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Introducción a la Botánica

Reguladores químicos del

desarrollo de las

plantas

auxina

giberelina

etileno

ácido jasmónico

citocininas

ácido abscísico estrigolactona

ácido salicílico

brasinoesteroide

Desarrollo post-embrionario

Intr

od

ucc

ión

a la

Bo

tán

ica

D

BB

E FC

EyN

- U

BA

plántula

planta adulta

Las plantas crecen y se desarrollan respondiendo a estímulos del ambiente en el que están inmersas Ese desarrollo está determinado por la interacción de factores

ambientales con factores internos de la planta

auxina

giberelina

etileno

ácido jasmónico

citocininas

ácido abscísico estrigolactona

ácido salicílico

brasinoesteroide

Santner et al. Nature Chemical Biology 2009

Las hormonas vegetales

Intr

od

ucc

ión

a la

Bo

tán

ica

D

BB

E FC

EyN

- U

BA

Los factores internos actúan

como mensajeros químicos producidos por las

plantas frente a estímulos ambientales o internos

hormonas o reguladores del crecimiento regulan y coordinan el metabolismo, la división celular y la morfogénesis

desarrollo de la planta


Intr

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ión

a la

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E FC

EyN

- U

BA

Hormonas en los animales (ej. insulina) • actúan en bajas concentraciones • son sintetizadas en un órgano específico • son transportadas por un sistema de circulación • producen un efecto específico (estimulador o inhibitorio) en células receptoras también específicas

Hormonas en las plantas • actúan en bajas concentraciones • cualquier órgano de la planta tiene la capacidad de sintetizar hormonas • algunas son transportadas largas distancias, otras actúan de forma local • producen un efecto que depende de la sensibilidad de la célula receptora

y de la presencia/ausencia y concentración de otras hormonas

En los dos sistemas: • se sintetizan en una célula y actúan en otra • pueden influenciar la acción de otras hormonas interactúan con otras

hormonas (“cross talk”)

Las hormonas no funcionan aisladas

Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA

La cantidad de hormona activa en un tejido vegetal está además regulada por el ambiente y por la presencia o ausencia de otras hormonas Ejemplo: auxina



¿Entonces las llamamos hormonas? Trewavas, 1980’s Las hormonas vegetales están en bajas concentraciones en los tejidos pero no parecen ser limitantes Su efecto en el desarrollo está muy determinado por la sensibilidad de las células blanco La sensibilidad varia con el genotipo, el tejido, la fase del desarrollo de la planta, las condiciones ambientales y la presencia (o ausencia) de otras hormonas

Reguladores del crecimiento vegetal = “hormonas” vegetales Sustancias orgánicas sintetizadas por las plantas que tienen la capacidad de afectar a los procesos fisiológicos en concentraciones mucho más bajas que los nutrientes o las vitaminas (< 1 μM = 10-6M) El control de la respuesta hormonal se lleva a cabo a través de cambios en la concentración y la sensibilidad de los tejidos a las hormonas

Regulación de la concentración efectiva de las hormonas


Varios niveles de regulación: • velocidad de síntesis y de degradación (control

de las enzimas que intervienen) • proporción de hormona libre/hormona

conjugada • modificación de la velocidad y dirección del

transporte • expresión de los receptores (modulación de la

sensibilidad de la célula blanco a la hormona) • interacción con las otras hormonas

Regulación de la concentración efectiva de las hormonas


La sensibilidad a la hormona varía según el órgano/tejido

10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

Concentración de auxina (M)

Efec

to s

ob

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l ala

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ien

to

+

tallo

ejemplo: Auxinas y la elongación celular

raíz

-

La misma hormona puede ser estimuladora o inhibidora de un proceso según el tejido/órgano sobre el que actúa

Forma activa de la hormona


Para cada hormona se establece un equilibrio entre hormona activa (libre) y hormona inactiva (conjugada = unida covalentemente a otra molécula)

Cada paso (síntesis, conjugación, degradación) está controlado por enzimas

La forma conjugada de la hormona la “marca” para su almacenamiento, transporte o degradación

hormona activa

Síntesis degradación

H

H Conjugación

De-conjugación

Transducción de señales a nivel celular


La señal (=estímulo) es recibida por un receptor que puede estar localizado en la membrana plasmática o el citoplasma

Se dispara una cascada molecular de transducción intracelular de la señal, mediada por segundos mensajeros: • AMP cíclico (cAMP) • Calcio (Ca2+ ) • Cascadas de fosforilación • Otros

Se produce una respuesta que puede o no involucrar cambios de expresión génica

Regulación de la expresión génica


Niveles de regulación de la cantidad de producto de un gen regulación de la función del gen

• ¿Cuánto ARNm se transcribe?

• ¿Cuánto dura viable ese ARNm?

• ¿Cuánto de ese ARNm se traduce a proteína?

• ¿Dónde localiza la proteína? (compartimiento celular)

• ¿Cuánta de esa proteína está en forma activa? (activación, inactivación, degradación)

• ¿Están presentes las moléculas con las que interactúa la proteína?

Regulación de la transcripción de un gen a nivel del promotor


Para que se inicie la transcripción de un gen se requiere el ensamblado secuencial y ordenado de factores de transcripción en la zona del promotor •Hay factores de transcripción que se actúan sobre todos los genes (constitutivos) •Hay factores de transcripción específicos • Pueden ser activadores o represores

regulación de la transcripción

Degradación controlada de proteínas In

tro

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cció

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nic

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DB

BE

FCEy

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UB

A

Señalización mediante la degradación controlada y selectiva de proteínas:

• Intervienen: una cadena de señalización, un sistema de marcación de la proteína a ser degradada y un proteasoma que la degrada

• El sistema de marcación está altamente regulado especificidad

• Cuando lo que se degrada es un factor inhibidor de la transcripción se activa la expresión del gen que estaba inhibido

Jones et al. 2013 The molecular life of plants

proteína marcada

proteína degradada

Marcación de proteínas destinadas a degradación

proteasoma

Arabidopsis thaliana: genoma pequeño, el primero en ser completamente secuenciado Tiempo de generación corto, planta pequeña, muchas semillas • Mutantes espontáneos • Mutantes generados por el investigador Mutagénesis generalizada (al azar) seguida de un esquema de selección del fenotipo buscado Mutagénesis dirigida a un gen en especial “knockouts” “Bancos” de mutantes • Plantas transformadas para un gen (o grupo de genes) en especial Sobre-expresantes: más cantidad de ARNm que lo normal Sub-expresante: de menos ARNm a nulas (sin expresión) Con expresión ligada a un gen reportero (patrón de expresión)

Mutantes de Arabidopsis thaliana


Ejemplos de mutagénesis generalizada (al azar) seguida de un esquema de selección del fenotipo buscado

Mutantes de Arabidopsis thaliana


Plántulas de Arabidopsis expuestas a la hormona etileno. Mutante insensible no responde a la hormona ¿receptor mutado?

Mutante en la luz no se dio cuenta de que la luz esta encendida ¿mutante del fotorreceptor?

Mutante en la oscuridad tiene el proceso de fotomorfogénesis desregulado ¿mutante de la cadena de transducción?

Mutantes biosintéticos o de respuesta hormonal

Arabidopsis Arabidopsis

Wild type Wild type Auxin response mutant

Brassinosteroid biosynthesis mutants

Giberelinas

Wild type Gibberellin biosynthesis mutant

Arveja

Auxinas Brasinosteroides

Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel’s stem length gene (Le) encodes a gibberellin 3-hydroxylase. Plant Cell 9: 1435-1443.;Gray WM

(2004) Hormonal regulation of plant growth and development. PLoS Biol 2(9): e311; Clouse SD (2002) Brassinosteroids: The Arabidopsis Book. Rockville, MD:

American Society of Plant Biologists. doi: 10.1199/tab.0009


Drástico efecto en el desarrollo

http://www.plantcell.org/cgi/reprint/9/8/1435.pdf



http://www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.0020311

http://www.bioone.org/doi/abs/10.1199/tab.0009

Receptores de señales hormonales


Una vez liberada la hormona es recibida en la célula blanco por un receptor El receptor puede estar ubicado:

• en la membrana plasmática • intracelularmente (hormona liposoluble)

Nabors Introducción a la Botánica 2006

Auxinas


Las primeras hormonas vegetales en ser identificadas Trabajos con curvatura fototrópica del coleoptile de cereales principio activo aislado por FW Went en 1926 Auxina: del griego auxein, aumentar, crecer Las auxinas están implicadas en procesos del desarrollo vegetal porque afectan a la división, el crecimiento y la diferenciación de las células

Ácido 3-indolacético (AIA) auxina natural

Ácido 2,4 diclorofenoxiacético (2,4-D)

Ácido 1-naftalenoacético (ANA)

auxinas sintéticas

Auxinas


Sitios de síntesis: • Zonas con activa división celular • Meristema apical del vástago • Hojas jóvenes (primordios foliares) • Ápice de la raíz • Frutos y semillas en desarrollo

Transporte: polar (unidireccional) y no polar, por vasculatura y lateralmente

La respuesta que producen: • División y alargamiento celular • Diferenciación celular

Los procesos en los que intervienen: • Establecimiento de la polaridad del embrión • Fototropismo y gravitropismo • Dominancia apical • Formación de raíces laterales y raíces adventicias • Diferenciación del tejido vascular y desarrollo del cambium • Retraso de la senescencia foliar (en cooperación con las

citocininas)

Percepción de auxinas y señalización


Las auxinas tienen un receptor en la superficie celular que media las respuestas rápidas (ej: ablandamiento de la pared

celular)

Las respuestas transcripcionales de las auxinas están reguladas por un receptor presente en el núcleo:

En ausencia de auxina el complejo inhibidor de la transcripción de genes blanco está activo transcripción de genes blanco reprimida

Cuando la auxina se une al receptor el complejo inhibidor de la transcripción se marca para ser degradado selectivamente por el proteosoma se activa la transcripción de genes blanco de la auxina

Lju

ng

, K. D

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0, 9

43-9

50 (

2013

)

Las auxinas estimulan el alargamiento celular


En ausencia de luz, las auxinas estimulan el alargamiento de los coleoptiles

Taiz

y Z

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006)

Pla

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Ph

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sin auxina con auxina

Bioensayo: utilizado para identificar la molécula y luego para estimar concentraciones

la auxina natural: ácido 3-indol acético

Taiz

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hysi

olo

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El fototropismo y las auxinas


Experimentos con luz azul unilateral Curvatura del coleoptile de avena

El fototropismo y las auxinas


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Identificación de la molécula

Fototropismo y movimiento lateral de auxinas


Fotorreceptor: Fototropina Efector de la respuesta: Auxinas

La estimulación con luz unilateral provoca una redistribución lateral de la auxina, con mayor concentración en la zona no iluminada

La redistribución de auxina produce elongación celular diferencialmente en la zona opuesta a la iluminada curvatura hacia la luz

Los inhibidores del transporte lateral de auxinas inhiben la curvatura

luz

control con inhibidor

Gravitropismo


Receptor del estímulo: estatocitos en la caliptra que contienen estatolitos = amiloplastos con función señalizadora Efector de la respuesta: Auxinas

Al microscopio electrónico

Raven Biology of Plants 2013

Al microscopio óptico, teñidos con lugol

raíz en posición vertical

raíz en posición horizontal

Gravitropismo


El reposicionamiento de los estatolitos en las células de la

columela genera redistribución de auxina que lleva a la

curvatura de la raíz por crecimiento diferencial de la cara de arriba

En la cara superior la menor [AIA] produce alargamiento En la cara inferior la mayor [AIA] inhibe la elongación celular curvatura hacia abajo

En la raíz, altas concentraciones de auxina son inhibitorias del crecimiento

Alargamiento celular en medio ácido

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BA

La auxina estimula la acidificación del apoplasto actuando sobre la expresión del gen de una bomba de protones Un apoplasto ácido activa las expansinas de la pared celular

expansión

La auxina aumenta la extensibilidad de la pared primaria

Transporte polar de las auxinas

Intr

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BA

En el tallo, el transporte de AIA es polar, basípeto pero no simplemente por acción de la gravedad Requiere energía

Transporte polar: en dirección vertical basípeto: del ápice hacia la base acrópeto: de la base hacia el ápice

Transporte basípeto y acrópeto

Intr

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BA

Transporte polar: en dirección vertical basípeto: desde el ápice hacia la base de un órgano acrópeto: desde la base hacia el ápice de un órgano

La dirección del transporte polar de auxinas es siempre desde el ápice del tallo hacia la raíz Lo llamamos acrópeto o basípeto dependiendo del órgano por el que se esté transportando En el tallo el transporte polar de auxina es basípeto En la raíz el transporte polar de auxina es acrópeto

Transporte polar de las auxinas Es la única hormona que se transporta polarmente A través del parénquima vascular Requiere energía 2-20 cm/h

Intr

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BA

Mecanismo quimiosmótico que mantiene la auxina protonada (neutra) en el apoplasto y desprotonada (carga (-)) en el citosol

La hipótesis postula la localización polar de los transportadores: AUX1 en el lado apical y PIN1 en el basal

Localización basal de PIN1: facilitador del transporte polar de auxinas, interactúa con otros transportadores


Las auxinas y la dominancia apical

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yema apical intacta yema apical removida (planta decapitada)

auxina agregada a zona de decapitación

yemas laterales “dormidas”

yemas laterales activas

Las auxinas y la regeneración de tejidos vasculares


Se forman nuevos elementos conductores a partir de células del parénquima vascular: diferenciación

Requiere el transporte basípeto de auxinas: •si se remueve el ápice no ocurre •si se agrega una fuente de auxinas que reemplace al ápice ocurre


Las auxinas y el desarrollo de los frutos


testigo o control se quitan los frutos (aquenios) en toda la frutilla en desarrollo

se quitan los frutos en una zona solamente

El fruto no se desarrolla si no hubo polinización y fertilización El caso de la frutilla (un polifruto) y las auxinas

Citocininas


Citoquininas=citocininas (citoquinesis división celular) Un derivado de la adenina

Zeatina la primera CK natural en ser descubierta

adenina

Sitios de síntesis: principalmente ápices de

las raíces, también embrión en desarrollo, hojas jóvenes, frutos

Transporte: por el xilema

La respuesta que producen: Promoción de la división celular Mantenimiento de la actividad metabólica

Procesos en que intervienen: Retraso de la senescencia foliar Ruptura de la dormición de las yemas Formación de brotes del tallo en cultivo de tejidos

Interacción con auxinas

Citocininas

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BA

Descubiertas durante la búsqueda de factores que estimularan la división celular en experimentos de cultivo de tejidos vegetales

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diferenciación de órganos en cultivo en medio sólido callo de células

indiferenciadas en cultivo en medio sólido

callos un poco más diferenciados

Aisladas por primera vez de la leche de coco (endosperma líquido)

http://www.ejpau.media.pl/volume13/issue4/art-09.html



Las CKs estimulan el desarrollo del vástago

Al bajar la [CKs] en el tallo poniendo una enzima que degrada la CK se observa un menor desarrollo del vástago debido a un menor tamaño del meristema apical En condiciones normales las CKs actuarían como inductoras de la división celular en el meristema apical del tallo

Plantas transgénicas de tabaco que expresan una oxidasa de CKs que baja la [CK activa]


[CK] normal

baja [CK]

[CK] normal

baja [CK]

Las CKs son represoras del desarrollo de la raíz

Al bajar la [CKs] en la raíz poniendo una enzima que degrada la CK se observa que aumenta la división celular y la formación de raíces laterales En condiciones normales las CKs actuarían como represoras de la división celular en el meristema apical de la raíz y en el periciclo

[CK] normal

baja [CK] [CK] normal baja [CK]

Plantas transgénicas de tabaco que expresan una oxidasa de CKs que baja la [CK activa]


Las citocininas controlan la senescencia foliar


Senescencia = envejecimiento programado en el desarrollo

Sobre-expresantes transgénicas del gen IPT que codifica una enzima importante de la síntesis de citocininas

Alta [citocininas] retardo de la senescencia

Transducción de señales mediada por CKs


La CK es percibida por un receptor ubicado en la membrana plasmática de la célula blanco Se inicia una cadena de fosforilación de proteínas señal que lleva la señal al núcleo Estas proteínas fosforiladas interactúan con factores de transcripción en el núcleo Inducción o represión de la transcripción de genes de respuesta a las CKs Interacción con el fitocromo

El balance auxinas/citocininas In

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Experimentos de cultivo de tejidos Para la diferenciación en órganos (raíces. tallos) existe una concentración y un balance óptimos de hormonas

• Una [aux] > [CK] promueve el desarrollo de raíces • Una [CK] > [aux] promueve el desarrollo de tallos

[auxina]

[CK

]


auxina auxina + CK

Las giberelinas


Sitios de síntesis: embriones durante la

germinación, entrenudos de los tallos de plántulas, ápices de tallo y semillas en desarrollo

Transporte: no polar, xilema y floema

La respuesta que producen: Estimulan la división y elongación celular Estimulan la producción de enzimas hidrolíticas durante la germinación

Los procesos en los que intervienen: Elongación de los entrenudos Floración en PDL Inducción de la germinación (ruptura de la dormición de las semillas)

Mutantes y variedades enanas de plantas Revolución verde

Planta de arroz infectada con el hongo Gibberella fujikuroi

Las giberelinas


Las hormonas que controlan la altura de las plantas controlando el largo de los entrenudos

La aplicación de GA exógena al repollo lo hace elongarse

La aplicación de GA revierte el efecto de una mutación causante de enanismo en el maíz

Los mutantes de arveja enana de Mendel eran deficientes en la síntesis de GA

Las giberelinas y la floración


Durante exposición al fotoperíodo inductivo aumenta la concentración de GA activa

Las giberelinas y la floración


día corto

día largo

día corto + GA

El aumento de la [GA] producida normalmente en la planta al alargarse los días participa en la inducción de la floración El tratamiento con GA exógena induce la floración aún en condiciones de día corto

Arabidopsis thaliana es una PDL

Giberelinas durante la germinación


Las giberelinas agregadas de manera exógena reemplazan al embrión en la inducción de enzimas que degradan las sustancias de reserva de la semilla Las amilasas degradan el almidón

Rav

en B

iolo

gy o

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013

agua

giberelina 1 ppb

giberelina 100 ppb

Endosperma en creciente estado de degradación

Endos- perma no

degradado

Tiempo (h) [a

mila

sas]

Semillas sin embrión incubadas con o sin GA y ABA

Las giberelinas (GA) y el ABA actúan de manera antagonística en la germinación



Las giberelinas sintetizadas por el embrión al imbibirse la semilla inducen la síntesis de enzimas que degradan las sustancias de reserva de la semilla y las liberan para su uso en el crecimiento de la plántula

Azc

on

Bie

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un

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tos

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Fisi

olo

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Vege

tal



La temperatura y la percepción de luz roja por el fitocromo regulan la [giberelina activa] control de la germinación

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Veg

etal

Algunas semillas solo germinan luego de un período de bajas temperaturas vernalización

Etileno: una hormona gaseosa


Lámparas de gas en las calles de ciudades europeas mayor caída de las hojas de los árboles cercanos (defoliación)

Sitio de síntesis: en toda la planta, a partir de metionina (un aminoácido),

especialmente en tejido senescente y frutos maduros

La síntesis está disparada por auxinas y por estreses ambientales (sequía, temperaturas elevadas, anegamiento, etc.)

Transporte: por difusión, como gas

Respuesta que produce: triple respuesta durante la germinación,

promueve la expansión celular y la generación de aerénquima frente a la falta de O2

Procesos en los que interviene: maduración de los frutos, la senescencia

de las hojas y las flores, abscisión de hojas y flores, señala la presencia de estrés

Maduración de frutos mediada por etileno


En frutos climatéricos: maduran en respuesta a un “pico” de etileno que acelera la tasa de respiración

Frutos no climatéricos: Maduran gradualmente y el etileno no acelera su maduración

El etileno es el mensajero del anegamiento


El ACC es un precursor del etileno

En condiciones de anegamiento anaerobiosis (o hipoxia) ACC se acumula en la raíz

ACC viaja de la raíz al tallo por el xilema

En el vástago: ACC etileno que es liberado como gas

senescencia en plantas no tolerantes

formación de aerénquima en partes sumergidas de plantas tolerantes

El etileno y la abscisión de las hojas


La abscisión foliar está controlada por el balance entre etileno y auxina La auxina es una represora de la respuesta al etileno, probablemente controlando la sensibilidad de las células de la capa de abscisión al etileno

Alta [auxina] baja [auxina] alta [etileno]

capa de abscisión

intacta rota

degradación de la laminilla media

Otras respuestas del etileno


control con etileno

La triple respuesta de las plántulas etioladas en presencia de etileno adicional: * hipocotile corto

* curvatura del ápice (gancho apical) exagerada * poca elongación de la raíz

En condiciones normales de germinación en la oscuridad, el etileno promueve el mantenimiento del gancho apical La luz roja percibida por el fitocromo inhibe la síntesis de etileno estiramiento del gancho apical

Otras respuestas del etileno


El etileno dispara la senescencia de las flores, los inhibidores de la síntesis de etileno y los análogos del etileno (competidores por los sitios de unión al receptor) alargan la vida de las flores

www.u.osu.edu/greenhouse/page/8/

1-MCP se une al receptor del etileno e impide la respuesta normal de la planta al etileno

http://www.u.osu.edu/greenhouse/page/8/

Ácido abscísico


A veces es mejor para la planta no crecer… Un inhibidor del desarrollo aislado de yemas en reposo dormina Una molécula con probable rol en abscisión abscisina la misma molécula Ácido abscísico = ABA

Síntesis: en plástidos (cloroplastos en la parte aérea y leucoplastos de la raíz)

Transporte: por la vasculatura, por floema desde las hojas y por xilema desde la raíz

Procesos en los que interviene: • Dormición (inhibición de la germinación) de las semillas • Respuesta al estrés (ej: cierre estomático)

El ABA es el mensajero del estrés hídrico


Respuesta inmediata: cierre de los estomas se conserva agua

Respuesta a largo plazo: inhibición del desarrollo del vástago y estimulación del desarrollo de la raíz se evita la pérdida de agua y se estimula la búsqueda de agua

control

10 uM ABA

La [ABA] en la hoja responde al potencial hídrico


El ABA y el cierre estomático


El ABA generado en la raíz frente al estrés hídrico llega por el xilema a las hojas, en las células oclusivas dispara el cierre de los estomas por cambios en la distribución de iones

Unión del ABA a receptores en células oclusivas salida de Cl-

Cambio del potencial de membrana se abren canales de K+

Salida de K + el agua sale de la vacuola por ósmosis disminuye el volumen de la célula oclusiva cierre del estoma

ABA y la dormición de las semillas


La [ABA] aumenta a medida que la semilla madura y pierde agua

Alta [ABA] inhibe la germinación

Mutantes vivíparos del maíz:

algunos granos tienen en el embrión mutado un gen que responde al ABA durante la formación de la semilla son insensibles al ABA

la semilla no entra en dormición y germina precozmente (aún estando en contacto con la planta madre)

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