Biología universitaria — tercer año · Bachelor Year 3

22Fisiología molecular vegetal y respuestas al estrés

Una plántula de judía crecida en un armario a oscuras es una cosa pálida y desgarbada: un tallo largo y blanco, un gancho en lo alto, dos hojas amarillas plegadas. Llévesela a una ventana y en un día habrá dejado de alargarse, habrá enderezado el gancho y habrá extendido y vuelto verdes sus hojas —otro organismo, a partir de los mismos genes. No estaba esperando energía; estaba esperando información. Un fotón rojo absorbido por una sola proteína le dice que ha alcanzado la luz; la razón entre el rojo y el rojo lejano le dice si tiene encima la hoja de un vecino; la duración de la noche le dice la estación; una caída del potencial hídrico de sus raíces, un roce de viento, la flagelina de una bacteria sobre su hoja —cada cosa la detecta un receptor, se convierte en una señal química y se responde con un cambio en qué genes se expresan y qué células crecen. Una planta no puede huir de su ambiente; ha de leerlo y remodelarse. Este capítulo trata de esa lectura: los fotorreceptores, las hormonas y cómo actúan a escala molecular, las respuestas a la sequía, la sal, el frío y el calor, y el sistema inmunitario de dos capas que las plantas desarrollaron sin una sola célula móvil.

22.1 Leer la luz

Definición 22.1 (Fotorreceptores)

Las plantas perciben la luz con tres familias de proteínas, ninguna de ellas clorofila. Los fitocromos son dímeros con un pigmento bilínico que la luz roja ( $660\,\mathrm{nm}$ ) conmuta de la forma inactiva Pr a la activa Pfr, y el rojo lejano ( $730\,\mathrm{nm}$ ) devuelve; Pfr entra en el núcleo y marca para su degradación a una familia de factores de transcripción, los PIF, lo que libera los genes del desarrollo a la luz; en la oscuridad Pfr revierte despacio. Los criptocromos (azul, $450\,\mathrm{nm}$ ) son flavoproteínas emparentadas con enzimas de reparación del ADN, y gobiernan la desetiolación, el reloj y la floración; las fototropinas (azul) son cinasas de membrana que dirigen la curvatura hacia la luz, la apertura de los estomas y el movimiento de los cloroplastos. Una plántula a oscuras está etiolada —hipocótilo largo, cotiledones cerrados, sin clorofila, con todos los recursos gastados en alcanzar la superficie—; la luz la conmuta a la fotomorfogénesis, y el interruptor lo accionan Pfr y el criptocromo al inactivar un único complejo represor (COP1) que en la oscuridad destruye los factores de transcripción del programa de luz. La luz se lee, pues, dos veces: como energía, por el cloroplasto, y como señal, por receptores sensibles a flujos de fotones un millón de veces menores.

Proposición 22.2 (El fotoequilibrio del fitocromo)

Bajo luz continua, Pr y Pfr se interconvierten hasta que las dos velocidades de fotoconversión se equilibran: con $k_{1}$ la velocidad de Pr $\to$ Pfr (proporcional al flujo rojo) y $k_{2}$ la de Pfr $\to$ Pr (proporcional al flujo de rojo lejano, más algo del rojo, que Pfr también absorbe), la fracción de forma activa es

\varphi = \frac{[\text{Pfr}]}{[\text{Pfr}] + [\text{Pr}]} = \frac{k_{1}}{k_{1} + k_{2}},

independiente del flujo total y fijada solo por la razón rojo:rojo lejano $\zeta$ de la luz. El rojo puro da $\varphi \approx 0.87$ (Pfr absorbe también algo de rojo); el rojo lejano puro, $0.03$ ; la luz del día a cielo abierto, $\zeta \approx 1.15$ , da alrededor de $0.55$ , y la luz bajo una cubierta de hojas, cuya clorofila ha retirado el rojo y ha dejado pasar el rojo lejano, tiene $\zeta \approx 0.2$ y $\varphi \approx 0.2$ . Una planta lee su $\varphi$ como la presencia de vecinos: un valor bajo dispara el síndrome de evitación de la sombra —tallos alargados, hojas levantadas, floración temprana, menos ramificación— a través de los PIF que Pfr ya no destruye. La plantación densa de un agricultor es una carrera de plantas que huyen de la sombra; los trigos enanos de la Revolución Verde, insensibles a la señal, pusieron en el grano el crecimiento ahorrado.

Demostración. $\mathrm{d}[\text{Pfr}]/\mathrm{d}t = k_{1}[\text{Pr}] - k_{2}[\text{Pfr}]$ con $[\text{Pr}] + [\text{Pfr}] = P$ fijo da, en estado estacionario, $k_{1}(P - [\text{Pfr}]) = k_{2}[\text{Pfr}]$ , de donde $\varphi = k_{1}/ (k_{1} + k_{2})$ . Ambas velocidades son proporcionales al flujo incidente, de modo que escalar la luz escala las dos y deja $\varphi$ sin cambio; solo importa la composición espectral. El estado estacionario se alcanza con una velocidad $k_{1} + k_{2}$ —segundos a pleno sol, minutos al atardecer— y la reversión en la oscuridad de Pfr, con una semivida de horas, fija lo que queda por la noche. ∎

El interruptor del fitocromo. La luz roja fabrica la forma activa, el rojo lejano la deshace y la oscuridad la revierte despacio; la fracción estacionaria de forma activa depende del equilibrio de colores de la luz y no de su brillo, que es como una plántula sabe que tiene una hoja encima.

Evidencia. Borthwick, Hendricks y sus colaboradores (1952) dieron destellos breves a semillas de lechuga: el rojo las hacía germinar, el rojo lejano dado después lo cancelaba, el rojo de nuevo lo restauraba, y así a lo largo de una docena de alternancias —decidía el último destello, la firma de un pigmento reversible, que después extrajeron (1959) como una proteína azul que cambiaba su espectro de absorción con el rojo y el rojo lejano. Más tarde se demostró que todo el programa de la plántula crecida a oscuras pende de un solo represor: los mutantes sin COP1 se desarrollan en oscuridad total como si estuvieran a la luz, cortos y listos para verdear, y los mutantes deficientes en fitocromo y en criptocromo siguen etiolados a la luz. ∎

Plántulas crecidas en la oscuridad y a la luz: el mismo genoma, dos programas de desarrollo, y la diferencia es un solo fotón rojo absorbido por el fitocromo.

22.2 Las hormonas a escala molecular

Definición 22.3 (Las hormonas vegetales y sus receptores)

El volumen del Año 1 describió qué hacen las hormonas vegetales; aquí va cómo se las oye. Varias actúan por destrucción regulada. La auxina (ácido indol-3-acético) se une a la proteína F-box TIR1 y la pega a los represores Aux/IAA, que quedan entonces ubiquitinados y son destruidos por el proteasoma: los genes de respuesta a la auxina que reprimían se encienden en minutos —la hormona es un pegamento molecular, y el receptor forma parte de la maquinaria de degradación. La giberelina hace lo mismo con los represores DELLA del crecimiento, a través de su receptor GID1: los trigos y arroces enanos de la Revolución Verde llevan proteínas DELLA que no pueden destruirse y por eso siguen siendo bajos por mucha giberelina que fabriquen. El jasmonato sigue la misma lógica con los represores JAZ. El ácido abscísico (ABA), la hormona de la sequía y de la latencia, se une a los receptores PYR/PYL, que inhiben entonces una fosfatasa (PP2C) y liberan una cinasa (SnRK2) que fosforila canales iónicos y factores de transcripción —una doble negación que vuelve empinada la respuesta. El etileno, un gas, se une a receptores con cobre de la membrana del retículo que, en su ausencia, reprimen activamente la respuesta; al unirse los apaga, y se encienden los genes de la maduración, la senescencia y el estrés. Las citoquininas actúan a través de receptores de histidina-cinasa como los sistemas bacterianos de dos componentes; los brasinoesteroides, los esteroides de la planta, a través de una cinasa receptora de superficie y no de un receptor nuclear —las únicas hormonas esteroideas que en parte alguna se oyen en la superficie celular. Las plantas no tienen glándulas: cada hormona se fabrica donde hace falta, o la mueven transportadores específicos, y su concentración la fijan localmente la síntesis, la conjugación y la destrucción.

Teorema 22.4 (Transporte polar quimiosmótico de la auxina)

El ácido indol-3-acético es un ácido débil, $\mathrm{p}K_{a} = 4.75$ . En el espacio de la pared celular, a pH $5.5$ , una fracción apreciable es el IAAH neutro, que difunde a través de la membrana; en el citosol, a pH $7.2$ , casi todo es el anión IAA $^{-}$ , que no puede salir por difusión. En el equilibrio de la forma neutra a través de la membrana, la razón entre la auxina total de dentro y la de fuera es

\frac{[\text{IAA}]_{\text{int}}}{[\text{IAA}]_{\text{ext}}} = \frac{1 + 10^{\,\mathrm{pH}_{\text{int}} - \mathrm{p}K_{a}}}{1 + 10^{\,\mathrm{pH}_{\text{ext}} - \mathrm{p}K_{a}}} \approx \frac{283}{6.6} \approx 43 :

la célula atrapa la auxina cuarenta veces. Solo puede salir por los transportadores de expulsión PIN, y como cada célula coloca sus PIN en una sola cara —la basal, en el tallo—, la auxina captada por todas partes sale por abajo, entra en la célula siguiente, y así sucesivamente: una columna de células con la misma polaridad es una cinta transportadora que mueve la auxina a alrededor de $1\,\mathrm{cm}/\mathrm{h}$ desde el ápice del brote hasta la raíz, y reorientar los PIN redirige la corriente, que es como un lado sombreado de un tallo llega a contener más auxina y a crecer más deprisa.

Demostración. Henderson–Hasselbalch: $[\text{IAA}^{-}]/[\text{IAAH}] = 10^{\,\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_{a}}$ , de modo que el total $= [\text{IAAH}](1 + 10^{\,\mathrm{pH} - \mathrm{p}K_{a}})$ . La forma neutra se equilibra, $[\text{IAAH}]_{\text{int}} = [\text{IAAH}]_{\text{ext}}$ ; dividir los totales da la razón, $(1 + 10^{2.45})/(1 + 10^{0.75}) = 283/6.6$ . Con los PIN en una sola cara, la única salida del anión es direccional; una columna de $n$ células se pasa el flujo, y la velocidad medida, un orden de magnitud por encima de la difusión a estas distancias, es la de una expulsión mediada por transportadores en cada límite celular. La hipótesis de Cholodny–Went (años veinte), según la cual la curvatura sigue a una redistribución lateral de auxina, se confirmó por medida directa en coleóptilos de avena y por imagen de la reubicación de los PIN en raíces de Arabidopsis tumbadas de lado (años dos mil). ∎

El modelo quimiosmótico del transporte polar de auxina. El ácido entra por cualquier cara como molécula neutra, queda atrapado como anión al pH del citosol y sale solo por transportadores que la célula ha colocado en una cara —de modo que una fila de células pasa la auxina en un solo sentido.

Ejemplo 22.5 (Gravitropismo y fototropismo)

Túmbese de lado una plántula. En la cofia de la raíz, unos plastos densos llenos de almidón se posan en minutos sobre el nuevo lado inferior de las células de la columela; los transportadores PIN3 de esas células se reubican en la cara inferior; la auxina fluye preferentemente por el flanco inferior de la raíz, donde, por encima del óptimo de las células radiculares, inhibe la elongación, y la raíz se curva hacia abajo. En el brote, el mismo flujo lateral hacia el lado inferior favorece la elongación (el óptimo de las células del brote es más alto), y el brote se curva hacia arriba. Fototropismo: la fototropina del lado iluminado de un brote altera la colocación de los PIN de modo que la auxina se acumula en el lado sombreado, que crece más deprisa y curva el brote hacia la luz. Ambos movimientos son lentos —horas— porque son crecimiento y no movimiento, y ambos son irreversibles en el tejido que ha crecido. Darwin (1880) mostró que el ápice de una plántula de gramínea percibe la luz y que la región de debajo se curva; Went (1928) recogió la influencia en un bloque de agar colocado sobre un ápice cortado y mostró que un bloque puesto de forma asimétrica sobre un brote decapitado lo hacía curvarse: la influencia era una sustancia difusible, a la que se llamó después auxina.

22.3 Agua, sal, frío y calor

Definición 22.6 (El estrés abiótico)

Una planta no puede escapar, así que se endurece. La sequía: la caída del potencial hídrico en las raíces dispara la síntesis de ABA; el ABA cierra los estomas en minutos y, a lo largo de días, enciende genes para el ajuste osmótico (se acumulan prolina, azúcares y otros solutos compatibles, que bajan el potencial hídrico de la célula para que siga atrayendo agua), para dehidrinas que protegen las proteínas, y para una superficie foliar menor y una raíz más profunda. La sal es sequía más veneno: el sodio entra por los canales de potasio y compite con el potasio; las plantas tolerantes lo devuelven al exterior de las raíces (la vía SOS), lo meten en vacuolas (intercambiadores NHX) o lo excretan por glándulas foliares, y su extremo halófito vive en agua de mar. El frío: el enfriamiento rigidiza las membranas y frena las enzimas; la congelación extrae agua de las células hacia el hielo extracelular y las deseca. La aclimatación al frío —una semana de días frescos— induce los factores de transcripción CBF, que encienden cientos de genes de lípidos que fluidifican la membrana, azúcares, proteínas anticongelantes y dehidrinas, y un centeno de invierno que moriría a $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en agosto sobrevive a $-30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en enero. El calor desnaturaliza las proteínas; a los pocos minutos de una subida, un factor de choque térmico libera proteínas de choque térmico, chaperonas que las repliegan o las eliminan, de las mismas familias que en todo organismo. La inundación priva de oxígeno a las raíces; el arroz fabrica canales de aire (aerénquima) y se alarga para mantener las hojas por encima del agua, siendo el etileno la señal que se acumula cuando no puede escapar al agua. Muchos de estos programas se solapan —el ABA, las especies reactivas del oxígeno y los picos de calcio son segundos mensajeros compartidos—, y una planta aclimatada a un estrés suele quedar en parte protegida frente a otro.

Proposición 22.7 (El estoma como válvula)

Un par de células oclusivas delimita cada poro estomático; el poro se abre cuando captan potasio y aniones (y fabrican azúcar), se hinchan y se arquean separándose, y se cierra cuando los pierden. La luz azul (fototropinas), el CO $_{2}$ bajo y la humedad lo abren; la oscuridad, el CO $_{2}$ alto, la sequía y el ABA lo cierran. La ruta del ABA: receptor $\to$ fosfatasa inhibida $\to$ cinasa activa $\to$ canales de aniones (SLAC1) abiertos $\to$ la membrana se despolariza $\to$ el potasio sale por canales de salida $\to$ el agua lo sigue $\to$ el poro se cierra, en diez minutos. El poro es donde se hace el intercambio central de la planta: el CO $_{2}$ difunde hacia dentro y el vapor de agua hacia fuera por el mismo agujero, y como el gradiente de vapor (una hoja al $100\,\%$ de humedad por dentro frente a un aire al $50\,\%$ ) es cincuenta veces más empinado que el gradiente de CO $_{2}$ ( $400\,\mathrm{ppm}$ fuera, $250\,$ dentro), una hoja pierde varios cientos de moléculas de agua por cada molécula de carbono que fija. La conductancia estomática $g_{s}$ fija ambos flujos: la transpiración $E = g_{s}\,\Delta w$ y la asimilación $A = (g_{s}/1.6)\,\Delta c$ (el CO $_{2}$ , más pesado, difunde $1.6$ veces más despacio), de modo que la eficiencia en el uso del agua $A/E = \Delta c/(1.6\,\Delta w)$ depende de los gradientes y no de cuánto se abra el poro; cerrar el poro baja los dos flujos a la vez, y elevar el CO $_{2}$ interno (las plantas C $_{4}$ , que lo concentran) o abrir solo de noche (las plantas CAM, en aire fresco y húmedo) es como mejoran la razón las plantas del desierto.

Demostración. La ley de Fick a través del poro para cada gas, con la misma conductancia geométrica escalada por la razón de los coeficientes de difusión $D_{\mathrm{H_2O}}/D_{\mathrm{CO_2}} = 1.6$ ; dividir los dos flujos cancela $g_{s}$ . Números: $\Delta w \approx 15\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ de aire a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y $50\,\%$ de humedad, $\Delta c \approx 150\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{mol}$ : $A/E = 150/(1.6\times15\,000) = 1/160$ — $160$ moléculas de agua por CO $_{2}$ en esas condiciones suaves, y $500$ en aire seco. La secuencia de acción del ABA se estableció con protoplastos de células oclusivas bajo pinza de membrana, con la corriente aniónica apareciendo en menos de un minuto tras el ABA y el mutante sin SLAC1 incapaz de cerrar. ∎

El estoma y la señal que lo cierra. El agua y el dióxido de carbono comparten el poro, de modo que la planta cambia el uno por el otro a un ritmo que fijan los dos gradientes; la hormona de la sequía cierra la válvula mediante una cadena de dos inhibiciones, lo que vuelve la respuesta parecida a un interruptor.

Izquierda: estomas en la superficie de una hoja, cada poro entre sus dos células oclusivas, unos abiertos y otros cerrados. Derecha: Arabidopsis thaliana, una mala hierba de cuneta con un genoma pequeño, una generación de seis semanas y cien mil líneas mutantes, en la que se hallaron casi todas las moléculas de este capítulo. — Izquierda: estomas en la superficie de una hoja, cada poro entre sus dos células oclusivas, unos abiertos y otros cerrados. Derecha: *Arabidopsis thaliana*, una mala hierba de cuneta con un genoma pequeño, una generación de seis semanas y cien mil líneas mutantes, en la que se hallaron casi todas las moléculas de este capítulo.

22.4 Inmunidad sin células inmunitarias

Definición 22.8 (Las dos capas de la inmunidad vegetal)

Toda célula vegetal es su propia célula inmunitaria. La primera capa, la inmunidad desencadenada por patrones (PTI), emplea cinasas receptoras de superficie que reconocen moléculas comunes a clases enteras de microbios —FLS2 une un trozo de veintidós aminoácidos de la flagelina bacteriana, y otras unen fragmentos de quitina de las paredes fúngicas— y en minutos lanza una entrada de calcio, una explosión de oxígeno reactivo, cascadas de cinasas, el cierre de los estomas, el engrosamiento de la pared con calosa y la transcripción de cientos de genes de defensa; con eso contiene a la mayoría de los microbios. Los patógenos que triunfan inyectan efectores —proteínas que inutilizan componentes de la PTI— y contra ellos la segunda capa, la inmunidad desencadenada por efectores (ETI), despliega receptores NLR intracelulares (de unión a nucleótidos y repeticiones ricas en leucina), cada uno de los cuales reconoce un efector o el daño que causa, en el emparejamiento gen a gen que Flor describió en la roya del lino (años cuarenta). La ETI es más rápida y más fuerte que la PTI y suele terminar en la respuesta hipersensible: la célula infectada y sus vecinas se matan y encierran al patógeno en tejido muerto —las pequeñas motas pardas de una hoja resistente. Ambas capas liberan hormonas que llevan la alarma: el ácido salicílico contra los biótrofos (que se alimentan de células vivas), que desencadena una resistencia sistémica adquirida por toda la planta durante semanas; el ácido jasmónico y el etileno contra los necrótrofos (que matan y luego se alimentan) y contra los insectos masticadores, con jasmonatos volátiles que avisan a las plantas vecinas y atraen a los parasitoides de los insectos. Las dos hormonas se antagonizan, y algunos patógenos lo aprovechan: una bacteria que fabrica un imitador del jasmonato apaga la defensa del salicilato que la habría detenido.

El zigzag de la coevolución entre planta y patógeno. Los receptores de superficie levantan una defensa contra moléculas microbianas comunes; los patógenos inyectan efectores que la suprimen; las plantas desarrollan receptores intracelulares para los efectores; los patógenos los pierden o los alteran; y así sucesivamente, dejando cada paso genes de resistencia y de virulencia que los fitomejoradores y los patógenos siguen intercambiando.

Evidencia. Flor (años cuarenta) cruzó variedades de lino y cepas de roya y halló que la resistencia a cada cepa segregaba como un único gen dominante de la planta emparejado con un único gen de avirulencia del hongo —la relación gen a gen, inexplicada durante cincuenta años, hasta que se clonaron los primeros genes NLR (1994) y se mostró que los primeros pares efector–receptor se unían o marcaban el daño del otro. Gómez-Gómez y Boller (2000) hallaron el mutante de Arabidopsis ciego a la flagelina, fls2, y mostraron que su cinasa receptora unía el péptido flg22 a concentración nanomolar y que el mutante era más susceptible a las bacterias rociadas sobre sus hojas, pero no a las inyectadas en ellas —el receptor vigila la superficie y los estomas por los que entran las bacterias. Ross (1961) inoculó un virus en una hoja de una planta de tabaco y halló las demás hojas resistentes una semana después: la resistencia sistémica adquirida, de la que más tarde se mostró que necesita ácido salicílico, que la planta fabrica por la misma vía que el precursor de la aspirina. ∎

Ejemplo 22.9 (El reloj de la planta y la duración del día)

Las plantas mantienen un reloj circadiano del mismo diseño que el animal y de piezas no emparentadas: unos factores matutinos (CCA1, LHY) reprimen un gen vespertino (TOC1) cuyo producto los reprime a ellos, con más bucles que hacen robusto un ciclo de 24 horas incluso en luz constante, y que anticipan el amanecer abriendo los estomas y encendiendo los genes de la fotosíntesis una hora antes que el sol. La salida más trascendental del reloj es la medida de la duración del día. En Arabidopsis, una planta de día largo, el reloj hace que la proteína CONSTANS se acumule a última hora de la tarde; en un día largo esa tarde sigue iluminada, el fitocromo y el criptocromo estabilizan la proteína, y esta enciende FT en la hoja; en un día corto la proteína se fabrica a oscuras y se destruye. La proteína FT, el florígeno que los experimentos de injerto perseguían desde Chailakhyan (1936), viaja por el floema hasta el ápice del brote y, con un compañero allí, convierte el ápice de fabricar hojas en fabricar flores. Las plantas de día corto (arroz, soja) emplean el mismo reloj con el signo invertido. Una planta lee así el calendario comparando un ritmo interno con la luz externa —la “coincidencia externa” que Bünning propuso en 1936 y que la genética molecular hizo literal setenta años después.

Observación 22.10 (Quedarse quieta, cambiarlo todo)

La respuesta del animal a un ambiente malo es marcharse; la de la planta, convertirse en otra planta. Tiene receptores para el color y la dirección de la luz, el tirón de la gravedad, el potencial hídrico de su suelo, el roce del viento y la química de sus enemigos; sus hormonas actúan destruyendo represores, de modo que una señal puede conmutar un programa en minutos; y cada una de sus células es su propio sensor, su propio sistema inmunitario y, si hace falta, su propio meristemo regenerador. Los trigos enanos que alimentaron a un mundo creciente fueron una proteína DELLA que no podía degradarse; los cultivos tolerantes a la sequía de las próximas décadas serán, en buena medida, cuestión de receptores de ABA, de conductancia estomática y de la eficiencia en el uso del agua que este capítulo ha calculado.

22.5 Ejercicios

Ejercicio 22.1 ★

Enumérense las tres familias de fotorreceptores con sus longitudes de onda y una respuesta de cada una. ¿Por qué necesita una planta fotorreceptores si ya tiene clorofila?

Solución

Solución de Ejercicio 22.1.

Fitocromos, rojo $660\,\mathrm{nm}$ y rojo lejano $730\,\mathrm{nm}$ : desetiolación, evitación de la sombra, germinación. Criptocromos, azul $450\,\mathrm{nm}$ : desetiolación, reloj, floración. Fototropinas, azul: curvatura hacia la luz, apertura estomática, movimiento de los cloroplastos. La clorofila mide la luz como energía y no hace nada con la información; los fotorreceptores leen el color, la dirección y la duración a flujos un millón de veces menores y cambian la expresión génica —la diferencia entre comerse la luz y leerla.

Ejercicio 22.2 ★

Explíquese cómo comparten mecanismo de acción la auxina, la giberelina y el jasmonato, y por qué eso vuelve rápida la respuesta.

Solución

Solución de Ejercicio 22.2.

Cada hormona promueve la ubiquitinación y la destrucción de un represor: la auxina pega TIR1 a las proteínas Aux/IAA, la giberelina unida a GID1 entrega las proteínas DELLA a una ligasa F-box, y el jasmonato pega COI1 a las proteínas JAZ. Los represores ya están sentados sobre sus genes diana con los activadores preparados al lado, de modo que no hace falta fabricar proteína nueva: destruir el represor, cosa que el proteasoma hace en minutos, enciende los genes de inmediato.

Ejercicio 22.3 ★

Descríbase la secuencia de sucesos desde que el ABA llega a una célula oclusiva hasta que el poro se cierra, y nómbrese el punto en el que una mutación dejaría a la planta incapaz de cerrar sus estomas.

Solución

Solución de Ejercicio 22.3.

El ABA se une a PYR/PYL; el complejo inhibe la fosfatasa PP2C; la cinasa SnRK2 (OST1), ya no desfosforilada, se activa y fosforila el canal aniónico SLAC1; los aniones salen, la membrana se despolariza, se abren los canales de salida de potasio, salen el K $^{+}$ y después el agua, la turgencia cae y las células oclusivas se desinflan juntas. Cualquier eslabón puede romperse: sin receptores, con una fosfatasa que no puede inhibirse (el clásico mutante abi1), sin OST1 o sin SLAC1 —cada caso da una planta lacia cuyos estomas siguen abiertos en la sequía.

Ejercicio 22.4 ★

Distínganse la inmunidad desencadenada por patrones y la desencadenada por efectores por lo que se reconoce, dónde está el receptor y cómo termina la respuesta.

Solución

Solución de Ejercicio 22.4.

La PTI reconoce moléculas comunes a clases microbianas enteras (flagelina, quitina) con cinasas receptoras de la superficie celular y termina en una pared reforzada, estomas cerrados, expresión de genes de defensa y un crecimiento más lento, por lo general sin muerte celular. La ETI reconoce una proteína efectora concreta o su daño con un receptor NLR intracelular y termina en la muerte hipersensible de las células infectadas y en una alarma sistémica.

Ejercicio 22.5 ★★

Con el ajuste $\varphi \approx 0.87\,\zeta/(\zeta + 0.6)$ , calcúlese la fracción de Pfr a la luz del día ( $\zeta = 1.15$ ), bajo una hoja ( $\zeta = 0.4$ ), bajo una cubierta densa ( $\zeta = 0.1$ ) y bajo una lámpara incandescente ( $\zeta = 0.7$ ). ¿Por qué crecen altas las plántulas bajo esas lámparas?

Solución

Solución de Ejercicio 22.5.

Luz del día, $0.87\times 1.15/1.75 = 0.57$ ; una hoja, $0.87\times 0.4/1.0 = 0.35$ ; cubierta densa, $0.87\times 0.1/0.7 = 0.12$ ; lámpara incandescente, $0.87\times 0.7/1.3 = 0.47$ . Una lámpara de filamento es rica en rojo lejano, de modo que $\varphi$ queda por debajo del de la luz del día y la plántula lee sombra parcial: se alarga. Las lámparas blancas frías y los LED sin rojo lejano hacen lo contrario.

Ejercicio 22.6 ★★

Calcúlese la razón dentro:fuera de la auxina si el pH de la pared es $5.0$ y el del citosol $7.5$ ; y después si la pared se acidifica hasta $4.5$ (como hacen las células en crecimiento). ¿Qué le ocurre al atrapamiento si el citosol se acidifica hasta $6.5$ en anoxia?

Solución

Solución de Ejercicio 22.6.

Pared $5.0$ , citosol $7.5$ : $(1 + 10^{2.75})/(1 + 10^{0.25}) = 563/2.78 = 203$ . Pared $4.5$ : $563/(1 + 10^{-0.25}) = 563/1.56 = 360$ —acidificar la pared eleva la fracción neutra de fuera y con ella la captación. Citosol $6.5$ con pared $5.5$ : $(1 + 10^{1.75})/6.62 = 57/6.62 = 8.6$ : el atrapamiento cae cinco veces, la auxina se escapa por todas las caras y los gradientes polares se aplanan —una razón de que las raíces en anoxia pierdan la orientación.

Ejercicio 22.7 ★★

La auxina se mueve a $1\,\mathrm{cm}/\mathrm{h}$ por células de $50\,\text{µ}\mathrm{m}$ de largo. ¿Cuántas células cruza por hora y cuánto tiempo pasa en cada una? Compárese con el tiempo de difundir $50\,\text{µ}\mathrm{m}$ ( $D = 5 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , $t \approx x^{2}/2D$ ) y dígase qué paso limita el transporte.

Solución

Solución de Ejercicio 22.7.

$1\,\mathrm{cm}/\mathrm{h}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{h}$ : $200$ células por hora, $18\,\mathrm{s}$ en cada una. Difusión a través de $50\,\text{µ}\mathrm{m}$ : $t = (5\times 10^{-5})^{2}/(2\times 5\times 10^{-10}) = 2.5\,\mathrm{s}$ . El interior de la célula se cruza en segundos; la mayor parte de los $18\,\mathrm{s}$ se pasa esperando a ser sacada por los PIN de la membrana basal, que es el paso limitante.

Ejercicio 22.8 ★★

Una hoja a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tiene una fracción molar interna de vapor de $32\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ y el aire $16\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ ; el CO $_{2}$ está a $400\,\mathrm{ppm}$ fuera y a $250\,\mathrm{ppm}$ dentro. Calcúlense las moléculas de agua perdidas por cada CO $_{2}$ fijado. Recalcúlese para una planta C $_{4}$ con CO $_{2}$ interno a $150\,\mathrm{ppm}$ , y para un día seco con el aire a $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ .

Solución

Solución de Ejercicio 22.8.

$E/A = 1.6\,\Delta w/\Delta c = 1.6\times16\,000/150 = 171$ moléculas de agua por CO $_{2}$ . C $_{4}$ , con $\Delta c = 250$ : $102$ . Día seco, con $\Delta w = 24$ : $256$ .

Ejercicio 22.9 ★★

Explíquese por qué una planta aclimatada al frío suele tolerar también mejor la sequía, nombrando las señales compartidas y las moléculas protectoras compartidas.

Solución

Solución de Ejercicio 22.9.

La congelación deshidrata las células al llevar el agua al hielo extracelular, de modo que el frío y la sequía son ambos estreses de deshidratación. Comparten segundos mensajeros (ABA, picos de calcio, oxígeno reactivo), factores de transcripción (la familia CBF/DREB la inducen los dos) y productos: dehidrinas y proteínas LEA que protegen membranas y proteínas de la pérdida de agua, solutos compatibles (prolina, azúcares) que retienen agua, y antioxidantes. Una planta que los ha fabricado para un estrés los tiene para el otro.

Ejercicio 22.10 ★★★

El fitocromo se acerca a su fotoequilibrio con una velocidad $k_{1} + k_{2}$ proporcional al flujo. Si el pleno sol da $k_{1} + k_{2} = 0.5\,\mathrm{s}^{-1}$ , ¿cuánto tarda el interruptor con el $1\,\%$ del sol pleno del amanecer? Pfr revierte en la oscuridad con una semivida de $2\,\mathrm{h}$ : ¿qué fracción queda tras una noche de 8 horas, y cómo permite esto a una semilla distinguir una exposición breve de un día?

Solución

Solución de Ejercicio 22.10.

Con el $1\,\%$ del sol pleno, $k_{1} + k_{2} = 0.005\,\mathrm{s}^{-1}$ : el 95 % del equilibrio tras $3/k = 600\,\mathrm{s}$ , diez minutos, frente a seis segundos al mediodía. Ocho horas son cuatro semividas: $1/16 \approx 6\,\%$ del Pfr queda. Un destello breve fija $\varphi$ , pero el Pfr decae después, mientras que un día lo mantiene alto durante horas; las respuestas que exigen que el Pfr actúe durante horas (germinación, desetiolación) integran la exposición, de modo que una semilla sacada un instante por un arado no responde como una que yace en la superficie.

Ejercicio 22.11 ★★★

La respuesta hipersensible mata quizá un centenar de células por foco de infección. Arguméntese, con una estimación aproximada de costes y beneficios para una hoja de $10^{7}$ células que afronta diez infecciones al día, por qué el suicidio de las células infectadas sale barato, y por qué un necrótrofo (que se alimenta de células muertas) convierte esta defensa en una debilidad.

Solución

Solución de Ejercicio 22.11.

Diez focos al día a $100$ células cada uno: $1000$ células, $10^{-4}$ de la hoja; a lo largo de una temporada, una fracción de un uno por ciento, frente a la pérdida de la hoja si una sola infección se extendiera sin freno. Las células muertas no cuestan casi nada y se llevan consigo el alimento del patógeno —para un biótrofo, que necesita células vivas. Un necrótrofo se alimenta de tejido muerto: la respuesta hipersensible le entrega una comida y un punto de apoyo, y algunos (Botrytis, Sclerotinia) segregan toxinas que la provocan a propósito; contra ellos la planta se apoya en las defensas mediadas por el jasmonato y no en la muerte celular.

Ejercicio 22.12 ★★★

Modélese la coincidencia externa: la proteína CONSTANS se fabrica entre las horas 12 y 16 tras el amanecer y se destruye con una semivida de $30\,\mathrm{min}$ en la oscuridad, pero de $4\,\mathrm{h}$ a la luz. Estímese la proteína que queda en la hora 16 en un día de 16 horas y en uno de 10 horas (oscuridad desde la hora 10), y explíquese cómo un umbral convierte esto en la decisión de florecer.

Solución

Solución de Ejercicio 22.12.

Producción a un ritmo $p$ de la hora 12 a la 16. Día largo, con luz todo el rato, $k = \ln 2/4 = 0.17\,\mathrm{h}^{-1}$ : el nivel en la 16 es $(p/k)(1 - \mathrm{e}^{-4k}) = (p/0.17)(0.5) = 2.9p$ . Día corto, con oscuridad desde la hora 10, $k = 1.39\,\mathrm{h}^{-1}$ : $(p/1.39)(1 - \mathrm{e}^{-5.5}) \approx 0.72p$ . Cuatro veces más CONSTANS en el día largo. Un umbral intermedio —pongamos $2p$ , necesario para activar FT— solo se cruza cuando la ventana de producción del reloj coincide con la luz: la coincidencia de un ritmo interno con el día externo convierte una duración graduada del día en una decisión de florecer de todo o nada.

22.6 Problema: una plántula a la sombra

Problema 22.1

Problema de fin de semana — una plántula leída a través de sus moléculas: el equilibrio del fitocromo bajo una cubierta, la auxina que atrapa y transporta, el agua que cambia por carbono a través de sus estomas y el coste de defender sus hojas, para terminar en la fracción de Pfr bajo la cubierta, la razón de atrapamiento de la auxina y la eficiencia en el uso del agua

Datos: ajuste del fotoequilibrio $\varphi = 0.87\,\zeta/(\zeta + 0.6)$ ; luz del día $\zeta = 1.15$ , cubierta $\zeta = 0.2$ ; velocidad de elongación del hipocótilo $r = r_{0}(1 - \varphi)$ con $r_{0} = 2\,\mathrm{mm}/\mathrm{h}$ . Auxina: $\mathrm{p}K_{a} = 4.75$ ; pH de la pared $5.5$ , pH del citosol $7.2$ ; velocidad de transporte $1\,\mathrm{cm}/\mathrm{h}$ ; longitud celular $100\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Hoja: fracción molar de vapor por dentro $32\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ , aire $16\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ ; CO $_{2}$ $400\,\mathrm{ppm}$ fuera, $250\,\mathrm{ppm}$ dentro; $g_{s} = 0.3\,\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ (vapor de agua); superficie foliar $20\,\mathrm{cm}^{2}$ ; $12\,\mathrm{h}$ de luz. Defensa: la respuesta hipersensible mata $100$ células por foco; la hoja tiene $10^{7}$ células; la PTI cuesta el $5\,\%$ de la fotosíntesis mientras está activa.

Parte I — La luz.

Calcúlese $\varphi$ a la luz del día y bajo la cubierta.
Velocidades de elongación en cada caso, y la longitud de más tras $48\,\mathrm{h}$ a la sombra.
La hoja de un vecino retira el $90\,\%$ del rojo y el $20\,\%$ del rojo lejano de la luz del día. Calcúlense el nuevo $\zeta$ y el nuevo $\varphi$ . ¿Basta una sola hoja para disparar la evitación de la sombra?
Explíquese por qué $\varphi$ es independiente del brillo, y qué significa esto para una plántula en un día nublado a cielo abierto.
El sol pleno da $k_{1} + k_{2} = 0.5\,\mathrm{s}^{-1}$ . ¿Tiempo para alcanzar el $95\,\%$ del fotoequilibrio a pleno sol y con el $1\,\%$ de él?
El Pfr fabricado durante el día revierte con una semivida de $2\,\mathrm{h}$ . Fracción que queda tras $8\,\mathrm{h}$ y tras $14\,\mathrm{h}$ de oscuridad; cómo podría una planta usar esto como reloj de la duración de la noche, y por qué es un mal reloj.

Parte II — La auxina.

Fracción de auxina que es IAAH neutro en la pared y en el citosol.
Razón dentro:fuera en el equilibrio del IAAH. Si la pared contiene $0.1\,\text{µ}\mathrm{M}$ de auxina total, ¿cuál es la concentración citosólica?
Células cruzadas por hora y tiempo de residencia en cada una.
Un brote de $5\,\mathrm{cm}$ de largo: ¿cuánto tarda un cambio de auxina en el ápice en llegar a la base? Compárese con la hora que tarda un brote en empezar a curvarse hacia la luz, y coméntese.
En una raíz gravi-estimulada, PIN3 se reubica de modo que el flanco inferior recibe el $60\,\%$ del flujo y el superior el $40\,\%$ . Si la elongación de las células radiculares cae un $1\,\%$ por cada $1\,\%$ de auxina por encima de la norma y sube otro tanto por debajo de ella, calcúlense las velocidades de los dos flancos respecto de la norma y el sentido de la curvatura.
¿Por qué la misma asimetría curva un brote del otro modo?

Parte III — Agua a cambio de carbono.

Transpiración $E = g_{s}\,\Delta w$ en $\mathrm{mmol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ .
Asimilación $A = (g_{s}/1.6)\,\Delta c$ en $\text{µ}\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ , y la razón $E/A$ .
Agua perdida por la hoja de $20\,\mathrm{cm}^{2}$ en el día de 12 horas, en moles y en gramos; carbono fijado, en moles de CO $_{2}$ y en gramos de glucosa.
El ABA cierra los estomas hasta $g_{s} = 0.05\,$ . Nuevos $E$ y $A$ , y la razón. ¿Qué ha ganado y qué ha perdido la planta?
Una planta C $_{4}$ mantiene el CO $_{2}$ interno a $150\,\mathrm{ppm}$ con el mismo $g_{s}$ : ¿su $E/A$ ? Una planta CAM abre de noche, cuando $\Delta w = 5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{mol}$ : ¿su $E/A$ con $\Delta c = 150\,\mathrm{ppm}$ ?
Explíquese por qué la razón $E/A$ no depende de $g_{s}$ , y qué puede y qué no puede hacer una planta al respecto.

Parte IV — La defensa.

Diez focos de infección al día, respondido cada uno con una respuesta hipersensible: células muertas por día, como fracción de la hoja.
A lo largo de una vida foliar de 60 días, ¿qué fracción se sacrifica? Compárese con la pérdida si una infección de cada diez escapara y destruyera el $5\,\%$ de la hoja cada vez.
La PTI está activa el $20\,\%$ del tiempo: coste medio como fracción de la fotosíntesis. ¿Por qué no la mantienen encendida siempre las plantas?
Un patógeno suprime el efector que reconoce un NLR. ¿Qué gana, qué pierde y qué hace a continuación la población de plantas?
Una bacteria segrega un imitador del jasmonato. ¿Qué defensa apaga, y por qué le sirve eso, dado el antagonismo entre las dos vías hormonales?
¿Por qué una resistencia gen a gen en un monocultivo suele quedar derrotada en pocas campañas, y qué sugiere el zigzag que hagan en su lugar los fitomejoradores?
Resúmase: $\varphi$ bajo la cubierta (pregunta 1), la razón de atrapamiento de la auxina (pregunta 8) y las moléculas de agua perdidas por cada CO $_{2}$ fijado (pregunta 14).

Solución

Solución de Problema 22.1.

1. Luz del día, $0.87\times 1.15/1.75 = 0.57$ ; cubierta, $0.87\times 0.2/0.8 = 0.22$ . 2. $r = 2(1 - \varphi)$ : $0.86\,\mathrm{mm}/\mathrm{h}$ a la luz del día y $1.57\,\mathrm{mm}/\mathrm{h}$ a la sombra; en $48\,\mathrm{h}$ : $41$ frente a $75\,\mathrm{mm}$ , $34\,\mathrm{mm}$ de más. 3. El rojo cae a $0.1\times 1.15 = 0.115$ del rojo lejano, que cae a $0.8$ : $\zeta = 0.144$ , $\varphi = 0.87\times 0.144/0.744 = 0.17$ . Sí: una sola hoja baja $\varphi$ de $0.57$ a $0.17$ , de lleno en el intervalo de evitación de la sombra. 4. Las dos velocidades de fotoconversión escalan con el flujo, de modo que su razón no. Bajo las nubes el espectro apenas cambia y $\varphi$ se queda cerca de $0.57$ : una plántula a cielo abierto en un día gris no se alarga —lee vecinos, no brillo. 5. El $95\,\%$ tras $3/(k_{1} + k_{2})$ : $6\,\mathrm{s}$ a pleno sol y $600\,\mathrm{s}$ con el $1\,\%$ . 6. $8\,\mathrm{h}$ $=$ cuatro semividas, $1/16 = 6.3\,\%$ ; $14\,\mathrm{h}$ $=$ siete, $1/128 = 0.8\,\%$ . El Pfr residual al amanecer podría informar de la duración de la noche, pero la reversión es una reacción térmica que corre más deprisa en las noches cálidas, y el valor de partida depende de la luz del día: las plantas miden la duración de la noche con el reloj. 7. Pared: $1/(1 + 10^{0.75}) = 0.15$ ; citosol: $1/(1 + 10^{2.45}) = 0.0035$ . 8. $(1 + 282)/(1 + 5.6) = 283/6.6 = 43$ . Citosol, $43\times 0.1 = 4.3\,\text{µ}\mathrm{M}$ . 9. $1\,\mathrm{cm}/\mathrm{h}/100\,\text{µ}\mathrm{m} = 100$ células por hora, $36\,\mathrm{s}$ en cada una. 10. $5\,\mathrm{h}$ . La curvatura empieza en menos de una hora porque la redistribución que importa es lateral, a lo ancho de un milímetro de ápice, y la respuesta es local; la corriente de larga distancia fija el suministro, no el momento. 11. Flanco inferior: $60/50 = 1.2$ , auxina un $20\,\%$ por encima de la norma, elongación $0.8$ ; flanco superior: $0.8$ de la norma, elongación $1.2$ . El flanco superior crece más que el inferior: la raíz se curva hacia abajo. 12. Las células del brote están por debajo de su óptimo de auxina, de modo que la auxina de más del flanco inferior favorece su crecimiento: el flanco inferior crece más que el superior y el brote se curva hacia arriba. 13. $E = 0.3\times 16 = 4.8\,\mathrm{mmol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ . 14. $A = (0.3/1.6)\times 150 = 28\,\text{µ}\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $E/A = 4800/28 = 171$ . 15. Superficie $0.002\,\mathrm{m}^{2}$ , $43\,200$ s: agua, $4.8\times 10^{-3}\times 0.002\times43\,200 = 0.41\,\mathrm{mol} = 7.5\,\mathrm{g}$ ; CO $_{2}$ , $28\times 10^{-6}\times 0.002\times43\,200 = 2.4 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ , es decir, $2.4\times 10^{-3}/6\times 180 = 0.073\,\mathrm{g}$ de glucosa —cien gramos de agua por un gramo de azúcar. 16. $E = 0.05\times 16 = 0.8\,\mathrm{mmol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ , $A = 4.7\,\text{µ}\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}$ , razón todavía $171$ . La planta ha ahorrado seis séptimos de su agua y ha renunciado a seis séptimos de su carbono: cerrar la válvula cambia el ritmo, no el precio. 17. C $_{4}$ : $\Delta c = 250$ , $E/A = 4800/46.9 = 102$ . CAM de noche: $E = 0.3\times 5 = 1.5\,\mathrm{mmol}$ , $A = 28$ : $E/A = 53$ . 18. $E/A = 1.6\,\Delta w/\Delta c$ : la conductancia se cancela porque los dos gases pasan por el mismo poro. La planta puede cambiar los gradientes —concentrar el CO $_{2}$ por dentro (C $_{4}$ ), abrir cuando el aire es húmedo (CAM, el amanecer), enfriar la hoja, engrosar la capa límite con pelos—, pero no la física de dos gases que comparten un agujero. 19. $1000$ células al día, $10^{-4}$ de la hoja. 20. $60\,000$ células en 60 días, un $0.6\,\%$ . Un escape diario que destruyera el $5\,\%$ consumiría la hoja en veinte días: la respuesta hipersensible cuesta la centésima parte de lo que cuesta una sola infección escapada. 21. $0.2\times 5 = 1\,\%$ de la fotosíntesis. Mantenida siempre encendida costaría un $5\,\%$ y la planta quedaría adelantada por vecinas que lo gastan en hojas; una defensa inducible solo se paga cuando la amenaza está presente. 22. Gana invisibilidad ante ese NLR e infecta la variedad resistente; pierde lo que hiciera el efector (suprimir la PTI), de modo que es más débil en las plantas sin ese NLR. La población de plantas pasa a favorecer NLR contra los efectores restantes, y el viejo gen de resistencia, ya inútil, decae: un ciclo dependiente de la frecuencia en los genes de ambos bandos. 23. El imitador (la coronatina) activa la vía del jasmonato, que antagoniza la vía del salicilato; el salicilato es la defensa contra los biótrofos, como la propia bacteria, y el imitador vuelve además a abrir los estomas que la planta había cerrado. El patógeno vuelve un brazo del sistema inmunitario contra el otro. 24. Un solo gen de resistencia repartido por millones de plantas idénticas es una selección uniforme: cualquier mutante que pierda o altere el efector se extiende por todo el cultivo en unas pocas campañas. Los fitomejoradores apilan varios genes de resistencia para que haya que perder varios efectores a la vez, mezclan variedades, rotan los genes a lo largo de los años y favorecen la resistencia amplia desencadenada por patrones, a la que ninguna mutación única escapa. 25. $\varphi \approx 0.22$ bajo la cubierta; auxina dentro : fuera $\approx 43$ ; unas $170$ moléculas de agua perdidas por cada CO $_{2}$ fijado.

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