina, los cuales inhiben la formación de la escytalona y la vermelona. La regulación de
96
la formación del apresorio, puede, sin embargo, ser obtenida mediante otras vías diferentes
a la de la inhibición de la biosíntesis de la melanina.
El quinoxifeno, cuyo modo de acción es desconocido, es uno de los nuevos fungicidas
protectantes más intrigantes. Tiene actividad específica contra los mildeos polvosos y
también previene la formación de apresorios y la penetración de los hospederos. La
completa carencia de actividad erradicante, y la falla para inhibir el crecimiento micelial
in vitro, de un amplio rango de hongos, sugiere que el sitio objetivo es único en las etapas
tempranas del desarrollo. En la práctica, el compuesto es efectivo en tasas bajas de
aplicación, y es móvil en la fase de vapor, proporcionando niveles de control a largo
término. Se han identificado aislamientos resistentes, pero su capacidad de esporular es
muy baja. Se piensa que la competencia con la pequeña reserva de mildeos establecidos que
permanecen sin ser afectados por el tratamiento, da como resultado el mantenimiento de
una población de tipo silvestre suficiente para asegurar un bajo riesgo de resistencia. El
quinoxyfeno también es un excelente ejemplo del lapso que transcurre con frecuencia, entre
la introducción de un producto y la definición de su modo de acción. Una condición similar
ocurre en el caso de las anilinopirimidinas, y ambos son la evidencia de la potencia del
empirismo que participa en tales descubrimientos. Los fungicidas que inhiben la
germinación de las esporas, el desarrollo del tubo germinal y/o la penetración del
hospedero, pueden ajustarse a la mayoría de los criterios de comportamiento propuestos
para los nuevos fungicidas. Debido a la alta especificidad de los sitios objetivo en los
cultivos y en las colonias fungosas establecidas, la comprensión de su modo de acción
sigue siendo un desafío. En términos del manejo de la resistencia, los productos activos
contra pasos específicos en la etapa pre-infectiva del desafío fungoso, puede ser menos
verosímil encontrar resistencia a corto término que con los erradicantes, ya que al menos un
elemento de la población fungosa sobrevive al tratamiento, y la presión de selección es
baja. Sin embargo, la situación no es clara. Las strobirulinas son protectantes efectivos,
pero encuentran resistencia rápidamente. Claro que otros modos de acción que apuntan
hacia diferentes etapas del desarrollo, son activos incluso contra eventos metabólicosque
continúan produciendo compuestos importantes. Los inhibidores de la biosíntesis de
esteroles (IBE), son activos contra la biosíntesis del ergosterol, un componente fundamental
del desarrollo de las membranas celulares en todos los hongos, con excepción de los
97
Ficomicetos. Su actividad es la base de de su amplio espectro de uso, y debido a que
muchos IBE son móviles dentro de la planta, ellos pueden controlar muchas etapas del
desarrollo fungoso, y poseen usos erradicantes y protectantes. A altas tasas de aplicación,
algunos IBEs inducen respuestas del hospedero como retardo de su crecimiento, pero este
grupo tiene la más amplia utilidad entre los fungicidas, y luego de más de 30 años de su
descubrimiento,, aún comanda el 20% del mercado global. En forma similar, las
strobirulinas, son productos con amplio espectro, gracias a las virtudes de su modo de
acción a nivel de la transferencia electrónica mitocondrial en el complejo III, pero en la
práctica sus niveles de comportamiento caen dentro de una clase nueva y creciente de
protectantes de larga duración.
Configuración estructural
En la naturaleza, los procesos bioquímicos son sensibles a la configuración de moléculas
bioactivas tales como los fungicidas. Mientras que la simetría molecular no es un factor de
necesidad absoluta en muchas reacciones, el estereoisomerismo es importante donde se han
utilizado mezclas de fungicidas conformadas alrededor de uno o más átomos asimétricos o
centros quirales. Estos enantiómeros pueden diferir en sus diferentes actividades, y el
menos activo puede ser eliminado. El metalaxyl, es una acil-alanina de uso específico
contra los Peronosporales que fue lanzado en 1977 como una mezcla de dos enantiómeros
en partes iguales.
La búsqueda de nuevos modos de acción
Los niveles actuales de comprensión de los síndromes de las enfermedades, en términos de
conocimiento bioquímico de la acción fúngica y de la respuesta vegetal, no posibilitan el
diseño de fungicidas específicos. Sin embargo, el control de las enfermedades vegetales
mediante organismos completos, continúa siendo una alternativa atractiva frente al uso de
la química sintética. Las fuentes más lucrativas son de los géneros Pseudomonas,
Burkholderia y Bacillus(ejemplo, Bacillus subtilis). Se sabe que al menos nueve hongos
como el Ampelomyces quisqualis, poseen actividad potencialmente útil. El número de
agentes biológicamente activos viene en aumento. En algunas situaciones como en el caso
98
del control de las enfermedades habitantes usuales del suelo, la química convencional no es
efectiva, y los antagonistas biológicos pueden ofrecer una posible solución. Además, el uso
creciente de métodos integrados de protección de cultivos puede incentivar un mayor uso
de organismos completos para controlar las enfermedades, especialmente en combinación
con fungicidas sintéticos, para reducir el riesgo de generación de resistencia, pero todavía
no existen productos de este tipo que tengan un impacto comercial significativo.
En los últimos 50 años, han sido comercializados solamente 24 productos naturales
fungicidas (8 químicos, 16 microorganismos). Los productos comerciales incluyen las
polioxinas, la blasticidina S, la kasugamicina, la mildiomicina, y la validamicina, y la
mayor parte son producidos por fermentación de Streptomyces spp. Todos poseen modos de
acción específicos, y desde su introducción en los años de 1960 y 1970, la resistencia a
ellos se ha difundido ampliamente. Un punto de partida de esta línea, es el sorafeno A, el
cual ha sido aislado a partir del Sorangium cellulosum, que tiene actividad contra los
oomicetos mediante de la inhibición de la acetil-CoA carboxilasa. El futuro para los
productos naturales fungicidas puede ser promisorio pues la mayor parte del mundo
microbiano todavía permanece sin caracterizar, y aún pueden ser fuentes de novedad
microbiológica como por ejemplo, lugares tan desconocidos para la humanidad como las
profundidades abisales.
Química derivada
Los organismos bioactivos operan mediante la competencia con otros micro-organismos en
la rizósfera y el filoplan. La base para la ventaja competitiva se origina a partir de la
producción de
potentes metabolitos antifúngicos, muchos de los cuales ya han sido
caracterizados, y algunos de los cuales han inspirado la síntesis fungicidas altamente
exitosos.
Las strobilurinas imitan a los compuestos strobilurina A y oudemansina A, productos
naturales con actividad débil y transitoria contra una amplia variedad de hongos. Los
programas de síntesis para estabilizar la molécula e incrementar su actividad,
condujeron a la kresoxim metilo y a la azoxystrobina, los primeros ejemplos de este
nuevo grupo de fungicidas. Las strobirulinas inhiben la transferencia de electrones en
99
el complejo III de la cadena mitocondrial de transporte electrónico. Su
comportamiento en el campo se inclina predominantemente hacia la protectancia, con
actividad contra las etapas pre-penetrativas del desarrollo de la mayoría de los
hongos comercialmente importantes, y lo que es muy importante, incorporan un
fuerte elemento de eficacia a largo plazo. La redistribución en el cultivo se ejecuta por
la vía de movimientos sistémicos y un mecanismo de característico de absorción y
desorbción desde las superficies cerosas cuticulares, mediado por la fase de vapor.
El metabolito intermediario pirrol-nitrina obtenido a partir de cultivos de
Pseudomonas pyrocinia, es inestable en presencia de luz UV, y aunque tiene actividad
fungicida, no es adecuado como producto comercial. La síntesis dirigida, produce el
fenpiclonilo, que es pobremente sistémico, y el fludioxonilo que no es sistémico, pero
tiene un amplio espectro fungicida y actividad sistémica contra muchos hongos, la
excepción de los ficomicetos, y se usa en el tratamiento de semillas.
Resistencia inducida
La resistencia inducida o resistencia sistémica adquirida (RSA), describe las
respuestas de defensa no fitotóxicas y no específicas en el tejido vegetal, que se
desencadenan a distancia del sitio de infección. El proceso es diferente del de
producción de fitoalexinas, el cual está estrechamente asociado con el sitio de
infección. Este fenómeno está bien documentado pero pobremente comprendido, y se
fundamenta sobre la inducción de la síntesis de proteínas antifúngicas, por moléculas
señal a larga distancia tales como el SA. La utilización de este fenómeno en el control
de enfermedades tiene la ventaja potencial de aportar protección de amplio espectro y
larga duración con bajos riesgos de resistencia lo cual es intrínsecamente menos
problemático para el ambiente que la tecnología convencional. Caracrerísticamente,
los inductores de RSA, permanecen inactivos in vitro, pero poseen una amplia
actividad protectante in vivo. En la práctica, el acibenzolar, que es un benzotiadiazol
100
altamente móvil y un conocido inductor de RSA, desencadena la actividad contra
hongos, bacterias y virus, y en muchos casos aporta un control útil, pero posee
fitotoxicidad, muy verosímilmente bajo la forma de la reducción del rendimiento
potencial. El potencial práctico de la RSA no está muy claro, y el único producto esta
clase significativo comercialmente es elprobenazol, que opera mediante la inducción
de la síntesis de fungitoxinas tales como el ácido α-linoléico y de muchas enzimas que
incluyen la fenilalanina amoníaco liasa (PAL), y la peroxidasa, y tiene uso específico
contra Piricularia oryzae.
Genómica
La identificación de los genes que gobiernan los procesos bioquímicos o fisiológicos
específicos, proporciona un medio para controlar directamente tales procesos,
mediante la ingeniería genética, o indirectamente mediante la descripción de las rutas
bioquímicas y la identificación de sitios potenciales de inhibición mediante fungicidas
sintéticos. Los procesos bioquímicos seleccionados, podrían ser esenciales para el
crecimiento de los hongos, y peculiares a ellos. Estos se requieren posteriormente
para el desarrollo de nuevos fungicidas, mientras que los mecanismos naturales de
defensa, son de interés para los cultivos modificados genéticamente resistentes a las
enfermedades.
En un experimento con trigo de invierno realizado en un suelo arcillo-arenoso, se
compararon los efectos de un triazol, una estrobilurina y una oxazolidinadiona, aplicadas al
momento de la emergencia de la hoja bandera y la espiga. Los efectos de los fungicidas
sobre el control de Septoria tritici y Puccinia striiformis, también se reflejaron en una
mayor duración del area foliar de la hoja bandera. Los granos apicales de la espiga
alcanzaron un menor contenido de agua que los granos medianeros. El contenido máximo
de agua, es influenciado positivamente por los fungicidas cuando se logre un control de
enfermedades significativo, antes de que el peso máximo de los granos se alcance.
101
Se estudió el impacto de dos fungicidas, la azoxystrobina y el epoxiconazolsobre el proceso
de senescencia del trigo de primavera Triticum aestivum bajo condiciones de invernadero.
El proceso de senescencia, puede ser evidenciado por la disminución en el contenido foliar
de proteína total y el incremento en el escape de electrolitos desde el tejido foliar. Los
cambios en estos dos factores asociados con la senescencia, coinciden con un incremento
en el nivel de superóxido (O.-2), y una disminución de la actividad de la enzima
antioxidante superóxido dismutasa (SOD).El proceso de senescencia se retarda
significativamente por la aplicación de la azoxistrobina y el epoxiconazol, los cuales
inducen un incremento en la actividad total de la SOD, y la reducción de los niveles de O.-2,
particularmente en las etapas maduras del crecimiento
La actividad de la peroxidasa en las hojas bandera de las plantas tratadas con los fungicidas
se incrementa hasta dos y tres veces más que en las hojas bandera de las plantas no
tratadas. Adicionalmente, los niveles de H2O2 se incrementan significativamente en las
plantas tratadas con los fungicidas. El incremento de O.-2 inducido por la aplicación de
paraquat, en las etapas finales del crecimiento, se retarda por la aplicación de la
azoxistrobina y el epoxiconazol. Estos resultados sugieren que el retraso de la senescencia
inducido por estos fungicidas, se debe a su acción anti-oxidante. En las etapas finales del
crecimiento, tanto la azoxistrobina como el epoxiconazol, producen efectos similares sobre
el retraso de la senescencia, pero la azoxistrobina es más eficiente cuando se aplica en
etapas tempranas del crecimiento. Estos resultados sugieren que el retraso de la senescencia
inducido por estos fungicidas, se debe al incremento en el potencial anti-oxidativo que
protege a las plantas de los efectos dañinos de las especies activas del oxígeno. Así, la
reducción del etileno, puede no ser el mecanismo primario mediante el cual las
estrobilurilinas o los triazoles interfieren con el proceso de senescencia, como se ha
sugerido anteriormente, pero puede ser la consecuencia de la reducción del estrés oxidativo
en los tejidos vegetales. Es posible que los elevados niveles de H2O2, jueguen un papel
clave como segundos mensajeros para la inducción de la expresión de genes antioxidantes
en las plantas tratadas con tales fungicidas.
Los fungicidas de la clase de las strobirulinas, pertenecen a una variedad de compuestos
sintéticos protectores de las plantas, con un amplio espectro de actividad anti-fungosa. Se
ha demostrado que el fungicida F500, que contiene la strobirulina piraclostrobina,
102
incrementa la respuesta del tabaco Nicotiana tabacum, contra la infección, sea del virus del
mosaico del tabaco (TMV), o sea del patógeno Pseudomonassyringae pv tabaci. que
produce la quemazón del tabaco. El F500, también es efectivo para incrementar la
resistencia al TMV en el tabaco transgénico para el gene NahG, cuyas plantas no pueden
acumular cantidades significativas del SA, que es el inductor endógeno de la resistencia
incrementada a las enfermedades. Estos hallazgos sugieren que el F500 incrementa la
resistencia al TMVen el tabaco, sea siguiendo la corriente del SA en su mecanismo de
señalización, o sea funcionando independientemente del SA. Esta última suposición es más
verosímil porque en las hojas infiltradas con F500, no se produce la acumulación de
proteínas relacionadas con la inducción de la patogénesis, las cuales con frecuencia se
utilizan como marcadores moleculares de la resistencia a las enfermedades inducida por el
SA. Estos resultados sugieren que el F500, además de ejercer una actividad antifungosa
directa, también puede proteger a las plantas, preparándolas para una activación potenciada
de las respuestas celulares de defensa inducidas luego de la infección patogénica.
Se estudiaron los efectos de la azoxistrobina y el tebuconazol sobre Dydimelia exitialis y la
senescencia y rendimiento del trigo con diferentes grados de sintomatología de la
enfermedad durante tres etapas del crecimiento. Los fungicidas se aplicaron entre la
emergencia de la hoja bandera y la antesis. Ambos fungicidas reducen el área de las hojas
bandera envejecidas, y aumentan la tasa de retención del área foliar verde.
Análisis del crecimiento de las plantas
Los conocimientos de uso práctico en agricultura, se basan esencialmente en las relaciones
entre el rendimiento del cultivo y las variaciones en el ambiente, especialmente las
variaciones que se pueden inducir mediante el cambio en los procedimientos de cultivo o en
los factores internos de la planta, modificables mediante el uso del fitomejoramiento. Estos
conocimientos, se derivan parcialmente de la experiencia acumulada por los agricultores,
ampliada y precisada mediante la experimentación científica de campo. Tales relaciones
empíricas describen la conexión entre los puntos terminales de una larga cadena de
procesos interdependientes entre el ambiente y la planta. En un sentido amplio, el objeto de
la investigación agronómica es obtener información acerca de todos los eslabones de esa
cadena. Para lograr esto, es necesario investigar en primer lugar en el ambiente para
103
identificar y estudiar las formas de control y la intensidad de los factores que afectan el
crecimiento de la planta. En segundo lugar, es necesario estudiar los procesos del
crecimiento de la planta y su efecto sobre el rendimiento. En general, se puede observar que
se ha dedicado mayor esfuerzo y atención al estudio del primer aspecto de la relación
rendimiento-ambiente que al segundo.
La variación del rendimiento como función del crecimiento y la diferenciación de las
plantas del cultivo, es un problema complejo. Esta complejidad tiene que ver con los
efectos de los factores externos sobre todos los procesos fisiológicos resultados de la
expresión de la carga genética del vegetal. La investigación en Fisiología Vegetal ha
producido una gran cantidad de información acerca de muchos de estos procesos, pero su
aplicación en la interpretación de los resultados de campo es compleja, debido a que hay
aspectos de los procesos del crecimiento de la planta que no están todavía muy bien
comprendidos. La producción de cultivos tiene que ver con la integración de todos los
factores que participan en el desarrollo de la planta, lo cual es, con bastante frecuencia,
deficiente o ausente.
El material vegetal que se usa en el laboratorio puede consistir de tejidos u órganos
separados de la planta, y las medidas pueden ser realizadas en períodos de tiempo cortos y
en condiciones que pueden caer fuera del rango encontrado normalmente en el campo. Por
tal razón, la aplicación de los resultados de investigación fisiológica de laboratorio a los
problemas de campo implica extrapolaciones forzadas que pueden conducir a conclusiones
incorrectas. Teóricamente puede ser posible predecir cómo puede variar el rendimiento en
función de la magnitud de las variables ambientales si se conocen sus efectos sobre los
procesos individuales o en órganos separados de la planta, pero la Fisiología Vegetal no
posee el conocimiento ni tan extenso ni tan detallado sobre tales procesos individuales.
Para comprender las bases fisiológicas de la variación en el rendimiento de las plantas de
cultivo, es necesario complementar los estudios de laboratorio con las observaciones
directas de los cultivos en condiciones de campo, midiendo los cambios simultáneos que
suceden a través del período de crecimiento en tantas variables como sea posible, y
seleccionando especialmente aquellas características que sean susceptibles de una
interpretación fisiológica simple.
104
El proceso de desarrollo de las plantas es enormemente complejo, pero a pesar de esta
complejidad, para comprender los mecanismos implicados en la productividad de los
cultivos, es necesario obtener la información necesaria. Es posible obtener tal información
en dos sentidos: A partir del proceso de diferenciación y órganogénesis (información que es
principalmente cualitativa), y a partir del proceso de crecimiento (información que es
principalmente cuantitativa).
El crecimiento de un individuo o grupo de individuos dentro de una población,
representado gráficamente como aumento del peso en función del tiempo, se puede
describir generalmente mediante una curva sigmoidea con dos asíntotas y un punto de
inflexión. La asíntota ascendente resulta de la fuerza de aceleración debida al proceso de
multiplicación y aumento del tamaño celular. La segunda asíntota alcanza su máximo
cuando el crecimiento es limitado por factores inhibidores, principalmente la falta de
disponibilidad de nutrientes, y la competencia por agua, luz, etc., razón por la cual, a esta
fase de la curva se la denomina fase de auto-inhibición. El punto de inflexión representa el
momento en que finaliza la auto-aceleración y empieza la auto-inhibición, por consiguiente
es el punto donde la curva cambia su velocidad.
Se han desarrollado diversos modelos matemáticos con el fin de analizar y predecir el
comportamiento del crecimiento y sus relaciones durante el proceso de desarrollo de las
plantas. El modelo logístico, ha mostrado ser, en la mayoría de los casos, el que mejor
describe el proceso del crecimiento de una planta o de una comunidad de plantas, por su
notable precisión deajuste.
Su forma matemática es:
Donde m es el peso promedio a la madurez de la planta, e es la base de los logaritmos
naturales, t es el tiempo, y k y b son los parámetros de la función que describe la rapidez de
crecimiento.
105
De acuerdo con esta función, se puede establecer que cuando t = 0, entonces
Y, cuando t  entonces, Y = m, lo cual representa la fase de estabilización del
crecimiento.
La posición del punto de inflexión, significa que el tamaño adulto de una planta está
limitado por su constitución genética y no puede ser excedido, pero sí puede disminuir, si
las condiciones ambientales son desfavorables.
En la curva sigmoidal que describe la cinética del crecimiento de una planta, se pueden
distinguir tres fases:
1) Una fase temprana de corta duración durante la cual crecimiento es lento y corresponde
al estado de plántula y se conoce como fase exponencial.
106
2) Una fase central de incremento rápido que corresponde a la
fase lineal o fase
logarítmica.
3) Una fase final en el que el crecimiento es cada vez menos acelerado hasta hacerse nulo y
que va desde la floración y maduración del fruto hasta la madurez fisiológica y
corresponde a la fase de senescencia.
El crecimiento está influenciado por los factores del medio externo y depende fuertemente
de la energía liberada durante la respiración. El proceso tiene sus propias leyes y sus
reguladores hormonales pero es también una expresión de la fisiología general del
individuo, por lo que la curva normal, sólo se obtiene en un medio ecológico cercano al
óptimo. Las variaciones o deficiencias en los factores del medio se reflejan en desviaciones
de la curva con respecto a lo normal esperado.
El análisis de crecimiento tal como ha sido trabajado por la escuela británica o con muy
leves modificaciones, es reconocido como método patrón para la estimación de la
producción neta de las plantas individuales o de las comunidades de plantas en muchas
partes del mundo. Aunque los métodos de análisis del crecimiento, parecían haber sido
completados desde hace algún tiempo, el estímulo aportado por nuevas técnicas
matemáticas, ha posibilitado la elaboración de métodos indirectos para la estimación de los
valores primarios sobre los cuales se basa el estudio del crecimiento del peso seco y de las
estructuras de la cubierta foliar.
El análisis cuantitativo del crecimiento es el primer paso para la descripción analítica de la
producción primaria de un cultivo, y requiere de información que puede ser obtenida sin
necesidad de laboratorios o equipos sofisticados. Estas informaciones son: Peso seco
(biomasa) de toda la planta y de sus partes (hojas, tallos, raíces, etc.) y tamaño del aparato
fotosintético (área foliar) y se obtienen a ciertos intervalos de tiempo durante el proceso del
crecimiento del cultivo. Las variaciones en la cantidad de biomasa y de área foliar
conjuntamente con el tiempo, se utilizan para estimar varios índices fisiológicos que
pueden ser comparados para intentar explicar las diferencias en la producción económica de
diferentes cultivos o de un mismo cultivo sometido a diferentes tratamientos.
107
Todas las técnicas que se utilizan para medir los componentes del crecimiento de un cultivo
se conocen colectivamente como “Análisis del Crecimiento”.
El análisis del crecimiento de las plantas, evalúa la producción neta derivada del proceso
fotosintético y el desempeño del sistema asimilador durante un cierto período de tiempo.
Este método, es de gran valor en la evaluación de las diferencias intervarietales e
interespecíficas en las diversas características que definen la productividad de la planta y
se usa para la investigación del efecto de fenómenos ecológicos sobre el crecimiento como:
Adaptabilidad de especies en ecosistemas, efectos de competencia, diferencias genotípicas
agronómicas y factores intrínsecos asociados con la Fisiología de la planta.
Se puede preferir tener en cuenta el aumento de masa que se desprende del crecimiento sea
en términos de peso fresco o del peso seco. El peso fresco tiene la ventaja de no exigir la
destrucción de la muestra en buena parte de los casos. Sin embargo, el peso fresco no
distingue las relaciones hídricas del crecimiento propiamente dicho (marchitamiento,
reimbibición). El peso seco escapa a esta crítica pero con él no es posible medir las
variaciones sobre una sola muestra ya que esta es necesariamente destruida y tampoco es un
índice de crecimiento efectivo ya que su aumento puede traducir otros fenómenos
(lignificación, formación de reservas, etc). Este último inconveniente ha llevado a los
investigadores a enfocar más las síntesis protoplásmáticas
esencialmente proteínicas,
adoptando como criterio de crecimiento los aumentos de la masa del nitrógeno proteico.
Este criterio es, sin duda, el que está más cerca de la medida ideal del proceso fisiológico
pero implica también la destrucción de la muestra y requiere medidas muy laboriosas. En
consecuencia, se pueden establecer las siguientes definiciones:
1. El crecimiento propiamente dicho: dy
2. La velocidad de crecimiento: v = dy/dt
3. El crecimiento relativo: dy/y
4. La tasa de crecimiento (velocidad de crecimiento relativo): r = (dy/y) dt
108
Si dt es lo suficientemente corto para que dy/dt pueda ser considerada como constante
Entonces, la velocidad de crecimiento es la derivada de la función y:
v = y' = dy/dt
La tasa de crecimiento es la derivada logarítmica:
r = y'/y = d ln y/dt
109
Valores usuales
El crecimiento posee una intensidad variable, no solamente en función de las condiciones
externas, sino según la especie y aún el sexo:
1. La amplitud total del crecimiento es muy grande a escala del organismo entero: Aunque
entre un embrión de algunos milímetros y el árbol de algunas decenas de metros la
relación es considerable, esto también ocurre a escala de la célula. En efecto, una fibra
adulta de algodón constituida de una sola célula tiene una longitud que es 1000 a 4000
veces su longitud inicial, mientras que su volumen ha aumentado sólo entre 100 y 500
veces.
2. La velocidad de crecimiento es igualmente muy importante: En el espárrago, sobrepasa
30 cm cada 24 horas y más de 60 cm por día en los brotes jóvenes de bambú.
3. La intensidad de la proliferación puede ser apreciada por la cantidad de células en
división. Una raíz joven de maíz forma cerca de 18500 células por hora con una
cadencia de cerca de una división cada hora por cada célula meristemática que no
comienza a alargarse sino luego de seis divisiones consecutivas en promedio.
El análisis de crecimiento es una herramienta muy útil en el estudio de la producción
fotosintética neta. La producción neta se define como el resultado neto del trabajo de
asimilación que se lleva a cabo en una planta o en una comunidad de plantas durante un
cierto período:
PN = F - R
Donde PN es la producción neta, F es la fotosíntesis bruta y R es la respiración.
En terminología fotosintética, esto significa que la producción neta es el resultado de la
asimilación neta (asimilación bruta menos respiración) menos las pérdidas por muerte de
partes de la planta o de una proporción de ellas durante un cierto período de tiempo, por
tanto,
110
PN = F - (R + M)
Donde M, representa a las partes de la planta o las plantas muertas.
Este concepto implica que el período más corto que puede utilizarse en el análisis del
crecimiento es de un día (24 horas). La mayoría de trabajos que se efectúan para el análisis
de crecimiento, utilizan el día como la unidad de tiempo.
El análisis del crecimiento se refiere al análisis matemático de la variación en tamaño o
peso acumulado por la planta o por sus partes separadamente, y a medidas relativas a las
dimensiones de sus órganos asimiladores como el área foliar.
Para realizar un análisis de la productividad de una planta en función de su crecimiento se
requieren dos condiciones: La medida del material vegetal existente y del sistema
asimilador de ese material vegetal, en intervalos sucesivos de tiempo. En la práctica las
variables más comúnmente empleadas para estas dos determinaciones son el peso seco y el
área foliar respectivamente.
Estos datos expresados en función del tiempo y con el método de regresión posibilitan
hallar ecuaciones que relacionan estas variables, las cuales una vez derivadas, se utilizan
para calcular los índices de crecimiento.
La acumulación de materia seca es una forma de expresar la eficiencia de la planta en la
utilización de los factores que inciden en su desarrollo.
El componente de mayor interés en la medida de la bioproductividad de los ecosistemas
naturales o de los cultivos, es la producción primaria neta o el rendimiento total medido en
términos de materia seca. En los cultivos puede ser de importancia solamente el
rendimiento agronómico como es el caso de los granos en los cereales, y por lo común la
capacidad biológica de producción puede ser medida en términos del Indice de Cosecha
IC 
Re
B
111
En muchos cultivos la biomasa (B) se considera como el total de la materia seca de la parte
aérea y Re es el rendimiento económico. Obviamente, para una mejor estimación del índice
de cosecha, se debe utilizar la materia seca total como denominador (es decir,también se
deben incluir las raíces).
112
Desafortunadamente la magnitud del índice de cosecha, dice muy poco acerca de los
cambios que ocurren durante el crecimiento del cultivo. De manera similar, el análisis de
intercambio gaseoso se puede utilizar para describir las respuestas de la fijación de carbono
113
a cambios en el ambiente y finalmente, se puede utilizar para calcular el rendimiento total,
pero no se puede obtener la información acerca de la asignación de materia seca en una
nueva área foliar, la cual puede tener influencia considerable en la producción.
Los valores primarios del análisis de crecimiento se miden en el material vegetal en
crecimiento con ciertos intervalos de tiempo, y a partir de ellos se calculan varios índices
que describen el crecimiento de las plantas y de sus diferentes partes así como la relación
entre el aparato asimilador y la producción de materia seca. Estos índices se denominan
características del crecimiento y su cálculo correcto así como su interpretación son el
núcleo del análisis del crecimiento.
En el análisis de crecimiento clásico, el muestreo para la obtención de los valores primarios
consiste en la cosecha destructiva de conjuntos de plantas o parcelas representativas ya que
es imposible, hasta cierto punto, hacer el seguimiento de las mismas plantas durante la
totalidad del experimento. Lo anterior implica que se produzcan errores debido a la
presunción de continuidad en la expresión de las curvas. Para disminuir su importancia
como fuente de error se han sugerido varios métodos tales como el apareamiento de las
observaciones. En cualquier caso, sin embargo, se miden y se pesan conjuntos estadísticos
(muestras). De lo anterior se desprende la importancia de un diseño experimental adecuado
y una apropiada evaluación analítica de las observaciones y experimentos.
La cantidad de tejidos que funcionan realmente en una planta o en una comunidad vegetal
en un tiempo dado, se denomina Biomasa (B) y se estima usualmente mediante el peso
seco, la materia orgánica, o el contenido energético del material vegetal. Estrictamente
hablando, la biomasa se debe referir sólo a los tejidos vivientes, pero separar los tejidos no
vivientes como la corteza o el xilema de aquellos que aún conservan su función, es
prácticamente imposible.
Si la biomasa es cosechada a intervalos relativamente cortos (semanas, quincenas o meses,
de acuerdo con el material o el propósito de la investigación), la tasa de producción puede
ser estimada a partir del incremento en biomasa pero se debe utilizar un factor de
corrección para la cantidad de material muerto o perdido durante el intervalo utilizado.
114
En ecosistemas, la tasa de producción vegetal se define como la Productividad primaria
(PP).La productividad primaria o tasa de producción se define como el material formado
por una comunidad vegetal por unidad de área del suelo por unidad de tiempo
PP 
B
At
Donde A es el área del suelo y t es el tiempo.
La PP puede ser medida en términos de incremento en el peso seco, en materia orgánica, en
carbono, en CO2 o en energía solar fijada, etc. Estas medidas pueden ser transformadas
mediante las siguientes aproximaciones:
1 g de materia seca vegetal  17 kJ  0.4 g de C  1.5 g CO2
En investigaciones muy precisas se deben establecer separadamente estos equivalentes para
cada tipo de material utilizado.
Los índices de crecimiento
Para realizar un análisis de la productividad de una planta en función de su crecimiento se
requiere de dos principios:
1. La medida del material vegetal existente
2. La medida del sistema asimilador de ese material en intervalos sucesivos de tiempo.
En la práctica, las variables más comúnmente empleadas para la medida del material
vegetal existente son el peso seco total de la planta individual y el área foliar de ella.
115
La sistematización del análisis del crecimiento fue lograda por Watson en 1952, quien
desarrolló una serie de índices formulados a partir de las variables peso seco (P) y área
foliar (A).
Área foliar (A)
El crecimiento del área foliar (A) puede dar una idea del crecimiento de la planta o se puede
relacionar con la acumulación de materia seca o con el metabolismo de la planta o bien con
el rendimiento.
La determinación del área foliar real, variable de fundamental importancia para cualquier
cultivo, resulta laboriosa, por lo cual, se han desarrollado diferentes métodos de estimación
que implican la determinación de las dimensiones de la hoja y de su peso fresco y seco. El
área foliar de un cultivo uniforme, generalmente se asimila a una superficie plana pero con
esto, se ignora la relación que existe entre el ángulo de la hoja y la penetración de la luz.
En relación con el número de hojas que tiene una planta se pueden considerar dos aspectos:
De una parte, las hojas verdes presentes en la planta y funcionales fotosintéticamente y, de
otra parte, el número total de las hojas producidas por la planta, aunque ya se hayan caído
algunas. La determinación del área foliar, además de que es una medida necesaria para la
estimación de la intensidad de asimilación de las plantas, es también una variable de gran
importancia cuando se efectúa el análisis de crecimiento de un cultivo.
Entre los métodos utilizados para medir el área foliar, se pueden mencionar:
1. Medida con base en el peso de un área foliar conocida
El área foliar se puede calcular tomando de las hojas cierto número de cuadrados cuya área
se conoce previamente y se les determina su peso, para luego relacionarlo con el peso total
de las hojas de la planta. Esta medida se puede realizar con base en el peso seco o en el
peso fresco.
2. Medida directa (cm2)
Esta metodología fue diseñada para determinar el área foliar del cafeto. Consiste en la
utilización de una regla calibrada empíricamente sobre la base de la función:
116
LogA = 2.02501 logL - 0.57278
Donde A es el área de la hoja y L la longitud.
Medida con planímetro
El planímetro óptico fue desarrollado para medir superficies planas por medio de la
intercepción de la luz. Estas determinaciones se realizan colocando una muestra de área
desconocida ante un haz de luz de intensidad conocida y determinando la pérdida de
intensidad luminosa que ocasiona la muestra.
Índice de área foliar (IAF)
El IAF es el área foliar por unidad de área del suelo, relación que puede dar cuenta de la
capacidad fotosintética del cultivo.
IAF 
A
S
Donde A es el área foliar y S es la superficie del suelo ocupada por el cultivo.
El IAF tiene en cuenta sólo el área fotosintéticamente activa y sus variaciones dependen de
la densidad de siembra y de la superficie o área del follaje por planta. El IAF, describe el
tamaño del aparato asimilador de una comunidad de plantas y sirve como valor primario
para el cálculo de otras características del crecimiento. Del IAF se deriva la llamada
“Duración del área foliar” que resulta de la integral del IAF para el período de desarrollo de
la planta o para el período en que se realizan las evaluaciones.
117
Tanto la tasa de producción de materia seca en un cultivo (Tasa de crecimiento del cultivo
TCC, o tasa de crecimiento absoluto TCA), como la tasa de asimilación neta (TAN),
dependen del índice de área foliar. Esta relación puede ser descrita mediante la ecuación
TCA  IAFxTAN
De otra forma por
Valores que describen las tasas instantáneas.
Debido a su efecto sobre la TAN, el IAF es el factor primario que determina la tasa de
producción de materia seca o tasa de crecimiento del cultivo (TCC) en comunidades
cerradas. El IAF usualmente aumenta durante el crecimiento y desarrollo de un cultivo
hasta que la mayoría de las plantas alcanzan la fase reproductiva. En las comunidades
vegetales, el máximo IAF puede ser controlado por la densidad del cultivo, por la
fertilización y por otros factores. En comunidades naturales puras y mixtas, usualmente, el
IAF, aumenta durante la época de crecimiento hasta cierto valor que depende del balance
hídrico, del suministro de nutrientes, de las relaciones luminosas y otros factores
ambientales. De esta manera el IAF refleja la capacidad productiva real de un cultivo.
Los valores óptimos de IAF difieren usualmente de los valores de IAF requeridos para
alcanzar los más altos rendimientos económicos cuando éstos son diferentes de la biomasa
total (granos, tubérculos, frutos, etc.).
En la mayoría de los cultivos el conocimiento de los cambios en el IAF es la clave para
comprender los cambios en otras características del crecimiento, especialmente la TAN. El
índice de área foliar, el arreglo de las hojas y la altura de los brotes son usualmente los
118
factores más importantes en la competencia por luz. Las diferencias en la eficiencia
productiva entre poblaciones de plantas o variedades de cultivos pueden depender de la tasa
a la cual se desarrolla el cierre de la cubierta foliar, lo que conduce a altos valores de IAF y
a un mejor uso de la radiación solar que está ingresando.
Para una mayor eficiencia, el máximo IAF debe ocurrir cuando la radiación solar es
máxima. Desafortunadamente, este no es el caso en una gran variedad de cultivos.
En ambientes templados, los valores óptimos de IAF para el rendimiento económico, se
encuentran entre tres y seis para la mayoría de los cultivos mecanizables. En los pastos y
otros cultivos donde el rendimiento está determinado por la biomasa de los brotes, los
valores óptimos de IAF se encuentran usualmente entre seis y once. Se pueden encontrar
valores mayores en climas mediterráneos y tropicales.
Un alto rendimiento en grano de cualquier cultivo puede lograrse solamente cuando se
obtiene una combinación apropiada de variedad, ambiente y prácticas agronómicas. La
comprensión de los procesos fisiológicos que tienen que ver con la producción de grano,
tales como el crecimiento vegetativo, formación de órganos de almacenamiento y el llenado
de grano permiten determinar la mejor combinación de los tres factores mencionados y
también sugiere que se pueden hacer mejoras para lograr un mayor incremento en
rendimiento bajo una condición dada.
El área de la superficie foliar que intercepta la radiación solar, es el factor más importante y
la eficiencia fotosintética de la hoja por unidad de área es de importancia secundaria. La
importancia del IAF como determinante de la producción de materia seca y,
consecuentemente, del rendimiento, es de amplia aceptación y el IAF se usa extensamente
en estudios de producción de materia seca.
El incremento en IAF, eleva la producción de materia seca, pero ésta relación no es lineal
ya que a mayor IAF, se produce un aumento del sombreamiento mutuo de las hojas de tal
manera, que la tasa fotosintética media por unidad de área foliar disminuye (y seguramente
el índice de cosecha).
119
Ya que la producción de materia seca resulta del balance entre fotosíntesis y respiración, es
de esperar que la tasa de crecimiento del cultivo aumente asintóticamente con el aumento
del IAF. Más aún, la existencia de la foto-respiración, aumenta la magnitud de las tasas
respiratorias en la parte baja de la cubierta foliar y contribuye a reducir la posibilidad de un
IAF óptimo bajo la mayoría de las condiciones. Si se define el IAF crítico como el valor de
IAF más allá del cual la tasa de crecimiento del cultivo no aumenta o aumenta muy
lentamente, las especies con hojas erectas deben tener valores para IAF crítico o IAF
óptimo mucho mayores que las especies con hojas planófilas. Las medidas directas han
mostrado IAF críticos de cerca de 3.2 para soya, de 5.0 para maíz, 6 a 8 para trigo, de 4 a 7
para arroz y de 8.0 para cafeto.
120
Tasa de crecimiento absoluto (TCA) o tasa de crecimiento del cultivo (TCC)
El incremento del material vegetal por unidad de tiempo se denomina tasa de crecimiento
absoluto (TCA, g día-1) o tasa de crecimiento del cultivo (TCC) y representa la pendiente de
la curva sigmoide en el tiempo t. Se define matemáticamente como
TCA 
dP
dt
.
La TCA no siempre expresa la intensidad del cambio en su forma más conveniente o
lógica, ya que se pueden encontrar plantas con tasas similares pero en un estado fisiológico
diferente. Por ejemplo, una plántula que crece a una tasa de 1 g día-1, con un peso seco
total de 1.0 g puede ser considerada como de TCA alta, mientras que otra planta con un
peso inicial de 100 g, la TCA de 1 g día-1 puede ser considerada baja. Por esta razón, la
TCA debe ser manejada con cuidado cuando se quiere utilizarla para fines comparativos.
El valor máximo de TCA (TCC) coincide con el valor máximo de IAF. En este punto, la
población de plantas alcanza la máxima tasa de producción de materia seca y se intercepta
la máxima cantidad de luz aprovechable. Las hojas bajeras tienden a un equilibrio entre
fotosíntesis y respiración. La TCA representa, entonces, la productividad total de materia
seca que alcanza un cultivo en un período de tiempo por unidad de superficie cubierta por
la comunidad vegetal
El incremento en biomasa, dP, expresado en términos de peso seco, es la característica del
crecimiento más sencilla y se usa principalmente con plantas separadas o en muestras de
muchas plantas
dP = P2 – P1
Donde los subíndices 1 y 2, indican los valores de P en dos diferentes épocas. Durante el
crecimiento de una planta dP, muestra una tendencia ontogenética pronunciada que debe
ser tenida en cuenta si se quieren distinguir los efectos ambientales sobre el crecimiento de
121
la planta. Esta tendencia de dP es más pronunciada cuando las cosechas se efectúan con
intervalos más largos. La TCC o TAC, se puede expresar para un intervalo de tiempo desde
t1 hasta t2 como:
TCA 
P2  P1
t 2  t1
Los incrementos en biomasa en comunidades vegetales se expresan usualmente con base en
el área de terreno. La TAC depende de la intensidad lumínica, la densidad de siembra y
de la arquitectura de la planta. Es una característica de eficiencia de producción de una
comunidad de plantas, y permite hacer comparaciones entre comunidades, y comunidades
de diferentes tipos, en diferentes hábitat, etc. Es el crecimiento del material vegetal por
unidad de tiempo y representa la productividad total en materia seca que alcanza el cultivo
establecido.
Tasa de crecimiento relativo (TCR)
El rendimiento de un cultivo, es el peso del producto cosechado por unidad de área o de
alguna parte específica de él, por lo tanto, es más lógico sustentar un análisis del
rendimiento sobre la base de los cambios en peso que ocurren durante el crecimiento, más
que sobre la base de los cambios en los caracteres morfológicos.
El primer paso en el desarrollo de un procedimiento para analizar el crecimiento de un
cultivo en términos de cambios en el peso seco, fue efectuado por Blackman, quien
estableció que los incrementos en el peso seco pueden ser visualizados como un problema
de interés compuesto continuo, que describe el incremento producido durante cualquier
intervalo donde se añade un peso seco al peso seco inicial en periodos consecutivos. La tasa
de interés o tasa de crecimiento relativo está representada por
122
TCR 
1 dP
x
P dt
Donde P es el peso seco de la planta en un instante dado y TCR, representa la eficiencia de
la planta como productora de material nuevo. Blackman denominó a esta relación “Índice
de Eficiencia”. Se puede considerar que el rendimiento de una planta en materia seca
depende de:
1. El capital o sea el peso seco de la semilla
2. La tasa de crecimiento relativo
3. La longitud del período de crecimiento
Y de que las variaciones en el rendimiento, puedan ser analizadas en términos de estas tres
cantidades. Sin embargo, no todo el peso seco de una planta es capital productivo, ya que
una parte considerable de él, está constituido por material esquelético no activo durante el
crecimiento. El incremento en la materia seca, es atribuible casi en su totalidad a la
fotosíntesis, aunque hay una pequeña contribución debida a los nutrientes minerales
tomados del suelo. Una mejor medida del capital productivo o material en crecimiento de la
planta es el tamaño foliar.
La medida del crecimiento más apropiada, ya que es independiente de la cantidad de
material en crecimiento, es la tasa de crecimiento relativo (TCR) o Índice de Eficiencia
Mientras la tasa de crecimiento relativo es un valor diferencial, proporcional a la pendiente
de la curva de crecimiento en un punto dado, la duración de la biomasa es un valor integral
proporcional al área bajo la curva de crecimiento o a parte de ella (área definida por dos
puntos de x). Tanto la tasa de crecimiento relativo (TCR), como la duración de la biomasa,
pueden ser determinadas sin conocer el tamaño del aparato de asimilación. Lo mismo se
puede aplicar a las relaciones entre el peso seco de las diferentes partes de la planta con el
peso seco total, las cuales describen la distribución de la biomasa dentro de las plantas.
123
La TCR, es una constante fisiológica muy importante que representa la eficiencia de la
planta como productora de material nuevo y por tanto, puede ser llamada Índice de
Eficiencia de producción de materia seca, el cual varía con la especie y el genotipo. Tanto
TAC como TCR, dependen de la fotosíntesis, la respiración, el grosor de las hojas y las
condiciones ambientales. Representa el incremento en material vegetal por unidad de
material presente por unidad de tiempo en un instante t.
La tasa de crecimiento relativo (TCR en g g-1 día-1), representa la eficiencia de la planta
como productora de nuevo material y se define matemáticamente como
TCR 
1 dP
x
P dt
Este índice, hace posible, además, la comparación más libre entre tratamientos. Así, si en el
tiempo t la TAC es de 7.5 g día-1, cuando el peso seco total de la planta es de 30 g, la TCR
en ese instante, será de 0.25 g g-1 día-1 lo que implica que la planta, está creciendo con una
eficiencia del 25% de su peso seco en ese momento.
La TCR también tiene sus limitaciones, ya que no todo el peso seco de la planta en un
momento determinado, puede considerarse como potencialmente productor de nuevo
material. Además, en cultivos como la papa, por ejemplo, los tubérculos constituyen gran
parte del peso seco total de la planta en una fase del desarrollo del cultivo, siendo un órgano
que debe ser asumido como sitio de consumo y no como fuente de asimilados
fotosintéticos.
El rendimiento de un cultivo es el peso del producto o de alguna parte específica de él por
unidad de área cosechada, razón por la cual es más lógico basar un análisis del rendimiento
en los cambios en peso que ocurren durante el crecimiento, más que en los cambios en los
caracteres morfológicos.
El primer paso en el desarrollo de un procedimiento para el análisis del crecimiento en
términos de cambios en el peso seco, fue efectuado por Blackman (1919), quien sugirió
que el aumento en peso seco puede ser comprendido como un proceso de interés compuesto
124
continuo. El incremento producido en cualquier intervalo se añade o se agrega al capital
para el crecimiento en periodos posteriores. La tasa de interés o tasa de crecimiento relativo
es
TCR 
1 dP
x
P dt
Donde P es el peso seco de la planta en cualquier época y representa la eficiencia de la
planta para producir material nuevo. Esto es a lo que Blackman denominó Índice de
Eficiencia.
La tasa media de crecimiento relativo en un intervalo desde t1 a t2 se deriva de
TCA 
1 dP
x
P dt
Como sigue
TCR 
1
t 2  t1
TCR 
ln P2  ln P1
t 2  t1

dP
P
125
De la fórmula
1 dP d ln P
x

P dt
dt
TCR 
Se desprende que la tasa media de crecimiento relativo en un período de tiempo de t1 a t2,
está representada por
TCR 
1
t 2  t1
1 dP
TCR 
1
d ln P
t 2  t1 
 P x dt
La única suposición necesaria para llevar a cabo esta integración, es la de que P varía sin
discontinuidad durante el intervalo de tiempo escogido. No es necesario asumir crecimiento
exponencial en ese intervalo, aunque la solución en tal caso es la misma. Si sucede el
crecimiento exponencial, la anterior expresión no sólo genera la tasa media de crecimiento
relativo para el período t1 a t2, sino también, genera la tasa relativa de crecimiento durante
de todo el intervalo, de modo que
TCR 
ln P2  ln P1
t 2  t1
Si el crecimiento es exponencial, por ejemplo de la forma
P =  e t
Donde  y  son constantes, entonces, se puede demostrar que, no solamente la tasa media
de crecimiento relativo está representada por
126
TCR 
ln P2  ln P1
t 2  t1
Sino, se puede afirmar también que la TCR, mantiene este valor durante el periodo
completo t1 a t2. El error de algunos investigadores para distinguir entre una tasa media de
crecimiento relativo durante un período, y la TCR a lo largo de un período, ha originado la
noción de que para usar la formula anterior, es necesario asumir un crecimiento
exponencial, pero éste no es el caso. El valor de la tasa media de crecimiento relativo está
dado por la misma fórmula sin importar cómo cambien P o TCR con el tiempo. Esto puede
ser verificado colocando cualquier relación de P con el tiempo en la integral y llevando a
cabo la integración.
La tasa media de crecimiento relativo de diferentes partes de la planta, tales como brotes,
raíces, hojas y área foliar, también pueden ser estimadas de esta manera. La suma de las
tasas de crecimiento relativo de las partes componentes de una planta es igual a la tasa de
crecimiento relativo del total. La partición de los asimilados durante el crecimiento, puede
ser obtenida calculando la tasa de crecimiento relativo de aquellas partes de la planta que
aparentan ser las más sensibles a los cambios ambientales estudiados.
Los cambios en la tasa de crecimiento relativo, pueden ser utilizados para comparar la
eficiencia de la producción entre diferentes genotipos de plantas o entre plantas a las cuales
se les ha proporcionado diferentes tratamientos. Los cambios estacionales, también pueden
ser correlacionados con el clima y con factores climáticos tales como la radiación y la
temperatura. Sin embargo, a menos que los experimentos se lleven a cabo en plantas
jóvenes, tales correlaciones pueden ser oscurecidas por la disminución en la TCR con la
edad, que resulta, al menos en parte, de la proporción gradualmente creciente de tejidos no
asimiladores.
En ciertos cultivos, los cambios en TCR, causados por la variación de los factores
ambientales, se muestran más claramente si TCR se calcula mediante el peso de la planta
entera menos el peso de los órganos que participan solamente en una pequeña parte del
proceso general de producción. En la papa Solanum spp, por ejemplo, los efectos
ambientales sobre la TCR se visualizan mejor cuando se calcula la TCR de la planta
127
entera menos el peso de los tubérculos. Esta corrección, también es aplicable a otras
plantas con órganos de almacenamiento masivos o con otros vertederos de asimilados
relativamente inactivos, como por ejemplo, la remolacha azucarera o ciertas plantas
perennes o plantas leñosas.
Tasa de asimilación neta (TAN)
La tasa de incremento del peso seco por unidad de área foliar (
1 dP
x
) donde A es el área
A dt
foliar total de la planta, es una medida obvia del exceso de la tasa de fotosíntesis sobre la
tasa de pérdida de materia seca por la respiración. Gregory, fue el primero en sugerir en
1917, el uso de esta función para el análisis de crecimiento, y la llamó, tasa de asimilación
neta (TAN), aunque otros autores han preferido el término tasa unitaria foliar. Es claro que
la TCR es el producto de la TAN y la relación del área foliar con el peso seco total (
A
). La
P
anterior relación, puede ser visualizada como un indicativo del material en crecimiento por
unidad de peso seco de la planta. Un posible método de análisis del cambio en el peso seco,
consiste en el cálculo de TCR y el análisis posterior de TCR en términos de TAN y de la
razón de área foliar ( RAF 
A
).
P
Tanto TCR como RAF, son funciones complejas difíciles de interpretar, aunque es posible
una forma de análisis que no necesariamente implique su utilización. Esta depende del
hecho de que el producto de TAN por A representa la TAC en peso seco (
dP
), y la
dt
acumulación de materia seca total en un intervalo de tiempo dado, es la integral de este
producto. Como consecuencia, el progreso en la acumulación de materia seca y el
rendimiento final en la cosecha pueden describirse completamente en términos de TAN y
área foliar. La TAN es susceptible de una interpretación fisiológica relativamente simple,
pero A es la resultante de muchos procesos fisiológicos. Un análisis profundo del
rendimiento debe incluir un examen de los factores internos y externos que determinan el
área foliar.
128
La tasa de asimilación neta (TAN) de una planta en un instante t del tiempo, se define como
el aumento de material vegetal por unidad de material o de tejido asimilador por unidad de
tiempo.
TAN 
1 dP
x
A dt
De la anterior ecuación, se desprende que la tasa media de asimilación neta en un período
de t1 a t2 está representada por:
TAN 
1
t 2  t1
1 dP
 A x dt
xdt
Esta función no puede ser integrada a menos que:
1. La relación entre A y P sea conocida
2. Las relaciones entre A y t y entre P y t sean conocidas
Ha sido usual resolver este problema, investigando la relación A vs P. En el evento de no
tener información entre cosechas en las épocas t1 y t2, se asume que la relación A vs P es
lineal. Ya que esta línea recta debe pasar por los puntos (A1, P1) y (A2, P2), su ecuación
debe ser de la forma
PC f(
P2  P1
). f ( A)
A2  A1
Donde A1 y A2 son los valores de A en las épocas t1 y t2 respectivamente, y C es una
constante.
Entonces
129
dP P2  P1

dA A2  A1
Sustituyendo por
dP
en
dt
TAN 
1
t 2  t1
1 dP
 A x dt
xdt
Se tiene que
dP dA dP

x
dt
dt dA
Entonces,
TAN 
1
t 2  t1
1 dA dP
xdt
dA
 Ax dt
TAN 
P2  P1
1
X
d ln A
A2  A1 t 2  t1 
TAN 
P2  P1 ln A2  ln A1
X
t 2  t1
A2  A1
Con lo cual,
La expresión anterior, ofrece una buena estimación de la tasa media de asimilación neta
solamente si la relación entre A y P en el intervalo t2-t1 es lineal. Parece que esta condición,
se satisface muy aproximadamente para intervalos cortos (una a dos semanas), y los errores
introducidos son irrelevantes, al menos para cultivos de campo, en comparación con los
errores en A y P debidos a la variación por muestreo. Mediante este método, se pueden
hacer estimaciones de TAN para intervalos de muestreo más largos, pero se pueden
presentar serios sesgos positivos o negativos que dependen de la dirección en la cual la
relación entre A y P se desvíe de la linealidad.
130
En un cultivo de campo, las medidas del peso seco total y del área foliar total se efectúan en
muestras aleatorias de plantas a partir de las cuales se estiman los valores promedios para la
población vegetal. La precisión de tales estimaciones, depende del tamaño y la estructura
de las muestras.
No existe un método directo de medida del área foliar de una planta en una sola operación.
Si el número de plantas en una muestra es pequeño, el área foliar total puede obtenerse
sumando las áreas de hojas individuales obtenidas separadamente. Para este propósito se
tienen varios métodos: Imprimir la hoja en papel carbón y medir el área con un planímetro
o cortando la copia de la hoja y pesándola; midiendo las dimensiones lineales apropiadas y
calculando el área a partir de la geometría de la forma de la hoja; usando un fotómetro que
mide la reducción de la luz que cae en una celda fotoeléctrica cuando una hoja se coloca en
el haz de luz incidente; estimando el área de cada hoja, acoplándola con un estándar
graduado obtenido mediante la fotografía de una serie de hojas.
Con muestras muy grandes de plantas, como las que se necesitan para estudios de cultivos
de campo, es impracticable medir el área de cada hoja y el área foliar total, debe entonces
ser estimada indirectamente a partir del peso foliar total y de la relación área foliar a peso
de la hoja. Esta relación, puede ser determinada, pesando y midiendo las áreas de una
submuestra pequeña de hojas, pero al momento de calcular la relación media para la
población total de hojas de la muestra, se debe tener en cuenta que la relación varía
inversamente con el peso de la hoja. Para plantas con hojas grandes no divididas como la
remolacha azucarera, un método menos laborioso es extraer discos de área conocida de la
lámina foliar de la muestra. Contando el número de discos de peso conocido en una
muestra, se puede estimar la relación área promedio / peso de la población completa de
hojas.
Las muestras tomadas de un cultivo, deben basarse en un número fijo de plantas o en un
área fija del cultivo. El anterior es el único método practicable en cultivos de cereales ya
que luego del inicio del macollamiento, es difícil distinguir plantas individuales. Este
método, también puede ser elegible para cultivos ampliamente espaciados ya que en las
etapas finales del crecimiento, la competencia entre plantas tiende a ser menos variable que
131
el peso seco, y el área foliar por unidad de área del cultivo, tiende a ser menos variable que
por planta.
La tasa de asimilación neta no mide la magnitud de la fotosíntesis real, sino que representa
la diferencia entre la materia seca acumulada mediante la fotosíntesis y la materia seca
perdida por respiración y foto-respiración.
La TAN, puede sufrir un incremento al comienzo del desarrollo de la planta, para luego
mantener una tendencia a la disminución, a medida que el área foliar aumenta, tendencia
que se mantiene aún después de que el área foliar alcance su máximo, lo cual es
consecuencia del aumento de la proporción de tejido respiratorio, con relación al tejido
fotosintético durante el proceso de envejecimiento. Sin embargo, en algunas especies, se
pueden encontrar aumentos de TAN en etapas tardías del desarrollo, debido al control
ejercido por los órganos de almacenamiento (frutos, tubérculos, semillas, etc) sobre la
actividad fotosintética.
La TAN disminuye a temperaturas elevadas, aunque se debe tener en cuenta que el
aumento de temperatura, provoca incrementos tanto en la fotosíntesis como en la
respiración. Después de cierto valor (temperatura óptima), la respiración puede continuar
aumentando mientras que la fotosíntesis disminuye lo cual puede representar una pérdida
neta en peso seco.
132
Relación de área foliar (RAF)
Otro índice de crecimiento, es la relación de área foliar (RAF, dm2 g-1) que expresa la
proporción de material asimilador por gramo de material vegetal, alcanzada en un tiempo t.
En un sentido amplio, RAF representa la relación de la fotosíntesis con el material
respiratorio de la planta. También se la llama área foliar específica, y razón peso de la hoja,
que puede ser interpretada como un producto de dos relaciones más simples: En primer
lugar esta la relación área foliar (A/peso seco de la hoja). Y en segundo lugar la relación del
peso seco de la hoja, el cual es la relación de peso seco de la hoja a peso seco total. Así
RAF 
RAF 
A
PHoja
A
P
X
PHoja
P
En estas ecuaciones, A significa cualquier medida del tamaño del aparato asimilador pero el
área foliar se usa más comúnmente.
RAF caracteriza el tamaño relativo del aparato asimilador, que es una medida útil de las
diferencias entre plantas o comunidades de plantas, resultantes de factores genéticos, del
ambiente o de diferentes tratamientos. Los cambios estacionales en la RAF, reflejan
usualmente, la interacción de factores ontogenéticos (edad promedio de la hoja y su
posición con respecto al área foliar) con efectos ambientales (incremento de RAF con el
sombreamiento, altos niveles de nitrógeno y aporte hídrico, etc). Por diversas razones,
puede ser útil calcular RAF como la relación entre A y la biomasa total menos la biomasa
de los órganos de almacenamiento u otras partes de la planta ligeramente activas. Cuando
se estima solamente la producción de los brotes, RAF es la relación de A a Ps (peso seco del
brote).
También se puede expresar RAF como
133
RAF 
A2  A1 ln P2  ln P1
X
P2  P1 ln A2  ln A1
Tasa de crecimiento relativo elemental (TCREL)
Es un índice de crecimiento utilizado para describir el crecimiento de elementos lineales o
de superficie (por ejemplo, el eje o la superficie de la cubierta foliar).
TCREL 
d
dx
X
dx dt
Según este concepto, el crecimiento de una superficie referida a las coordenadas (x, y), se
puede describir mediante el tensor de crecimiento
TCREL 

x 
y
X
X

x t y t
De dimensión t -1.
Un tensor es una clase de entidad algebraica de varias componentes, que generaliza los
conceptos
de escalar, vector y matriz demanera
que
sean
independientes
de
cualquier sistema de coordenadas elegido.
Los estudios de análisis de crecimiento, se han utilizado entre otros propósitos, para
determinar la etapa crítica de competencia entre las arvenses y variados cultivos, y el efecto
de diferentes densidades de arvenses sobre las variables de crecimiento (área foliar, peso
seco) y sobre la expresión de la curva de acumulación de materia seca. La acumulación de
materia seca, se ha utilizado como indicador de la relación
entre las características
ecológicas y el desarrollo de varios cultivos. Se encontró que la mayor acumulación de
materia seca total en los cultivos de sorgo, soya, algodón, maíz y caña de azúcar, se obtiene
en el suelo con mejor balance entre nutrientes, mejores condiciones físicas y
134
microbiológicas, por encima de otros suelos con superiores concentraciones relativas de
nutrientes.
Tabla
. Ejemplo de análisis del crecimiento del cafeto Coffea arabica cv Colombia en
tres localidades de la Zona Cafetera Central Colombiana (Naranjal, Paraguaicito,
Marquetalia).
MUESTREO
PPNAR g
-1
planta
DDS
PPPAR g
-1
planta
2
PPMAR g
-1
planta
2
AFNAR cm
-1
planta
2
AFPAR cm
-1
planta
AFMAR cm
-1
planta
1.0
44.0
0.1
0.1
0.1
5.8
5.4
5.3
2.0
110.0
0.5
0.6
0.6
44.1
71.7
60.2
3.0
200.0
4.5
6.0
6.0
366.3
656.9
607.6
4.0
290.0
19.2
30.2
24.4
1272.1
1785.0
1114.1
5.0
380.0
96.4
117.2
93.7
4289.0
5797.9
4304.4
6.0
470.0
256.5
355.3
208.6
9826.3
13534.7
6259.3
7.0
560.0
431.1
564.2
259.2
12726.9
20554.9
7812.5
8.0
650.0
811.8
1362.0
575.9
20103.5
39256.0
16255.7
9.0
740.0
1126.4
1800.5
1061.5
29389.1
66941.7
35265.3
10.0
830.0
1760.5
2498.6
1932.6
48629.8
78713.4
60846.0
11.0
920.0
1949.8
2958.2
2415.9
65286.8
111919.1
78779.3
12.0
1010.0
2650.7
3503.2
2536.9
82723.1
104517.8
86172.5
13.0
1100.0
3732.3
3103.8
2651.3
102989.7
113463.5
79925.2
14.0
1190.0
4266.4
3760.3
3518.6
113014.0
131473.3
107400.9
15.0
1280.0
4694.7
4194.9
4423.2
148035.4
153318.8
135539.9
16.0
1370.0
4801.7
5418.5
4690.2
132352.3
184010.5
128919.5
17.0
1460.0
5450.7
5224.9
5633.2
145214.6
171369.3
174280.7
18.0
1550.0
6401.9
6677.0
6197.4
173199.6
194178.3
176407.4
19.0
1640.0
5639.6
5821.0
6593.2
152168.9
214324.7
213554.3
20.0
1730.0
6069.0
6514.3
6769.1
148291.2
199393.9
204580.4
21.0
1820.0
6644.8
6252.8
7468.6
141067.4
179980.5
203775.6
135
22.0
1910.0
7977.2
7780.7
8868.9
156082.7
176136.8
210920.2
23.0
2000.0
6553.4
7742.1
7760.3
146305.3
188344.5
205261.0
DDS=díasdespuésdesiembra;
Ppnar(Chinchiná)=pesoplanta Naranjal;afnar=área foliar Naranjal
ppar=pesoplanta Paraguacito;afpar=área foliar Paraguacito
ppmar=pesoplanta Marquetalia;afmar=área foliar Marquetalia
136
Crecimiento de la biomasa
CRECIMIENTO DEL PESO SECO (g planta-1)
DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo EN CHINCHINÁ
(CALDAS, COLOMBIA)
10000
g planta-1
8000
6000
4000
2000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
=
7219.71
1+
R2=0.99
P<0.0001
(
.
.
)
137
CRECIMIENTO DEL PESO SECO (g planta-1) DE CAFETO Coffea ar
cv Castillo EN PARAGUAICITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
10000
g planta
-1
8000
6000
4000
2000
0
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
7482.0
=
1+
R2=0.98
P<0.0001
(
.
.
)
2500
138
CRECIMIENTO (g planta-1) DE CAFETO
Coffea arabica cv Castillo EN MARQUETALIA
(CALDAS, COLOMBIA)
10000
g planta-1
8000
6000
4000
2000
0
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
=
9487.52
1+
R2=0.98
P<0.0001
(
.
.
)
2500
139
El crecimiento de la biomasa, puede ser interpretado en tres fases: Una de crecimiento lento,
descrita por una función de crecimiento exponencial clásica, otra de crecimiento rápido, de
tipo lineal, y una tercera de disminución neta del crecimiento, llamada de senescencia. En
todos los casos, la disminución en la tasa de acumulación de materia seca, se debe
principalmente a la caída de hojas y al incremento normal en la tasa respiratoria de los
tejidos maduros. Este resultado, sugiere que las labores agronómicas adecuadas para lograr
una cosecha óptima deben ser realizadas durante la fase exponencial del crecimiento del
cultivo, o durante la fase lineal como máximo.
CRECIMIENTO DEL ÁREA FOLIAR (cm2 planta-1) DE CAFETO
Coffea arabica cv Castillo EN CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
2e+5
2e+5
2e+5
1e+5
1e+5
2
cm planta
-1
1e+5
8e+4
6e+4
4e+4
2e+4
0
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
=
1555302.55
1+
R2=0.981
P<0.0001
(
.
.
)
2500
140
CRECIMIENTO DEL ÁREA FOLIAR (cm2 planta-1) DE CAFETO
Coffea arabica cv Castillo EN PARAGUAICITO
(QUINDÍO, COLOMBIA)
2.5e+5
2.0e+5
Y Data
1.5e+5
1.0e+5
5.0e+4
0.0
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
=
196232
1+
R2=0.975
P<0.0001
(
.
.
)
2500
141
CRECIMIENTO DEL ÁREA FOLIAR (cm2 planta-1) DE CAFETO
Coffea arabica cv Castillo EN MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
2.5e+5
1.5e+5
2
cm planta
-1
2.0e+5
1.0e+5
5.0e+4
0.0
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
=
229229.63
1+
R2=0.98
P<0.0001
(
.
.
)
2500
142
COMPORTAMIENTO DEL ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR
(cm2 cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo EN
CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
10
cm2 cm-2
8
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
7.76
=
1+
R2=0.9873
P<0.0001
(
.
.
)
143
COMPORTAMIENTO DEL ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR
(cm2 cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN PARAGUAICITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
12
10
cm2 cm-2
8
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
9.81
=
1+
R2=0.97
P<0.0001
(
.
.
)
144
COMPORTAMIENTO DEL ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR
(cm2 cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo EN
MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
12
10
cm2 cm-2
8
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
11.46
=
1+
(
.
.
)
R2=0.98
P<0.001
La tasa de crecimiento absoluto TCA (velocidad de acumulación absoluta en gramos por
cada unidad de tiempo), describe la dinámica de acumulación de materia seca en cada uno
de los intervalos medidos durante el proceso de crecimiento
145
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO
ABSOLUTO (TCA) (g día-1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
20
15
10
g día-1
5
0
-5
-10
-15
-20
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO
ABSOLUTO (TCA) (g día -1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN PARAGUAICITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
20
15
g día-1
10
5
0
-5
-10
0
500
1000
1500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
2000
2500
146
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO
ABSOLUTO (TCA) (g día -1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
20
15
g día-1
10
5
0
-5
-10
-15
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
La TCR establece la magnitud de la acumulación diaria de materia seca por cada unidad
másica de materia seca previamente acumulada en el cultivo o la planta individual. O sea,
es una medida de la eficiencia en la acumulación de materia seca. Durante la fase
exponencial, la eficiencia en la acumulación es alta, pero cuando se alcanza la fase lineal, la
eficiencia disminuye de tal forma que al llegar al el punto de inflexión, su valor tiende a un
mínimo. El momento en el que se produce la tasa máxima de desaceleración de la curva de
TCR, coincide con el punto de inflexión de acumulación de materia seca: La TCR máxima
se alcanza en la fase exponencial tardía. La disminución de la eficiencia de acumulación, es
muy pronunciada, lo cual parece indicar que una buena parte de la eficiencia en la
acumulación de asimilados depende de la eficiencia en las labores de cultivo durante la fase
exponencial del crecimiento. Luego de ese período, la eficiencia de la acumulación
disminuye drásticamente hasta hacerse menor de 0.
147
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO
RELATIVO (TCR) (g g-1 día-1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
0.03
g g-1 día-1
0.02
0.01
0.00
-0.01
-0.02
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0295
R2=0.95
P<0.0001
.
2500
148
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO
RELATIVO (TCR) (g g-1 día -1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN PARAGUAICITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
0.030
0.025
g g-1 día-1
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
-0.005
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0322
R2=0.95
P<0.0001
.
2500
149
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE CRECIMIENTO RELATIVO
(TCR) (g g-1 día-1) DE CAFETO Coffea arabica
cv Castillo EN MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
0.030
0.025
g g-1 día-1
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
-0.005
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0306
.
R2=0.092
P<0.0001
La tasa de asimilación neta (TAN), representa el incremento en el peso seco por cada
unidad de área foliar de la planta individual o del cultivo. Es una medida del exceso de la
tasa fotosintética sobre las tasas respiratoria y fotorrespiratoria, o sea que no mide la
fotosíntesis real sino la diferencia entre la materia seca acumulada mediante el proceso
fotosintético y la materia seca perdida durante la respiración y la foto-respiración.
La TAN máxima de los cultivos, puede ser un indicativo de que ellos pueden ser muy
sensibles a los efectos limitantes de los principales factores de la producción durante la fase
exponencial del crecimiento, y que se debe poner especial énfasis en la ejecución de las
labores agronómicas adecuadas, para evitar un efecto detrimental drástico de los factores
limitantes sobre la eficiencia del aparato fotosintético. Una disminución drástica, luego de
la TAN máxima, puede significar un rápido proceso de senescencia y la pérdida de
eficiencia del aparato asimilador.
150
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE ASIMILACIÓN NETA
(TAN) (g cm-2 día-1) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
0.0004
0.0003
g cm-2 día-1
0.0002
0.0001
0.0000
-0.0001
-0.0002
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0004
R2=0.77
P<0.0001
.
2500
151
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE ASIMILACIÓN NETA
(TAN) (g cm-2 día-1) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN PARAGUAICITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
0.0004
g cm-2 día-1
0.0003
0.0002
0.0001
0.0000
-0.0001
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0003
R2=0.69
P<0.0001
.
2500
152
COMPORTAMIENTO DE LA TASA DE ASIMILACIÓN NETA
(TAN) (g cm-2 día-1) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
0.0004
g cm-2 día-1
0.0003
0.0002
0.0001
0.0000
-0.0001
0
500
1000
1500
2000
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 0.0004
R2=0.71
P<0.0001
.
2500
153
Relación de área foliar
COMPORTAMIENTO DE LA RELACIÓN DE ÁREA FOLIAR
(RAF) (g cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN CHINCHINÁ (CALDAS, COLOMBIA)
100
80
g cm-2
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 24.44 + 71.59
R2=0.90
P<0.0001
.
154
COMPORTAMIENTO DE LA RELACIÓN DE ÁREA FOLIAR
(RAF) (g cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN PARAGUACITO (QUINDÍO, COLOMBIA)
120
100
g cm-2
80
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 30.387 + 95.8
R2=0.89
P<0.0001
.
155
COMPORTAMIENTO DE LA RELACIÓN DE ÁREA FOLIAR
(RAF) (g cm-2) DE CAFETO Coffea arabica cv Castillo
EN MARQUETALIA (CALDAS, COLOMBIA)
120
100
g cm-2
80
60
40
20
0
500
1000
1500
2000
2500
DÍAS DESPUÉS DE SIEMBRA
= 28.46 + 85.37
.
R2=0.88
P<0.0001
Los índices de crecimiento, pueden ser utilizados para establecer la época ideal de cosecha
y la época crítica para la realización de las labores agronómicas sobre el cultivo.