https://doi.org/10.29059/cienciauat.v18i2.1833

Participación del transporte simplástico de las auxinas durante el desarrollo de las plantas

Symplastic transport participation of auxins during plant development

Desarrollo vegetal regulado por transporte simplástico

Elizabeth Carrillo-Flores, Asdrúbal Aguilera-Méndez, Ma. Elena Mellado-Rojas, Elda Beltrán-Peña*

*Correspondencia: eldabelt@umich.mx/Fecha de recepción: 20 de septiembre de 2023/Fecha de aceptación: 24 de enero de 2024/Fecha de publicación: 30 de enero de 2024.

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Avenida Francisco J. Múgica s/n, Ciudad, Universitaria, colonia Felicitas del Rio, Morelia, Michoacán, México, C. P. 58030.

RESUMEN

La apropiada organogénesis de las plantas, durante su ciclo de vida, propicia su desarrollo y la adaptación a diferentes condiciones ambientales. Diversas fitohormonas regulan el desarrollo vegetal, pero la auxina denominada ácido indol-3-acético (AIA) es una de las más importantes. El AIA se sintetiza en la parte aérea de la planta y se moviliza a los tejidos demandantes por un transporte rápido que utiliza el floema y por el transporte polar de auxinas (TPA). Recientemente, se ha demostrado que las auxinas también se movilizan mediante el transporte simplástico (TS) a través de los plasmodesmos (PD), cuya apertura o cierre está regulada respectivamente por la degradación o la deposición de la callosa. El objetivo del presente trabajo fue profundizar en los avances sobre la participación del transporte simplástico de las auxinas durante el desarrollo vegetal, así como la degradación o deposición de la callosa, en el cierre o apertura de los PD, para regular el desarrollo de algunos órganos de Arabidopsis thaliana. La intervención de las proteínas PDLP5 es determinante para la deposición de la callosa en los PD, lo que regula la distribución de la auxina e impacta en la formación radicular, especialmente en las raíces laterales. La participación del TS es importante para desarrollar la actividad de las auxinas, lo cual favorece la formación radicular, necesaria en la mejora de absorción de nutrientes de las plantas. Este conocimiento puede ser utilizado para mejorar las plantas de interés agronómico.

PALABRAS CLAVE: auxinas, callosa, desarrollo vegetal, plasmodesmos, transporte simplástico.

ABSTRACT

The appropriate organogenesis of plants during their life cycle promotes their development and adaptation to different environmental conditions. Various phytohormones regulate plant development but auxin, called Indole-3-Acetic Acid (IAA), is one of the most important. IAA is synthesized in the aerial part of plant and is mobilized to the demanding tissues by a rapid transport using the phloem and by the polar auxin transport (PAT). Recently, it has been shown that auxins also are mobilized by a symplastic transport (ST) through plasmodesmata (PD), which opening or closing is regulated by the callose degradation or deposition respectively. The objective of the present work was to deepen the analysis on the participation of symplastic transport of auxins during plant development, as well in the callose degradation or deposition, in the closing or opening of the PD, that regulates the development of some organs of Arabidopsis thaliana. The intervention of PDLP5 proteins is decisive for the callose deposition in the PD, which regulates the auxin distribution and impacts root formation, especially at the lateral roots. The participation of TS is important to develop the auxin activity, which favors root formation, necessary for the improvement plant nutrient absorption. This knowledge can be used to improve development plants of agronomic interest.

KEYWORDS: auxins, callose, plant development, plasmodesmata, symplastic transport.

INTRODUCCIÓN

Las plantas están formadas por un sistema radicular y un sistema aéreo. El primero se origina a partir del meristemo apical de la raíz (MAR), y sus funciones principales consisten en anclar la planta al suelo y adquirir agua y nutrientes. Mientras que el sistema aéreo, que se origina a partir del meristemo apical del brote (MAB), lleva a cabo, entre otras funciones, la fotosíntesis y la biosíntesis de auxinas (Gaillochet y Lohmann, 2015). Las auxinas, hormonas vegetales asociadas a la elongación de las plantas, son sintetizadas en la parte aérea y se transportan a la raíz por el floema y por el transporte polar de auxinas (TPA). Este último permite la creación de una concentración máxima de auxinas necesaria para el desarrollo adecuado del sistema radicular. Las auxinas además de movilizarse por el TPA, también lo hacen mediante el transporte simplástico (TS), a través de los plasmodesmos (PD) (Band, 2021). El TS está regulado por la síntesis, deposición o degradación de la callosa en el cuello de los PD, lo que respectivamente permite el cierre o apertura de los mismos (Wu y col., 2018). La callosa es un polímero de glucosas unidas por enlaces glucosídicos b-1,3 que participa en la formación de las placas del tamiz del floema y controla el cierre o la apertura de los PD durante el desarrollo y la maduración de los estambres y las anteras (Nishikawa y col., 2005). En las plantas perennes como el álamo, el ácido abscísico incrementa la síntesis de callosa en las puntas de los brotes y de esta manera disminuye la actividad meristemática y la latencia de las yemas (Tylewicz y col., 2018). Otros reportes señalan el papel de la callosa en el desarrollo vegetal y en las interacciones ambientales (Li y col., 2023).

En este trabajo se aborda como el cierre o apertura de los PD, a través de la callosa, regula el desarrollo de algunos órganos de Arabidopsis thaliana.

Desarrollo vegetal

Las plantas poseen estructuras especializadas que les permiten su desarrollo y reproducción. Durante la formación del embrión se originan dos polos, donde se localizan el MAB y el MAR (Scheres, 2007; Chang y col., 2020). El MAB da lugar a las hojas, tallos y flores (Chang y col., 2020; Li y col., 2022a), mientras que el MAR da origen al sistema radicular (Strotmann y Stahl, 2021). En las plantas maduras, el MAB y el MAR se localizan en la punta de la parte aérea y de la raíz, respectivamente (Figura 1A). El MAB se subdivide en diferentes zonas y capas (Figura 1B). La capa externa, denominada L1, da origen a la epidermis; la capa L2 genera el tejido fundamental y; la L3, que es la capa más interna, produce la vasculatura (Gaillochet y Lohmann, 2015). Mientras que la zona central (ZC) presenta una baja división celular, en la zona periférica (ZP), al igual que la zona que corresponde al meristemo de la costilla (MC), las divisiones son más rápidas (Uchida y Torii, 2019). En la Figura 1B, se observa que el centro organizador (CO) está rodeado por las tres zonas antes mencionadas. Cabe señalar que el CO está formado por un conjunto de células que raramente se dividen, al igual que el centro quiescente (CQ) del MAR (Gaillochet y Lohmann, 2015; Uchida y Torii, 2019).

La actividad y el mantenimiento del CO regula el tamaño y el funcionamiento correcto del MAB (Vázquez-Chimalhua y col., 2018; Wang y Jiao, 2023). Por otra parte, el MAR muestra una organización de cilindros concéntricos altamente estructurada, donde al conjunto de células iniciales que rodean al CQ se le conoce como el nicho de células fuente (NCF), el cual da origen a las diferentes capas que conforman la raíz primaria (García-Gómez y col., 2021). En la Figura 1C se puede observar el arreglo radial de las capas de la raíz, donde una capa denominada periciclo rodea la estela o haz vascular; enseguida se localiza la endodermis, las células de la corteza y la epidermis (capa externa de la raíz). Debajo del NCF, se encuentran la cofia y la columela, que protegen a la punta de la raíz de la fricción durante la exploración del suelo (Kumar e Iyer-Pascuzzi, 2020).

Vía de respuesta a las auxinas

La palabra auxina proviene del griego auxein que significa “crecer” y su posible existencia fue sugerida por Charles y Francis Darwin en 1880, al observar el doblamiento del coleóptilo de Phalaris canariensis hacia la luz. Años más tarde, se demostró que este efecto se de-bía a la acumulación de auxinas en la zona del doblamiento del tejido (Taiz y Zeiger, 2010). Ahora se sabe que, prácticamente todo el desarrollo vegetal está regulado por las auxinas (Peris y col., 2010; Scarpella y col., 2010; Ros-uete y col., 2012; Mishra y col., 2022; Zhang y col., 2022). El efecto de estos compuestos, a través de la vía de respuesta a las auxinas, es un fenómeno muy complejo que comprende los siguientes eventos: i) homeostasis, ii) transporte y, iii) percepción y señalización (Figura 2). La homeostasis de auxinas mantiene el equilibrio interno de la fitohormona, que se establece a través de ajustes múltiples y dinámicos en la síntesis, el catabolismo y la conjugación de la auxina denominada Ácido Índol-3-Ácético (AIA), lo que permite el desarrollo y adaptación de las plantas a estímulos ambientales (Zhang y Peer, 2017). En A. thaliana, en la vía de síntesis del AIA dependiente del triptófano (Trp), el Trp se convierte por la acción de las trp aminotransferasas (TAA) a ácido indol-3-pirúvico (IPA). Posteriormente, el IPA es transformado por las flavin monooxigenasas YUCCA (YUC) a AIA (Figura 2) (Cao y col., 2019). El catabolismo del AIA (Figura 2), se efectúa entre otros procesos por la oxidación del AIA a oxiAIA (Rosquete y col., 2012).

El AIA en las plantas se distribuye desde los tejidos de síntesis a los demandantes a través del floema y por el TPA, el cual genera gradientes en distancias cortas. Para que se lleve a cabo el TPA, se requiere de los acarreadores de influjo AUXIN1/LIKE-AUX1 (AUX1/LAX) y de eflujo PIN-FORMED (PIN) y ATP-Binding Cassette/P-glycoprotein (ABCB/PGP) (Figura 2) (Sauer y Kleine-Vehn, 2019).

Respecto a los eventos de la percepción y señalización de las auxinas se sabe que, cuando la concentración de auxinas es baja, la respuesta a esta fitohormona está inhibida por los represores denominados Auxin/Indole-3-Acetic Acid (AUX/IAA) que secuestran a los factores de respuesta a auxinas ARF (ARF, por sus siglas en inglés: Auxin Response Factor) y con ello impiden la expresión de los genes de respuesta temprana a las auxinas. Mientras que altas concentraciones de auxinas son percibidas por el receptor nuclear de respuesta de inhibición al transporte TIR1 (TIR1, por sus siglas en inglés: Transport Inhibitor Response1) que está unido al complejo SCF (S-PHASE KINASE-ASSOCIATED PROTEIN1 (SKP1), CULLIN1 (CUL1), RING BOX PROTEIN1 (RBX1) y una F-box ligasa E3 de ubiquitina, lo que ocasiona que las auxinas unan a los represores AUX/IAA con el complejo SCF. Cuando esto sucede, los AUX/IAA son marcados por la ubiquitina-ligasa E3 (forma parte del SCF) y degradados vía el proteosoma, con la consiguiente liberación de los factores de transcripción ARF y la expresión de los genes de respuesta temprana a las auxinas: SMALL AUXIN-UPREGULATEDRNA (SAUR), GRETCHEN HAGEN3 (GH3) y AUX/IAA (Robert y Friml, 2009; Schaller y col., 2015; Leyser, 2018) (Figura 2).

La participación del TPA durante el desarrollo vegetal ha sido demostrada ampliamente (Michniewicz y col., 2007; Habets y Offringa, 2014; Ötvos y col., 2019; Sauer y Kleine-Vehn, 2019; Lee y col., 2020; Han y col., 2021; García-Gómez y col., 2021; Mishra y col., 2022) y recientemente, se ha reportado que el TS de las auxinas complementa al TPA (Rutschow y col., 2011; Gao y col., 2020; Mellor y col., 2020; Band, 2021).

Transporte polar de auxinas (TPA)

En forma aniónica (AIA-), el AIA es transportado por los acarreadores de influjo AUX1/LAX y de eflujo PIN y ABCB/PGP (Robert y Friml, 2009; Han y col., 2021) (Figura 3A). En Arabidopsis, la familia de los acarreadores de eflujo PIN está integrada por ocho miembros. En la punta de la raíz primaria, las auxinas que llegan a través del floema son redistribuidas por diferentes PIN, estableciendo con ello un gradiente indispensable para crear una concentración máxima de auxinas en el MAR, que es esencial para el crecimiento indeterminado de la raíz. En la Figura 3B, se observa que PIN1 participa en el movimiento de las auxinas a través del haz vascular; PIN4 las concentra en el CQ; PIN3 y PIN7 las redistribuyen en la región de la columela y PIN2 sube a las auxinas por la cofia hacia la epidermis y las regresa a través de las células de la corteza hacia el CQ para mantener una concentración máxima de auxinas en la punta de la raíz, necesaria para la función correcta del NCF (Figura 3B). También, se ha reportado que, en el desarrollo de las raíces laterales están involucrados los acarreadores de eflujo PIN1 y PIN3 (Finet y Jaillais, 2012; Lee y col., 2020).

Transporte simplástico de las auxinas a través de los plasmodesmos

La caracterización de la dinámica de la auxina es esencial para entender cómo participa esta fitohormona en la regulación del desarrollo vegetal. Se ha reportado que el TS de las auxinas está involucrado en el fototropismo, la emergencia de las raíces laterales y la hiponastia de las hojas (Band, 2021). Mellor y col. (2020), observaron que al comparar el nivel experimental de auxinas en la raíz de A. thaliana in vivo con el nivel predicho por experimentos in silico, ambas distribuciones mostraban discrepancias muy grandes entre las concentraciones de auxinas cuando se consideraba solo el TPA. Mientras que, cuando tomaron en cuenta tanto el TPA como el TS, ambas distribuciones presentaron una alta concordancia. Esto les permitió a los autores recomendar que, en cualquier proceso del desarrollo vegetal que involucre el transporte de auxinas, se debe de considerar tanto al TPA como el TS.

Estructura y regulación de la apertura y cierre de los plasmodesmos

Los PD son canales nanoscópicos que atraviesan la pared celular y conectan el citoplasma de células vecinas. El movimiento de las moléculas a través de los PD depende de su permeabilidad, característica conocida como límite del tamaño de exclusión (LTE), que se define por el tamaño máximo que tiene una molécula capaz de atravesar el PD (Zambryski, 2004; Faulkner, 2018; Peters y col., 2021; Barr y Tilsne, 2023). El LTE, a su vez, depende del gradiente de concentración entre las células adyacentes. Por estos PD se transportan proteínas, RNAs, virus, AIA y moléculas con un peso de hasta 80 kDa (Brunkard, 2020).

La permeabilidad de los PD está regulada por mecanismos dependientes e independientes de la callosa depositada en los cuellos de los PD (Figura 4). Los mecanismos dependientes de callosa involucran la síntesis y degradación del polímero, en tanto que, los independientes incluyen la alteración del número de PD y el cambio de estructura de los PD de simples a ramificados (Wu y col., 2018). Los PD simples conectan el citoplasma de dos células, mientras que los ramificados, que consisten de la fusión de varios PD simples, presentan varias cavidades que aumentan el TS (Zambryski y Crawford, 2000). Por otra parte, se ha observado que altos niveles de callosa en el cuello del PD lo cierran, y restringen el TS, y que dicho nivel depende de las enzimas CALLOSE SYNTHASE/GLUCAN SYNTHASE-LIKE (CALS/GSL) (Hernández-Hernández y col., 2020).

En el cierre de los PD, también están involucradas las proteínas que ayudan al posicionamiento de la callosa sobre el cuello de los PD, como las PD-CALLOSE BINDING PROTEIN (PDCB) (Simpson y col., 2009; Amsbury y col., 2018) y las PLASMODESMATAL-LOCATED PROTEIN (PDLP) (Thomas y col., 2008; Li y col., 2022b) (Figura 4B). Por otra parte, la remoción de la callosa que resulta en la apertura de los PD está mediada por las b-1,3-glucanasas (Figura 4A) (Hernández-Hernández y col., 2020).

Participación de la callosa en la defensa de las plantas

Una de las primeras funciones reportada de los PD se relaciona con la defensa vegetal, debido a que virus, hongos y bacterias usan a los PD para invadir a la planta (Zambryski y Crawford, 2000; Liu y col., 2021). Para enfrentar a las infecciones, las plantas incrementan la expresión de los genes CALS/GSL, PDLP5 y PDCB que codifican respectivamente para las proteínas CALS/GSL, PDLP5 y PDCB, y que forman una estructura conocida como papillae, que además contiene fitoalexinas, especies reactivas de oxígeno y defensinas (Wang, 2021). La deposición de callosa en los PD en respuesta al ataque de patógenos está regulada por el ácido salicílico, ocasionando con ello una disminución del LTE (Zavaliev y col., 2011; Jiang y col., 2021).

Nie y col. (2017), reportaron un aumento en la acumulación de callosa en A. thaliana expuesta a Botrytis cinerea. En otro estudio, se observó un incremento de callosa en hojas de fresa expuestas a la interacción física y a los compuestos volátiles de Botrytis methylotrophicus (Vicente-Hernández y col., 2019). Los resultados antes mencionados, sugieren que el cierre de los PD es un mecanismo que se lleva a cabo para impedir la propagación del patógeno al resto de la planta.

Recientemente, Tee y col. (2023) señalaron que, las plantas para iniciar y ejecutar su defensa contra el ataque de patógenos emplean una serie de cascadas de señalización, cada una con componentes moleculares específicos. Estos autores indicaron que diversas cascadas de señalización iniciadas por diferentes electores, convergen en la síntesis de callosa que resulta en el cierre de los PD.

Participación de la callosa durante el desarrollo vegetal

La callosa es sintetizada por un complejo multiproteico que se localiza en la membrana celular, sin embargo, la subunidad catalítica crítica es la sintasa de callosa CALS/GSL (Li y col., 2023). El genoma de A. thaliana contiene doce genes de sintasas de callosa CALS/GSL (Chen y col., 2009). Han y col. (2014) reportaron que la mutante gsl8 de A. thaliana impide la acumulación de callosa en los PD y altera el desarrollo de estomas. Como la mutación gsl8 también ocasionó otras alteraciones del desarrollo, para poder analizar el efecto de la callosa sobre la respuesta del hipocótilo a la luz y a la gravedad, se crearon mutantes gsl8 condicionadas a dexametasona (dsGSL8 RNAi). Adicionalmente, observaron que, los hipocótilos de plántulas dsGSL8 RNAi, en presencia de dexametasona, no presentaron el doblamiento característico en respuesta a la gravedad y a la luz, ni la acumulación de callosa en dicha zona. Así que, sus resultados señalaron que la acumulación de callosa fue necesaria para el doblamiento del hipocótilo en respuesta a los dos tropismos evaluados.

Vatén y col. (2011) reportaron que, el gen CALS3, que codifica para la sintasa de callosa, se expresa en el haz vascular y en el RAM, y que las raíces de las mutantes de ganancia de función CALS3 que incluyen a cals3-1d, cals3-2d y cals3-3d, denominadas colectivamente cals3-d, presentaban un patrón aberrante de la proteína verde fluorescente (PVF) (GFP, por sus siglas en inglés: Green Fluorescent Protein) que marca el movimiento, codificada por pSUC2::GFP. Estos investigadores, además observaron que GFP se movilizó en el haz vascular en las plántulas control pSUC2::GFP, en tanto que en la línea cals3-1d homocigota, la GFP desapareció y su movimiento se restableció parcialmente en la línea heterocigota cals3-1d/+. Y también documentaron que las plántulas cals3-d presentaron una raíz primaria extremadamente corta y una mayor acumulación de callosa (detectada por tinción con azul de anilina) respecto a la línea silvestre.

La callosa influye en el desarrollo de las raíces laterales, las cuales se inducen a partir de los primordios existentes en ellas y cuyo desarrollo transcurre a través de siete etapas. En la etapa I, las células fundadoras del periciclo son marcadas con auxinas; posteriormente, en las etapas II-VII, las células se van dividiendo y formando un domo que, conforme crece, va rompiendo sucesivamente las capas de la endodermis, la corteza, hasta llegar a la epidermis. Este desarrollo está regulado por las auxinas que, en primer lugar, marcan a las células del periciclo que van a dar lugar a los primordios y posteriormente las auxinas se movilizan hacia la punta del domo conforme crece el primordio hasta llegar a los meristemos de las raíces laterales (Malamy y Benfey, 1997; Torres-Martínez y col., 2019).

Las proteínas PDLP5 ayudan al posicionamiento de la callosa en el cuello de los PD y por lo tanto contribuyen al cierre del canal. Sager y col. (2020) observaron que, en las etapas I-II del desarrollo de los primordios de las raíces laterales (PRL), las PDLP5 se loca-liaron en la endodermis, mientras que en las etapas IV-VI, se identificaron en la corteza y en la epidermis, que es cuando ya ha emergido la RL. También detectaron que el patrón de localización de las PDLP5 fue similar al del transportador de influjo de las auxinas LAX3 durante el desarrollo de los PRL y posteriormente comprobaron que la expresión de PDPL5 depende de las auxinas. LAX3 regula el flujo de auxinas hacia las células que rodean al PRL y al cerrar los PD se impide la disipación de auxinas y con ello se asegura la emergencia de las RL. Estos investigadores, además observaron un fenotipo contrastante entre las mutantes pdlp5-1 y las líneas de sobreexpresión PDLP5OE. Las plántulas de la mutante pdlp5-1 mostraron un mayor número de raíces laterales largas, en tanto que las plántulas PDLP5OE presentaron raíces laterales escasas y cortas, comportamiento que atribuyeron a un desarrollo acelerado de los PRL en pdlp5-1 y a un retraso en dicho desarrollo en la línea PDLP5OE.

Sager y col. (2021), establecieron un modelo que propone que en diferentes etapas del desarrollo de los PRL se presenta un aislamiento simplástico transitorio. En las etapas I-III, el PRL está conectado al floema de la raíz primaria y las proteínas PDLP5 se posicionan sobre las células de la endodermis. En los estadios IV-VI, las PDPL5 se localizan en la corteza impidiendo el movimiento de la GFP, mientras que en la etapa VII, las PDLP5 se posicionan en la epidermis quedando el PRL aislado simplásticamente del floema de la raíz primaria. Una vez que la raíz lateral emerge, esta desarrolla su floema y se restablece la conexión simplástica entre la raíz lateral y el floema de la raíz primaria (Figura 5).

Otro ejemplo de la participación de la callosa en el desarrollo de las RL, fue el observado en las plántulas pdbg1,2 (mutantes dobles de las glucanasas, donde los PD están cerrados debido a que no hay degradación de callosa).

Estas plántulas presentaron en el haz vascular de la raíz primaria una mayor acumulación de callosa y un incremento en la densidad de las raíces laterales respecto a las plántulas silvestres. Al observar con más detalle plántulas de estas mutantes, notaron que, en el sitio donde normalmente se forma un PRL aparecen varios, lo que resulta en un mayor número y densidad de raíces laterales. Los autores concluyeron que el transporte simplástico a través de los PD es crítico para la iniciación y el posicionamiento adecuado de los PRL (Benitez-Alfonso y col., 2013).

CONCLUSIONES

Las auxinas, fitohormonas generadas en la parte aérea de la planta, se distribuyen a través del transporte polar (TPA) y simplástico (TS) hacia todos los tejidos. Su transporte, distribución y regulación son esenciales para el desarrollo de las plantas, por su función organogénica. En Arabidopsis thaliana, el aislamiento simplástico transitorio de las auxinas en el floema de la raíz primaria, es determinante para la emergencia de las raíces laterales. Esta acción se regula a través de las proteínas PDLP5, que ayudan al posicionamiento de la callosa en el cuello de los plasmodesmos (induciendo su cerrado); además de que el flujo de las auxinas hacia las células que rodean los primordios de las raíces laterales es ajustado por LAX3. Una vez que la raíz lateral emerge, esta desarrolla su floema y se restablece la conexión simplástica entre la raíz lateral y el floema de la raíz primaria. Adicional al TPA, el TS de las auxinas coadyuva al desarrollo vegetal. Entender los mecanismos moleculares que regulan la arquitectura radicular es importante para mejorar la eficiencia en la adsorción de nutrientes y por su potencial impacto en el rendimiento de cultivos de importancia agronómica.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue apoyado por la Coordinación de la Investigación Científica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), E. C. F., es becario del CONAHCYT, México (801093).

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declararon no tener conflictos de intereses de ningún tipo.

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