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Hormonas
Hormonas Vegetales
Vegetales
Reguladores
Reguladores del
del crecimiento
crecimiento
Biotecnología Vegetal
Ciclo 2010
Licenciatura en Biotecnología
UNSAM
1
DESARROLLO
CRECIMIENTO
cambios cuantitativos
división
aumento de tamaño
DIFERENCIACIÓN
cambios cualitativos
especialización
PROCESO DINÁMICO, COMPLEJO Y CONTROLADO
COORDINACIÓN
MECANISMOS DE CONTROL
HORMONAS
2
HORMONA
HORMACIN: EXCITAR
HORMONA ( fisiólogos animales)
•
sustancias que se sintetizan en glándulas secretoras se
transfieren por linfa o sangre
•
tienen efecto en un proceso fisiológico específico a distancia
del origen generando respuestas rápidas y localizadas
•
Ejemplos: Insulina, Glucagón, Tiroxina, Somatotrofina, Folículo
estimulante, Luteinizante, etc.
3
HORMONAS VEGETALES o también REGULADORES DEL
CRECIMIENTO
•Efectos pleiotrópicos
•Su síntesis no está relacionada con una glándula
4
HORMONA VEGETAL
•
Compuesto orgánico que a muy baja concentración (submicromolar)
determina una respuesta
•
Se sintetiza en alguna parte de la planta y se transloca a otra
•
Transporte es lento célula a célula y más lento que en animales
•
Transporte más rápido por xilema y floema
•
Debe ser reconocida y capturada por un receptor (proteína)
•
Unión con el receptor (cambio configuraciona) = Amplificación de la señal
•
Sinergismo: la acción de una determinada sustancia se ve favorecida por la
presencia de otra.
•
Antagonismo: la presencia de una sustancia evita la acción de otra
•
Balance cuantitativo: la acción de una determinada sustancia depende de 5la
concentración de la otra.
Descubrimiento
Caracterización
AUXINAS
1920
1920
GIBERELINAS
1935
1950
CITOCININAS
1913
1966
ETILENO
1901
1966
ÁCIDO ABSCÍSICO
1963
1968
MORFACTINAS
1958
1970
ÁCIDO JASMÓNICO
1990
1990
POLIAMINAS
1971
1971
6
Auxinas
Auxinas
Primeras hormonas vegetales en ser
descubiertas
Indispensables para la viabilidad de la
planta (similar citoquininas)
Estudios de fototrofismo
crecimiento de coleóptilos.
durante
el
Una sustancia se produce en el extremo
del coleóptilo y difunde hacia la zona de
crecimiento, opuesta a la zona de
recepción de luz
7
Auxinas
Auxinas
Auxinas naturales
Auxinas sintéticas
8
Auxinas
Auxinas
Biosíntesis
(ruta dependiente
del Trp)
•Transaminación
•Descarboxilación
Principalmente en
tejidos juveniles
9
Auxinas
Auxinas
Biosíntesis
(ruta independiente del Trp)
Oxidación de la triptamina
La ruta de biosíntesis depende del
estado de desarrollo del vegetal
10
Auxinas-transporte
Auxinas-transportepolar
polar
* Transporte célula-célula (no simplasto)
* Solo son transportadas auxinas activas
* En raíces hay transporte en ambas direcciones
11
Auxinas
Auxinas
Transporte polar-mecanismo
También puede haber transporte
por floema.
El transporte polar NO es excluyente
12
Auxinas
Auxinas
Catabolismo
Mantenimiento del estado
estacionario
13
Auxinas-efectos
Auxinas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Elongación celular
A altas concentraciones se inhibe el
crecimiento (producción de etileno?)
El crecimiento de raíces se promueve
14
a concentraciones mucho menores
Auxinas-efectos
Auxinas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Elongación celular
1. Asimilación osmótica de agua
No regulado por auxinas
2. Extensión de la pared celular en
respuesta a la presión interna
Regulado por auxinas
Liberación de H+
activación y/o síntesis de ATPasas
la cinética de liberación de H+ coincide con la del crecimiento
buffers inhiben el crecimiento
compuestos diferentes a auxinas que liberan H+ también inducen crecimiento
Mediado por expansinas
debilitan puentes de H entre diferentes componentes de la pared celular
15
Auxinas-efectos
Auxinas-efectos fisiológicos
fisiológicos
* Fototrofismo y gravitrofismo
No se observa destrucción de auxinas
Se acumulan auxinas del lado opuesto a la luz
NPH1 es una flavoproteína
autofosforilante sensible a la luz
16
Auxinas-efectos
Auxinas-efectos fisiológicos
fisiológicos
* Fototrofismo y gravitrofismo
Estatocitos y estatolitos
Las auxinas se acumulan en el sector
inferior inhibiendo la elongación
La zona de mayor crecimiento presenta menor pH
17
Auxinas-efectos
Auxinas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Regulación de dominancia apical
Las citoquininas producidas en la raíz inducen el desarrollo de yemas
pero éstas se dirigen al extremo con mayor concentración de auxinas
* Promoción de formación de raíces laterales
* Retraso en la abscisión de hojas
Dependiendo del estadio fisiológico de la hoja
* Promoción del desarrollo de frutos
Las auxinas (junto a giberelinas) producidas en la semilla inducen el
desarrollo del fruto.
Partenocarpia: inducción del desarrollo sin formación de semilla.
18
Auxinas
-mecanismos moleculares
Auxinas-mecanismos
moleculares
IAA
ABP1
hiperpolarización de la membrana-liberación de H+
MAPK quinasas; Ca+2; fosfolipasa A2;
ubiquitinación de proteínas nucleares
(expresión de genes tempranos)
19
Giberelinas
Giberelinas
* Segundas hormonas vegetales en
ser descubiertas, en la década del 30
* Hongos patógenos (Gibberella
fujikoroi) generaban crecimiento
anormal en arroz. Cristalización del
ácido giberélico
•Actualmente hay más de 110
descritas (no todas son activas)
20
Giberelinas-síntesis
Giberelinas-síntesis
Ciclización del
gerenilgeranil pirofosfato
(Terpenos)
Oxidación (formación
de GA12-aldehido)
Hidroxilación-Oxidación
(formación de otras GAs)
Oxidación de GA20 sería el paso
determinante en el enanismo
21
Giberelinas-síntesis
Giberelinas-síntesis
• Se sintetizan principalmente en brotes, hojas y parte superior de internodos
• Se transportan por floema, de rápida distribución
• La síntesis de inactivas puede iniciar en un tejido y volverse activas en otro
• Control por fotoperíodo
• Bajas temperaturas incrementan síntesis
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Giberelinas-mantenimiento
Giberelinas-mantenimiento del
del estado
estado estacionario
estacionario
23
Giberelinas-efectos
Giberelinas-efectos fisiológicos
fisiológicos
* Estimulación del crecimiento del tallo
Poroto enano
(-GA)
Poroto enano
(+GA)
* Regulación de la transición juvenil-adulto (dependiendo de la especie)
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Giberelinas-efectos
Giberelinas-efectos fisiológicos
fisiológicos
* Inducción de la floración (en algunas especies)
-frío-GA
-frío+GA
+frío
* Promoción de la germinación
Activación del crecimiento vegetativo del embrión
Movilización del endosperma
En algunas especies revierte la dormición
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Giberelinas-mecanismos
Giberelinas-mecanismos moleculares
moleculares
* Crecimiento del tallo
1. Promoción de la mitosis en extremos e internodos
2. Aumento de la extensibilidad de la pared celular
Mecanismo diferente a auxinas (sin acidificación)
La acción de GAs requiere expansinas
* Desarrollo del fruto
Idem auxinas
26
Giberelinas-mecanismos
Giberelinas-mecanismos moleculares
moleculares
27
Citoquininas
Citoquininas
Observaciones previas:
* capacidad de división de las células vegetales
* las raíces podían crecer indefinidamente en medios sin hormonas
pero los tallos no, hasta que se desarrollaban raíces
Alguna sustancia generada en las raíces inducía la proliferación celular
Obtenido a partir de ADN autoclavado
Derivan de adeninas sustituídas.
28
Citoquininas-síntesis
Citoquininas-síntesis
Algunas bacterias secretan citoquininas
Agrobacteriun tumefaciens cede el gen
de isopentenil transferasa a las plantas
durante la infección
29
Citoquininas-síntesis-transporte
Citoquininas-síntesis-transporte
El principal sitio de síntesis son las raíces
Transportadas como ribósidos
al tallo por xilema
El tallo regula el transporte
Mutante rms4
Raíz: mutante rms4
Tallo: salvaje
Raíz: salvaje
Tallo: Mutante rms4
Citoq ↓
Citoq Normal
Citoq ↓
Pueden almacenarse como glucósidos
30
Citoquininas-efectos
Citoquininas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Regulación del ciclo celular
(Inducción de ciclinas)
Crecimiento de callos indiferenciados
Respuesta a daño o patógenos
Cultivos “in vitro”
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Citoquininas-efectos
Citoquininas-efectos fisiológicos
fisiológicos
* La relación aux/citoq regula la morfogénesis en cultivo de tejidos
AUX
CIT
raíces
AUX
CIT
tallos
AUX
CIT
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Citoquininas-efectos
Citoquininas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Reducción de la dominancia apical
Wild type
Mutante amp1
33
Citoquininas-efectos
Citoquininas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Movilización de nutrientes
Aplicación de 14C aminoacidos (marcados)
H2O
sin trat.
Kinetina sin trat.
Kinetina Sin trat.
Ausencia de 14C
Presencia de 14C
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Citoquininas-efectos
Citoquininas-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Promoción de la maduración del cloroplasto
Inducción de síntesis de clorofila y proteínas en brotes etiolados
Control
* Retraso de la senescencia
+ BAP
Control
+ BAP
35
Citoquininas-mecanismos
Citoquininas-mecanismos moleculares
moleculares
* Receptor: Probablemente por sistema de dos componentes a
través de la utilización de Ca+2 como segundo mensajero
* Aumento de transcripción de muy diferentes ARNm
* Regulación post-transcripcional
(aumento de la estabilidad de ARNm)
36
Etileno
Etileno
Siglo XIX: mayor senescencia en árboles cercanos a las lámparas de carbón
Principios del siglo XX: observación de la triple respuesta en plántulas
1. Inhibición del crecimiento
del hipocótilo
2. Diageotropismo
(crecimiento horizontal)
3. Engrosamiento lateral
Puede ser sintetizado en todas las partes y estados fisiológicos de la planta,
pero se incrementa en:
• Abscisión de hojas
• Senescencia de flores
• Maduración de frutos
• Daño mecánico
37
• Diversos tipos de estrés (frío, inundación, hídrico, etc)
Etileno
Etileno––Biosíntesis
Biosíntesis––Ciclo
Ciclode
deYang
Yang
Etileno
ACC sintasa
• Requiere piridoxal 5’-fosfato
• Inhibida por AVG
o ac. aminooxy-acético
ACC oxidasa
• Requiere Fe+2, ascorbato y O2
• Inhibida por Co+2
ACC N-malonil-transferasa
• Control de la síntesis de etileno
Poliaminas
Etephon
38
Síntesis de Etileno
ACC Oxidasa
9Acción autocatalítica
39
Factores que afectan la síntesis de Etileno
Aminoetoxivivilglicina
40
Etileno-efectos
Etileno-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Promoción de la maduración en algunos frutos
* Aumento de la velocidad de senescencia
Antagonismo con citoquininas
Tiosulfato de plata
Control
* Inducción de abscisión
Etileno induce enzimas de
degradación de pared celular
en la zona de abscisión
Supra-óptimas concentraciones
de auxinas inducen la
producción de etileno y
causan el mismo efecto
41
Etileno-efectos
Etileno-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Epinastía de hojas
Condiciones de anaerobiosis en raíz (inundación)
transporte a hoja
estrés
síntesis de ACC
42
Etileno-efectos
Etileno-efectos fisiológicos
fisiológicos
* Inducción de crecimiento celular lateral
Reorientación de microtúbulos en el citoplasma
* Inducción de formación de pelos radiculares
Requiere altas concentraciones de etileno
43
Etileno-mecanismos
Etileno-mecanismosmoleculares
moleculares
Mutaciones de insensibilidad al etileno ETR; EIN:
Los mutantes son insensibles al etileno exógeno
44
Etileno-mecanismos
Etileno-mecanismos moleculares
moleculares
Mutaciones de respuesta constitutiva CTR:
En ausencia de etileno se observa respuesta
regulador negativo
Antisentido de los receptores:
Sin fenotipo, responden igual al etileno
numerosos receptores
45
Etileno-mecanismos
Etileno-mecanismosmoleculares
moleculares
Mutaciones de insensibilidad al etileno ETR; EIN:
* Mutaciones en los receptores: el regulador negativo se mantiene activo continuamente.
* Mutaciones en EIN: falla en la cascada de señales. El etileno se une pero el regulador
negativo no puede unirse a la cascada de señales y ésta se mantiene activa bloqueando
la transcripción de genes.
Mutaciones de respuesta constitutiva:
* Mutaciones en CTR: respuesta constitutiva. El inhibidor está mutado. Nunca activa
la cadena de señales que bloquea la síntesis de genes
46
Acido
Acidoabscísico
abscísico
En 1963 se descubre una sustancia
que promovía la abscisión de frutos
de algodón, idéntica a otra sustancia
que promovía la dormición de brotes. cloroplasto
Se sintetiza a partir de violoxantina
Se inactiva por oxidación
o conjugación
Transportado en xilema
y floema (en mayor proporción)
citosol
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Acido
Acidoabscísico-efectos
abscísico-efectosfisiológicos
fisiológicos
Formación de la semilla
1. Desarrollo
2. Deshidratación, acumulación de reservas
3. Dormición: primaria o secundaria (no siempre ocurre)
Dormición impuesta por las cubiertas
• prevención del ingreso de agua
• restricción mecánica
• interferencia al intercambio gaseoso
• retención o producción de inhibidores
Dormición inherente al embrión
• presencia de inhibidores, ausencia de promotores
El contenido de ABA se incrementa durante la
embriogénesis y la maduración de la semilla
48
Acido
Acidoabscísico-efectos
abscísico-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Promoción de acumulación de proteínas de reserva
Albúminas, globulinas, prolaminas, glutelinas
* Tolerancia a desecación en semillas
Inducción de síntesis de proteínas LEA (Late Embryogenesis Abundant),
Protección de otras proteínas y membranas.
* Inducción y mantenimiento de dormición en semillas y brotes
(acción opuesta a GAs)
La relación ABA/GAs regula la dormición y germinación.
Una alta concentración de ABA previene el viviparismo.
49
Acido
Acidoabscísico-efectos
abscísico-efectosfisiológicos
fisiológicos
* Inducción del cierre de estomas en respuesta a estrés hídrico
(los mutantes que no producen ABA o son insensibles al mismo
presentan fenotipo marchito)
1. Aumento del pH en xilema
2. Redistribución del ABA dentro de la hoja
3. Aumento de la concentración de ABA por transporte, síntesis y menor degradación
50
Acido
Acidoabscísico-mecanismos
abscísico-mecanismosmoleculares
moleculares
Rápido aumento de la concentración intracelular de Ca+2
Depolarización de membranas: pérdida de K+; pérdida de Clpérdida de turgencia
51
Acido
-efectos fisiológicos
Acidoabscísico
abscísico-efectos
fisiológicos
*Aumento de la conductividad hidráulica en raíces en respuesta a
estrés hídrico
*Aumento del crecimiento de raíz y disminución del crecimiento del
tallo en respuesta a estrés hídrico
52
Acido
Acidojasmónico
jasmónico
Aislado inicialmente como inhibidor del crecimiento y promotor de la senescencia
53
Acido
Acidojasmónico
jasmónico
* Retardo de crecimiento en muchas especies
* Acelerador de senescencia
* Inducción de maduración (mediado por etileno)
* Respuesta a daño y ataque por patógenos
AOS + GUS
54
Poliaminas
Poliaminas
* Presentes en todos los organismos vivientes
* Policationes a pH fisiológico
* Presentes en altas concentraciones; hormonas?
* Participan en división celular, iniciación de raíces,
embriogénesis, desarrollo floral, maduración de frutos y
senescencia.
55
Poliaminas-síntesis
Poliaminas-síntesis
56
Acido
Acido salicílico
salicílico
Intervienen en:
* Retraso de senescencia de pétalos y sépalos
* Mediador de resistencia a patógenos
* Inducción de termogénesis en flores
57
Acido
Acidosalicílico-síntesis
salicílico-síntesis
58
Brasinoesteroides
Brasinoesteroides
* Compuestos de naturaleza esteroidea
Intervienen en:
* expresión de genes
regulados por luz
* promoción de la
elongación celular
* senescencia de hojas
* inducción floral
* maduración?
59
Wt
-brn1 -brn2
Oxido
OxidoNítrico
Nítrico
Síntesis:
óxido nítrico sintasa (NOS)
nitrito reductasa (NR)
* Respuesta a estrés biótico y
abiótico (modulación de síntesis de
salicílico, jasmónico y etileno)
* Cierre estomático
* Homeostasis del Fe
* Desarrollo
60
Modificaciones
genéticas para
controlar la
síntesis de
etileno
61
Transformación
de especies
de interés
para controlar
la síntesis de
etileno
62
Transformación
de especies
de interés
para controlar
la síntesis de
etileno
63
Transformación
de especies
de interés
para controlar
la síntesis de
etileno
64