Tema 9. Germinación de semillas (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2017
Páginas 10
Fecha de subida 29/05/2017
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TEMA 3. Crecimiento reproductivo IV. Germinación de las semillas Introducción El etileno ha cumplido su función sobre la maduración del fruto. El fruto se ha reblandecido, ha cambiado de color y se va cargando de azúcares. El aumento de azúcares incrementa la presión osmótica induciendo la entrada de agua al interior de las células del fruto, gana peso y se desprende de la rama. En el suelo se abre y dentro están las semillas (embrión + endospermo) que entran en letargo (en condiciones naturales). Este letargo viene impuesto por muchas condiciones que suelen ser estacionales, como la temperatura, el estado hídrico, cubiertas seminales muy gruesas, etc.
El pH ácido del estómago de determinados herbívoros puede adelgazar las cubiertas gruesas de los piñones y salir por el ano con una estructura menos resistente de tal forma que el embrión pueda germinar.
La acumulación de inhibidores de la germinación dentro del endocarpio del fruto puede retrasar también la germinación. Cuando se parten por la mitad sandías, calabazas o papayas y se dejan expuestas al medio, las semillas pueden comenzar a germinar al tener condiciones idóneas de oxígeno, nutrientes, etc. Sin embargo, muchas plantas acumulan inhibidores en sus frutos como es el caso de los tomates. Los alcaloides encontrados en los tomates, a determinadas concentraciones reprimen la germinación. Cuando las lluvias diluyen estos compuestos la semilla es capaz de germinar.
El tamaño de la semilla también influye en su germinación. Las semillas grandes ejercen mayor presión sobre el sustrato y se hunden quedando sepultadas bajo el suelo. En estas condiciones la luz no puede llegar a la semilla e inducir el crecimiento de la plántula, por lo que es necesaria una primera fase de movilización de reservas energéticas y proteicas. Las reservas pueden encontrarse en forma de almidón (energéticas) o en acúmulos proteicos en el interior del protoplasto.
Las células del endospermo (en) acumulan grandes cantidades de almidón que durante la germinación van degradándose para suministrar energía a las células del embrión (eb). Tanto cotiledones (ct) como endospermo pueden llevar a cabo esta función hasta el punto en que se quedan sin reservas, que suele coincidir con el momento en que la plántula se abre paso y sale al exterior para seguir creciendo fotoquímicamente.
En la imagen de la izquierda se muestra un protoplasto de Lens culinaris con acúmulos proteicos previo a germinación.
En la imagen derecha el mismo protoplasto ha consumido todas las reservas proteicas para la síntesis de enzimas, principalmente.
Las semillas grandes pueden estar unos días germinando y creciendo bajo condiciones quimioergónicas y una vez alcanzan la superficie cambian a un crecimiento fotoergónico.
Sin embargo, las semillas más pequeñas, que no son capaces de horadar el suelo con su propio peso, quedan expuestas desde el inicio a condiciones fotoergónicas. Estas semillas suelen germinar rápido en comparación con las grandes y se producen en mayor cantidad debido a que tienen una tasa de mortalidad muy superior.
EXPERIMENTO 41 Se ha medido la actividad enzimática de la Nitrato reductasa (NO3R) y proteasa (tanto aminopeptidasas como carboxipeptidasas).
En cuanto la semilla germina se empiezan a degradar las proteínas de reserva que vimos en Lens culinaris por la actividad proteasa. De esta forma se liberan los primeros aminoácidos que emplea el embrión para sintetizar las enzimas necesarias para continuar con el proceso de producción de aminoácidos.
Las enzimas Nitrito reductasa – Nitrato reductasa – Glutamina sintasa son las responsables de continuar el legado de las proteínas de reserva produciendo nuevos aminoácidos.
La actividad nitrato reductasa se puede encontrar tanto en raíz como en órganos fotosintéticos, solo que en las hojas es mucho mayor que en las raíces como ya se vio en la parte de metabolismo.
Durante los primeros 4 – 5 días después de la germinación predomina la actividad proteasa que degrada las reservas proteicas necesarias para la biosíntesis de enzimas que servirán para sintetizar nuevos aminoácidos a partir de nitrato cuando los cotiledones afloren y puedan realizar la fotosíntesis. Será entonces cuando la actividad nitrato reductasa predomine sobre la proteasa.
La energía necesaria para llevar a cabo la biosíntesis de aminoácidos se obtiene degradando el almidón.
Molécula de almidón: esqueleto de glucosas unidas por enlaces α-1,4 (amilosa) ramificado con otra glucosa por enlaces α-1,6.
EXPERIMENTO 42 Wagner marcó agua con 18O. El agua marcada se usó para hidratar semillas en letargo por déficit hídrico y se observaron los constituyentes en los que se iba encontrando el oxígeno marcado. El primero de todos fue el aminoácido y posteriormente enzimas con actividad amilasa. Es decir, el agua se empleaba para hidrolizar las proteínas de reserva en aminoácidos, cuyos grupos carboxilo quedaban marcados con 18O, de tal forma que las proteínas sintetizadas de novo aparecían marcadas. Una de estas proteínas era la α-amilasa que comenzaría a degradar almidón y producir glucosa como sustrato para la glicólisis y obtención de energía en forma de ATP y poder reductor.
Sin embargo, otras enzimas no se sintetizan de novo, si no que están presentes desde el momento inicial de la germinación como es el caso de la β-amilasa. Esta enzima no se marca con 18O y está inactiva hasta que se comienza a producir poder reductor. El NAD(P)H de la respiración es empleado en reducir los puentes disulfuro que mantienen el centro catalítico de la enzima inactivo.
Una vez los puentes disulfuro están reducidos a tioles la enzima puede realizar su actividad degradando almidón. Empleando reductores exógenos como el ascorbato o el DTT también se puede lograr el mismo resultado.
________________________________________________________________________________ FACTORES ENDÓGENOS DE LA GERMINACIÓN • • • • La primera fase de crecimiento del eje embrionario hasta formar un embrión maduro y de los cotiledones sobre el endospermo, está controlado por citoquininas (CK derivados de adenina; ya vimos que también están implicados en la división meristemática).
La segunda fase en la que se alcanzan los máximos de acumulación de nutrientes de reserva está controlada por giberelinas y auxinas (GA + AIA).
La tercera fase que tiene como finalidad última la desecación de la semilla para entrar en letargo viene controlada por el ácido abscísico (ABA).
GERMINACIÓN: cuando llegan las lluvias y se hidratan las semillas comienzan a sintetizar enzimas que degradan los nutrientes de reserva. Esta fase está principalmente controlada por giberelinas (si recordamos de prácticas las giberelinas estaban relacionadas con la movilización de reservas) y el crecimiento posterior estará controlado por auxinas.
ORIGEN BIOGENÉSICO DE GIBERELINAS Y ABA Estos dos efectores antagónicos de función (giberelinas son efectores positivos del crecimiento y ABA es efector negativo participando en el envejecimiento) provienen de una molécula de geranil geranil pirofosfato (proviene de 2 moléculas de geraniosa de 10C).
Cuando dos moléculas de geranil geranil pirofosfato se unen por su extremo pirofosfato activado dan lugar al primer carotenoide de 40C. A partir de aquí se forman todos los carotenos y xantofilas.
Finalmente por el catabolismo de las xantofilas se produce ABA.
También da lugar al grupo fitol de las clorofilas, a las plastoquinonas y a las giberelinas.
El GGP se cicla en copalil pirofosfato y por acción de una kaureno sintasa se vuelve a ciclar en Kaureno. El Kaureno se oxida tres veces en su resto metilo dando finalmente un ácido kaurenoico. Este ácido se vuelve a oxidar para dar la giberelina.
Ahora se realizarán una serie de experimentos que demuestran la movilización de reservas por parte de giberelina.
EXPERIMENTO 43 Se ha hecho esta electroforesis con proteínas segregadas de avena.
1. Control (C) en agua: la cantidad de amilasa es mínima. Lo poco que hay se debe a la hidratación por agua.
2. Tratamiento con GA + agua: la hidratación vuelve a hacer efecto solo que aparece mayor cantidad de amilasa por acción de la giberelina.
3. Tratamiento con ABA + GA: aparece menor cantidad de amilasa debido al papel antagónico del ABA respecto a GA.
4. Tratamiento con ABA: no hay nada de amilasa.
La giberelina se une al nitrógeno de la guanina indicando el lugar de transcripción de mRNA codificante para la amilasa.
EXPERIMENTO 44 Se ha medido la actividad alfa-amilasa en función del tiempo de hidratación.
No hay síntesis de amilasa en las primeras 6 horas debido a que se corresponde al tiempo de transcripción de los mRNAs.
A partir de las 7-7.5 horas se traducen los transcritos y sigue sintetizándose hasta estabilizarse en un máximo.
Se utiliza un antimetabolito que impide la traducción del mensajero, la 8-azaguanina. Este antimetabolito se une a la guanina (es el punto de unión de GA). Los mRNAs que habían transcrito previo a la adición del compuesto se traducirán dando el máximo de puntos blancos.
• También pueden existir inhibidores de la traducción ampliamente usados en experimentos de este tipo como es el caso de la cicloheximida.
FITOCROMO EN LA GERMINACIÓN En el 1953 reconocieron los esfuerzos de Garner y Allard sobre la participación de fitocromo en la respuesta floral. Otros investigadores retomaron sus trabajos experimentando con lechugas sobre el efecto de fitocromo en la germinación: EXPERIMENTO 45 Se emplearon semillas de Lactuca sativa, var. Grand Rapids y se someten a diferentes condiciones lumínicas.
1. Control en oscuridad. No se espera que haya germinación, o muy poca.
2. Luz roja. Se espera mayor germinación.
3. Luz roja + luz roja lejana. Se esperan resultados similares al control.
Oscuridad Luz roja Luz roja + FR Los resultados observados se correlacionan con los esperados, por lo que se puede concluir que fitocromo juega algún papel sobre la germinación. En este caso está regulado positivamente por Pfr.
• Las semillas reguladas positivamente por Pfr se llaman fotoblásticas.
• Las semillas reguladas negativamente por Pfr se llaman afoblásticas.
Esta gráfica nos muestra el % de germinación en función de la longitud de onda.
Se trata de una semilla fotoblástica porque su máximo de germinación se encuentra en la región del espectro donde absorbe Pr-Pfr (600-780nm).
Las semillas fotoblásticas suelen ser pequeñas y las afoblásticas suelen ser de gran tamaño. Las fotoblásticas pequeñas no pueden penetrar en el suelo y están expuestas a la luz desde el inicio de la germinación, sin embargo, las afoblásticas horadan el sustrato y se cubren con tierra impidiendo la llegada de luz.
En este punto es donde se unen los factores exógenos y endógenos en la germinación: Pfr capta el factor exógeno, la luz, y las giberelinas hacen su trabajo como efectores hormonales endógenos.
Lo que no sabemos todavía es en qué punto se comienza a ciclar el geranil geranil pirofosfato para dar las giberelinas.
FUNCIÓN DE FITOCROMO A NIVEL TRANSDUCCIONAL Para que fitocromo pueda asociarse con su receptor de membrana implicado en la germinación debe existir una determinada concentración de nitratos en el medio. No se conoce el mecanismo por el cual el nitrato induce la participación de fitocromo, pero se especula con una posible hipótesis: puede existir una lipoproteína asociada a la cara externa de la bicapa lipídica que al unirse a nitrato se internalice y se una a ancorinas de la capa interna, momento en el que Pfr podría ejercer su acción sobre la membrana uniéndose al complejo.
Índice de figuras Nitrato Lipoproteína Pr Pfr Ancorinas Receptor de Pfr Fosfolípido de membrana Pr Pfr Pfr Cascada de transducción que activa Kaureno sintasa SÍNTESIS DE GIBERELINAS La explicación del esquema es sencilla: primero se une el nitrato a la supuesta lipoproteína, que se internaliza a la cara interna uniéndose a unas ancorinas. La unión de la lipoproteína a la ancorina induce un cambio conformacional sobre el complejo ancorina-receptor de Pfr permitiendo la unión de Pfr y desencadenando la cascada de transducción que termina por sintetizar giberelinas.
De esta forma se han conectado los factores exógenos con los endógenos. Pfr unido a membrana promueve la síntesis de giberelinas y estas activan genes que codifican para amilasas que degradan el almidón produciendo la glucosa, fuente de energía para la germinación.
PLANTAS OLEAGINOSAS Sin embargo, como siempre hay excepciones a la regla en cuanto a la fuente de reserva. Las plantas oleaginosas almacenan lípidos en vez de almidón, por lo que no servirá de nada sintetizar alfaamilasas.
El cacahuete, el ricino o el girasol son plantas oleaginosas. La cantidad de aceites acumulados en los cotiledones de estas semillas nos proporciona una enorme variedad de aceites vegetales industriales para el consumo humano.
Han sustituido los hidratos de carbono por triglicéridos.
A continuación veremos un ejemplo de obtención de energía a partir de los triglicéridos: β-oxidación de ácidos grasos Partimos de un triglicérido que ha sido degradado por lipasas en sus respectivos ácidos grasos.
Concretamente veremos el caso del ácido palmítico de 16 átomos de carbono.
1. Activación del ácido palmítico por una acil-tioquinasa dependiente de ATP. La activación transforma el ácido palmítico en palmitil-coenzima A.
2. Oxidación del palmitil-CoA por una Acil-CoA deshidrogenasa dependiente de FAD. Los dos protones y los dos electrones de los grupos CH2 se emplean en reducir FAD en FADH2 y en la formación de un doble enlace en la molécula.
3. Hidratación del doble enlace por una crotonasa dando un grupo hidroxilo.
4. Oxidación del hidroxilo en el segundo grupo cetónico por una β-hidroxiacil deshidrogenasa dependiente de NAD+.
5. La β-cetotiolasa rompe la molécula por el grupo cetónico terminal dando una molécula de acetil-CoA y un ácido graso de 14 átomos de carbono.
6. El ácido graso de 14C volverá a pasar por el mismo ciclo de β-oxidación 6 veces más para dar 8 moléculas de Acetil-CoA (son 7 vueltas al ciclo porque en la última se liberan 2 AcetilCoA).
En el siguiente esquema se representa una vuelta de β-oxidación: Carbonos que se van a liberar en forma de Ac-CoA -CH2-CO -CH2-CO La fuente de energía se obtiene de los electrones y protones que se extraen en cada vuelta. Por vuelta se extraen 4 H+ y 4 electrones en forma de 1 molécula de NADH + H+ y otra de FADH + H+.
El poder reductor entra en la cadena de transporte de electrones y da energía en forma de ATP.
Sin embargo, los azúcares no solo son útiles para la obtención de energía, si no que también son necesarios en procesos de biosíntesis primaria de compuestos imprescindibles para el crecimiento celular, como es el caso de los nucleótidos que conforman los ácidos nucleicos para la autorreplicación del DNA.
Estos azúcares se obtienen en las plantas oleaginosas a partir del Acetil-CoA generado previamente.
Biosíntesis de azúcares en oleaginosas 1. 8 moléculas de Ac-CoA pasan al ciclo de Krebs y se transforman en 4 moléculas de ácido oxalacético, liberándose 24 protones y 24 electrones.
2. Las 4 moléculas de ácido oxalacético no se unen a una nueva molécula de Ac-CoA para dar ácido cinámico, si no que se produce una descarboxilación no oxidativa por parte de la enzima fosfoenol piruvato descarboxilasa. Se forman 4 moléculas de fosfoenol pirúvico y se liberan 4 CO2.
3. Fosfoenol pirúvico es el penúltimo intermediario de la glucólisis. Se da un proceso de gluconeogénesis reductora en sentido inverso a la glucólisis (oxidación).
Se necesitan 8 protones y 8 electrones para dar una molécula de sacarosa a partir de 4 moléculas de fosfoenol pirúvico.
El cociente respiratorio final que resulta de todas estas reacciones es muy bajo: • Los 44 H+ se emplean en producir 22 moléculas de agua, para lo que es necesario un aporte de 11 moléculas de oxígeno.
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