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Crecimiento
Luis A. N. Aguirrezábal
UNMP-CONICET
Crecimiento
En sentido estricto, crecimiento es el aumento irreversible del volumen
de una célula.
Por analogía, el concepto de « crecimiento » se extiende
- a órganos, tejidos, individuos, poblaciones (ej. cultivo), comunidades,
etc.
- a otras variables: altura, peso fresco, seco, etc.
Importante: IRREVERSIBLE
Dos procesos subyacen al crecimiento de un órgano
- expansión de células y tejidos
- división celular
Ambos se ecuentran COORDINADOS.
Porqué estudiar el crecimiento?
Porqué interesarse en el crecimiento:
1 - La producción agrícola implica generalmente la obtención de un producto de
un determinado tamaño (o rango de tamaños)
ej. hojas, frutos, bulbos, tubérculos, flores, etc.
* El tamaño es para muchos productos una variable de calidad que puede incidir
sobre el precio del producto cosechado y o en la aceptación por los mercados.
2 -El crecimiento se encuentra implicado en la respuesta de la planta a cambios en
las condiciones ambientales (incluyendo situaciones de estrés), lo que permite una
mejor adaptación a dichas situaciones.
Respuestas de las plantas a cambios en las
condiciones ambientales (estreses moderados)
1 - Ajustes de flujos
2 -Ajuste de la superficie de intercambio con el ambiente.
a- Número de órganos
b-Superficie de órganos
Respuestas de las plantas a cambios en las
condiciones ambientales
La planta responde a estreses (por ejemplo hídrico)
1 - Ajustando los flujos por unidad de superficie (ej. foliar)
- Control de la
apertura
de estomas
Tardieu et al 1993
Respuestas de las plantas a cambios en las
condiciones ambientales
La planta responde a estreses (por ejemplo hídrico)
1 - Ajustando los flujos por unidad de superficie (ej. foliar)
- Control de la
apertura
de estomas
En este caso, la menor
conductancia estomática
permite que la planta sometida a
menor disponibilidad de agua
mantenga el potencial agua
foliar (no «sufre »’estrés). Si la
disponibilidad hídrica no
mejora, la menor transpiración
provoca aumento de la
temperatura foliar
Tardieu et al 1993
La planta responde a estreses (por ejemplo mineral)
1 - Ajustando los flujos por unidad de superficie (ej. foliar)
-desrepresion de transportadores
- (ej transportadores de NH4+)
Correlation between NH4+ Influx and AMT Gene Expression after
Subjecting Roots to Nitrogen Deficiency.
(A) 15NH4+ influx in Arabidopsis roots after transfer of
hydroponically grown plants from 1 mM NH4NO3 to nitrogenfree nutrient solution. Uptake rates in 200 µM 15NH4+ were
measured for 5 min
(B) RNA gel blot analysis of expression of AtAMT1;1,
AtAMT1;2, or AtAMT1;3.
Gazzarini et al 1999
Respuestas de las plantas a cambios en las
condiciones ambientales
La planta responde a estreses (por ejemplo hídrico)
2 - Ajustando la superficie de intercambio total con el ambiente
a- Número de órganos
Déficit hídrico en arveja
Regado
Mild deficit :
Fotosíntesis
no afectada
Medium
deficit
Potencial
hídrico
no
afectado
Lecoeur et al 1995
Respuestas de las plantas a cambios en las
condiciones ambientales
La planta responde a estreses (por ejemplo hídrico)
1 - Ajustando la superficie de intercambio total con el ambiente
b- la superficie de cada órgano
Genotipos
de
Arabidopsis
thaliana
sometidos a
tres
regímenes
hídricos
Aguirrezábal et
al., 2006 Plant,
Cell & Env, 29
(2216. 2217)
Respuestas de las plantas a cambios en las condiciones ambientales
La planta responde a estreses
1 - Ajustando la superficie de intercambio total con el ambiente
Los ajustes son principalmente a través de cambios en superficie de cada órgano, el
número de órganos en general cambia relativamente menos.
Superficie foliar total
Valor en
tratamiento
bien regado
Respuesta
(Valor
tratamiento
déficit hídrico
/ valor en
tratamiento
bien regado
*100)
Número de hojas
Aguirrezábal et
al., 2006 Plant,
Cell & Env, 29
(2216. 2217)
AREA FOLIAR – COBERTURA (SOJA)
RIEGO
SECANO
R
S
10cm
ALTURA DE PLANTA
RIEGO
SECANO
10cm
Porqué estudiar el crecimiento?
La planta ajusta su funcionamiento en un ambiente fluctuante.
EL AJUSTE DEL CRECIMIENTO DE LOS ORGANOS ES UNA RESPUESTA PRECOZ
FRENTE A UN ESTRES HIDRICO.
El principal mecanismo implicado es la expansión de tejidos y células.
Boyer et al., 1970
Porqué estudiar el crecimiento?
La planta ajusta su funcionamiento en un ambiente fluctuante.
Existe variabilidad genética de la respuesta del crecimiento a un estrés.
DEA
D58
Io
D61
F-2
D100
F-252
D137
Velocidad de alargamiento
foliar (cm.°Cd-1)
0.6
0.3
0.0
0.6
0.3
0.0
0.6
0.3
0.0
0.6
0.3
0.0
0.0
Reymond et al. , 2003
-0.2
-0.4
-0.6
-0.2
-0.4
Potencial hídrico del suelo (MPa)
-0.6
Arabidopsis
Aguirrezábal, y otros. 2006
Plant, Cell & Env. 29: 2216-2227
•
La variabilidad genética fue menor
en girasol que en Arabidopsis donde
el tamaño final de hojas de un
genotipo fue casi insensible al
deficit hidrico por una
compensación completa entre tasa y
duración.
•
Esta menor variabilidad era
esperable pero suficiente para que
existan respuestas contrastantes.
Estas se podrían aprovechar para
obtener variedades tolerantes.
Girasol
Pereyra Irujo y otros. 2008
J. Exp. Bot, 59 (8) 2221-2232
Análisis de curvas de crecimiento
14000
12000
área (mm 2)
10000
8000
0
200
400
600
6000
Tasa
4000
(pendiente
)
2000
Duración
0
0
100
200
300
400
tiempo térmico desde iniciación (ºCd)
500
600
Déficit hídrico y ecotipos en At
Aguirrezábal et al., 2006 Plant,
Cell & Env, 29 (2216. 2217)
testigo
déficit hídrico
Col-O
AN-1
Dijon-M
Caracterización de genotipos contrastantes (girasol)
Pereyra Irujo y otros. 2008 J. Exp. Bot, 59 (8) 2221-2232
Frente a un déficit hídrico:
Disminuye la tasa de
expansión de la hoja y
puede aumentar (efecto
positivo) la duración del
periodo durante el que se
expande la hoja.(Ej.
HAR2)
Área
de la
hoja
La disminución de la tasa
de expansión de la hoja
ocurre porque disminuye
la tasa de expansión de
las células y puede
disminuir la tasa de
división celular
El incremento en la
duración de expansión en
HAR2 fue explicado no
sólo por un incremento en
la duración de la
expansión celular sino
también por un
incremento de la duración
de la división celular.
Tasa
Rel.
Exp.
Tasa
Rel.
Div.
Dos procesos coordinados subyacen al crecimiento de un
órgano (expansión de células y tejidos y división celular).
Emergentes (Introducción)
El crecimiento:
En sentido estricto, crecimiento es el aumento irreversible del volumen de
una célula. Pero es extendido a tejidos, órganos etc.
1 -Comprenderlo es fundamental en Agronomía y Biología
2 -Se encuentra implicado en la respuesta de la planta a cambios en las
condiciones ambientales (ajuste de flujos, ajuste de superficie de intercambio
con el ambiente).
3- El ajuste del crecimiento de órganos es una respuesta precoz frente a un
déficit hídrico. El principal mecanismo implicado es la expansión de tejidos y
células.
4 - Dos procesos coordinados subyacen al crecimiento de un órgano
(expansión de células y tejidos y división celular). Los mecanismos biofísicos
y bioquímicos de regulación son diferentes.
La expansión de hojas. (Dónde, cuándo, cuánto)
En hojas de gramíneas, la
zona de crecimiento ocupa
un lugar fijo,
independientemente de la
longitud de la hoja (si las
condiciones ambientales
son constantes)
RER (cm/cm/°Cd)
0.12
70 cm
60
50
40
30
20 cm
0.09
0.06
0.03
0.00
0
2
4
6
8
Distancia a la base (cm)
Muller et al 2001
10
12
La expansión. (Dónde, cuándo, cuánto)
La zona de crecimiento ocupa un lugar fijo, independientemente de la
longitud de la hoja (si las condiciones ambientales son constantes) en
gramíneas. Lo mismo ocurre en raíces de cualquier especie.
Distancia al ápice(mm)
12
10
8
6
4
2
0
0.0 0.1 0.2
Tasa relativa
de expansión
(RER, h-1)
Método: se hacen marcas equidistantes
con tinta china y luego se mide como
cambió la distancia
Muller et al 1998
0
100
200
Longitud de células
corticales (µm)
División celular.
Ciclo celular. Su regulación
La velocidad de división celular
- varía en el espacio (ej distancia al ápice de la raíz, base de la hoja)
- puede ser afectada por el déficit hídrico, temperatura, luz
Cell division rate
(cell cell-1 h-1)
Déficit hídrico
Temperatura
0.08
0.04
0.03
Watered
0.06
25.5°C
0.02
0.04
19°C
0.01
Water
0.00 deficit
0
40
0.02
14°C
0
40
80
120
Distance to leaf insertion point (mm)
Método para medir dónde se expanden los
tejidos en gramíneas (matriz de agujas), Se
realizan orificios equidistantes y luego se
mide como cambió la distancia entre ellos
80
120
Granier et al., 2000, Plant Physiol,124 :1393-1402
0.00
División celular.
Ciclo celular. Su regulación
http://highered.mcgrawhill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__how_the_
cell_cycle_works.html
http://www.cellsalive.com/cell_cycle.htm
La duración del ciclo aumenta
cuando la velocidad de división
disminuye
Cual es la etapa limitante?
La duración de todas las fases aumenta proporcionalmente?
Las células se encuentran bloquedas en una fase?
División celular.
Ciclo celular. Su regulación
Cual es la etapa limitante?
% de núcleos
Vant'hof (stress de carbono)
M
G0-G1
G2
2C
4C
G0-G1 S G2-M
S
Nougarède (Gradiente espacial)
Granier y Tardieu (Gradiente espacial)
Francis (Stress Zn)
Granier y Tardieu (Déficit hídrico)
Granier y Tardieu (Radiación)
Vant'hof (stress de carbono)
La enzima clave es la pc34cdc2akinasa
Su actividad refleja la velocidad de división celular
Su regulación es compleja. Se encuentran implicadas numerosas proteínas,
activadores e inhibidores.
Los reguladores implicados serían diferentes para ‘gradiente espacial ’, diferentes
tipos de stress (hídrico, carbono, etc.)
Emergentes (División celular)
División celular
1. Un modelo biofísico bien establecido (ciclo celular) describe
formalmente la división celular. Las variaciones en su velocidad por
efecto de estreses se deben principalmente a variaciones en la duración
de la fase G0-G1.
2. El modelo bioquímico es complejo. La enzima identificada como clave
posee una regulación compleja.
Expansión
celular
Cosgrove, 2005
Expansión
Expansión de un tejido
Expansión = aumento irreversible del volumen  deformación elástica
Implica:
La deformación irreversible de un tejido
longitud
espesor
ancho
La deformación irrevesible de las paredes
celulares
dV/dt
El crecimiento depende de la turgencia (P) y de una
resistencia que es atribuida a las paredes celulares (m,
extensibilidad de la pared e Y umbral de cedencia
, Lockhart)
dV/dt = m (P - Y)
P
Expansión
Rol de la turgencia en la expansión de la célula
La turgencia se opone a la entrada de agua en la célula (primera ecuación de
Lockhart)
dV/(dt V) = L . ( D Yo(ext-int) - P )
dV/(dt V) = velocidad relativa de expansión
celular
L= permeabilidad de paredes y membranas al
agua
La turgencia permite la expansión (segunda ecuación de Lochart).
dV/(dt V) = m (P - Y)
La turgencia es el ’motor ’ de la expansión…..pero la turgencia no
es suficiente para explicar las variaciones espaciales y temporales
en la expansión. La expansión se encuentra regulada por las
características mecánicas de la pared celular (m, Y)
Relación entre la presión de turgencia
y la velocidad de expansión de los tejidos
Las raíces pueden alargarse
a bajo
potencial agua (Yw) mientras que el
crecimiento foliar es nulo al mismo
potencial.
El Yp :
- no varía dentro de la zona de crecimiento
(en la cual hay una importante variación
espacial del alargamiento.
Spatial distribution of (A) relative elemental
elongation rate, and (B) turgor in the apical 10
mm of maize primary roots grown at high (-0.02
MPa) or low (-1.6 MPa) Y in vermiculite.
(Modified from Spollen and Sharp, 1991, Plant
Phy, 96:438-443.)
con
Ya
La turgencia es el ’motor ’ de
la expansión…..pero la turgencia
sola no es suficiente. La
expansión se encuentra regulada
por las características mecánicas
de la pared celular (m, Y)
Pared celular
- Matriz = pectina/ hemicelulosa
-Microfibrillas de celulosa ligadas a glicanos de tipo
xiloglucanos. Esto permitiría ligar las microfibrillas entre sí
(en
monocotiledóneas,
poco
arabinoxilano y 1-3, 1-4 B glucanos)
xiloglucanos, y más
Estructura de pared
primaria,
síntesis de diferentes
componentes
Cosgrove, 2005
síntesis de
celulosa
Cosgrove, 2005
Cómo forma la hemicelulosa una red con las microfibrillas de
celulosa?
Diferentes modelos
Cosgrove, 2005
Pared celular
- Matriz = pectina/ hemicelulosa
-Microfibrillas de celulosa ligadas a glucanos de tipo xiloglucanos. Esto permitiría
ligar las microfibrillas entre sí
(en monocotiledóneas,
glucanos)
poco
xiloglucano, y más arabinoxilano y 1-3, 1-4 B
Para que la expansión pueda producirse, la pared debe ser extensible,
permitiendo la separación de microfibrillas y la incorporación de nuevo
material.
Las microfibrillas de celulosa no son extensibles y no son
degradables. Sólo pueden desplazarse en relación con las otras
La expansión de la pared depende de la ‘ red ’ de microfibrillas
modelo biofísico para explicar la expansión de la célula
Aumento
de la tensión
de la pared
Yp
La pared
se relaja
Yp diminuye
Yw = Yp - Yo
Yw diminuye
Entrada de agua en la célula
expansión
Lockhart, 1965 - Green and Cleland, 1972
modelo biofísico para explicar la extensión de la pared celular
xiloglucanos
Microfibrillas
de celulosa
Cosgrove, 1993, Plant Phy, 102 : 1-6
1- las cadenas de xiloglucanos se encuentran sometidas a tensión (presión de
turgencia).
2 -una de las cadenas se distiende, la tensión se reduce
(por efecto de ruptura de un puente hidrógeno, escisión de xiloglucano…)
3- entrada de agua en la célula, ocurre la expansión
modelo biofísico para explicar la extensión de la pared celular
Modelo de Cosgrove, 1981 (continuación)
B
dV/dt
A
C
P
Cómo se produce el relajamiento de la pared?
Modelo de Cosgrove (1981) - la actividad de
las enzimas implicadas en la relajación de la
pared aumenta la extensibilidad de la
misma , y por lo tanto el crecimiento de la
célula (A). En consecuencia, la turgencia
disminuye (B) permitiendo la entrada de
agua, lo que restablece la turgencia a su
nivel inicial(C).
Extensibilidad de las paredes celulares
El crecimiento ‘ácido’
http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp38/3802003.html
Elong. rate
pH 4.8
pH 6.8
De McQueen Mason, 1995, J Exp
Bot, 46 : 1639-1650
El pasaje a pH ácido incrementa el alargamiento de las paredes provenientes de
cualquiera de las zonas. Este experimento se realizó sobre fragmentos de pared
pero esto ha sido verificado sobre órganos ‘ in planta ’
Extensibilidad de las paredes celulares
El crecimiento ‘ácido’
De Cosgrove 1998, Plant Physiol 118: 333-339.
A-Preparación de las paredes para probar el efecto de factores exógenos sobre su
extensión. Se mata las células : no hay posibilidad de síntesis ‘ de novo ’ de la pared.
B- El pasaje de pH 6.8 à 4.5 causa la extensión de la pared.
El crecimiento ‘ácido’requiere de proteinas‘ nativas ’
de pared.
Evidencia del rol de las poteínas de la familia de las expansinas
La extensión inducida por la acidez
no se produce si se hierven las
paredes
De McQueen Mason, 1995, J Exp Bot, 46 : 1639-1650
…..pero la extensión se recupera si
se agregan proteinas de pared
nativas).
Evidencia que las expansinas
(30kDa) se encuentran implicadas
De Cosgrove 1998, Plant Physiol 118: 333-339.
Qué son las expansinas?
- proteínas extraidas de las paredes celulares y que permiten el
crecimiento
- rol catalítico no elucidado (‘ lubricante ’ en la pared por ruptura de
uniones hidrógeno xiloglucanos-celulosa?)
- familia multigénica (25 miembros en A. thaliana)
- expresada en los frutos en maduración
- sobreexpresión (tomate) = ablandamiento de tejidos
- inducen la formación de primordios en el domo apical (tomate)
Modo de acción de las expansinas
- No poseen actividad enzimática conocida (ni transglicosilasa ni
hidrolítica)
Hipótesis
- cortarían las uniones hidrógeno (rol de ‘ lubricante ’)
xiloglucanos
Microfibrillas
de celulosa
Se conocen además enzimas que modifican la extensibilidad
Enzimas que pueden modificar la extensibilidad de la
pared
(1) Aumentarla: xiloglucano endo transglicolasa (XET), Endoglucanasas
(2) Disminuirla: Peroxidasas parietales
XET: puede cortar y unir las moléculas de xiloglucanos entre sí.
xiloglucanos
Microfibrillas
de celulosa
Análisis de curvas de crecimiento
14000
12000
área (mm 2)
10000
8000
0
200
400
600
6000
Tasa
4000
(pendiente
)
2000
Duración
0
0
100
200
300
400
tiempo térmico desde iniciación (ºCd)
500
600
¿Qué detiene la expansión de los órganos (cómo se determina la
duración de expansión)?
Durante algún tiempo después de detenerse el crecimiento, la expansión puede
recomenzar, la pared no se rigidifica de manera “instantánea”
(a) Arabidopsis thaliana - leaf 12
Rewatering
Water deficit
imposition
Rewatering
400
2
Leaf area (mm )
150
300
100
200
50
100
0
0
100
200
300
400
500
Degree days after leaf initiation (°Cd)
Pero esta
respuesta
disminuye
con el tiempo
hasta
desaparacer
(los tejidos
se van
rigidificando)
200
Leaf area (cm2)
En las dos
especies la
expansión
de la hoja
recomienza
luego de
reirrigar.
Water deficit
imposition
(b) Helianthus annuus - leaf 8
600
700
0
100
200
300
400
500
Degree days after leaf initiation (°Cd)
600
0
700
Lechner et al,
2008 Annals of
Botany, 101:
1007-1015
Enzimas que pueden modificar la extensibilidad de la pared
La actividad XET es máxima cuando la expansión relativa es mayor, pero permanece
alta en órganos que ya han finalizado su expansión.
Tomate en expansión
Un pico de actividad de peroxidasas parietales se encuentra asociado al final de expansión de órganos.
120
Superficie relativa de las hojas
Superficie relativa
Actividad peroxidasas
1,0
100
0,8
80
0,6
60
0,4
40
0,2
20
0,0
Actividad de peroxidasas apoplásticas (U/g/min)
1,2
Lechner et al ,
SAIB, 2006,
hojas de
girasol
Thompson et
al., 1998,
Plant, Cell and
Env. 21: 589599, frutos de
tomate
0
0
200
400
600
800
Tiempo térmico acumulado desde la aparición de cada hoja (ºCd)
Rol de XET para aumentar la extensibilidad de las paredes combinado con la actividad peroxidasa para
ridificarla
Cosgrove, 2005
Enzimas que pueden modificar la extensibilidad de la pared
La actividad XET es máxima cuando la expansión relativa es mayor, pero permanece
alta en órganos que ya han finalizado su expansión.
Tomate en expansión
Un pico de actividad de peroxidasas parietales se encuentra asociado al final de expansión de órganos.
120
Superficie relativa de las hojas
Superficie relativa
Actividad peroxidasas
1,0
100
0,8
80
0,6
60
0,4
40
0,2
20
0,0
Actividad de peroxidasas apoplásticas (U/g/min)
1,2
Lechner et al ,
SAIB, 2006,
hojas de
girasol
Thompson et
al., 1998,
Plant, Cell and
Env. 21: 589599, frutos de
tomate
0
0
200
400
600
800
Tiempo térmico acumulado desde la aparición de cada hoja (ºCd)
Rol de XET para aumentar la extensibilidad de las paredes combinado con la actividad peroxidasa para
ridificarla
Envejecimiento (“aging”)
ocasionado por procesos aleatorios que determinan senectud
Formación de radicales libres(ROS) y daños a diferentes organelas
En determinadas condiciones se satura la capacidad del sistema
fotosintético para transportar electrones. Algunos clivan
polisacáridos
Se generan especies reactivas de oxígeno
Oxígeno singlete
1O *
2
Especies reducidas
-
superóxido
-Peróxido
de hidrógeno
-radical
hidroxilo
O2H2O2
OH-
Rol de ROS
• Además del rol “negativo”de ROS se han
postulado efectos “positivos” ligados a la
acción no enzimática de ROS,
especialmente de HO- sobre el clivado de
polisacáridos de pared y su acción en el
ablandamiento de la misma.
Rol de ROS
Fry, 1998
Rol de ROS
• Además del rol “negativo”de ROS se han
postulado efectos “positivos ligados a la
acción no enzimática de ROS,
especialmente de HO- sobre el clivado de
polisacáridos de pared y su acción en el
ablandamiento de la misma.
• El rol fisiológico de ROS en la expansión
celular es aún discutido
Modelo bioquímico que describe la pared y la actividad de
enzimas que pueden inducir la extensibilidad de las paredes
Matriz
=
pectina/
hemicelulosa
-Microfibrillas de celulosa
unidas a glucanos de tipo
xiloglucano que pueden
unir
entre
sí
las
microfibrillas.
- H+ ATPasa sobre membrana citoplasmática disminuyen el pH, activación de las
expansinas
- Expansinas: disminuyen la adhesión de las microfibrillas a la matriz.
- Xiloglucano Endo Transglicosilasa (XET) : cortan y unen los glucanos de la matriz
- Endoglucanasas cortan los xiloglucanos
-Peroxidasas parietales: provocan la rigidificación de la pared
Emergentes
Expansión de células y tejidos
1. Un modelo biofísico bien establecido (Lockhart) describe formalmente la
expansión de células y tejidos.
La turgencia es el ’motor ’ de la expansión…..pero la turgencia sola no es
suficiente para explicar las variaciones espaciales y temporales en la
expansión. La expansión se encuentra regulada por las características
mecánicas de la pared celular (m, Y)
2. El modelo bioquímico es menos completo.
Se han identificado proteínas (expansinas) y enzimas (XET, peroxidasas
parietales) relacionadas con la extensión de la pared. Las actividad y/o
cantidad de las mismas se encuentra bajo control genético y/o ambiental (ej.
déficit hídrico).
Emergentes (Crecimiento)
El crecimiento es una variable de ajuste importante, rápida y sobre la que
existe polimorfismo.
Existen modelos formales para analizarlo (‘ análisis del crecimiento ’, ej.
ver Trabajo teórico- práctico).
Existen modelos bien formalizados para analizar los ‘ mecanismos ’
implicados (ej. los modelos biofísicos para expansión - Lockhart- y para
división - ciclo celular).
Estos marcos pueden ser utillizados para analizar el efecto de un estrés,
detectar polimorfismo y buscar los genes asociados a sus controles