Desarrollo de plantas

Una vez que el embrión germina de su semilla o planta madre, comienza a producir órganos adicionales (hojas, tallos y raíces) mediante el proceso de organogénesis . Las nuevas raíces crecen a partir de los meristemos radiculares ubicados en la punta de la raíz, y los nuevos tallos y hojas crecen a partir de los meristemos apicales ubicados en la punta del brote. ^{[ 9 ]} La ramificación ocurre cuando pequeños grupos de células que quedan del meristemo, y que aún no han sufrido diferenciación celular para formar un tejido especializado, comienzan a crecer como la punta de una nueva raíz o brote. El crecimiento a partir de cualquiera de estos meristemos en la punta de una raíz o brote se denomina crecimiento primario y resulta en el alargamiento de esa raíz o brote. El crecimiento secundario resulta en el ensanchamiento de una raíz o brote a partir de divisiones de células en un cambium . ^{[ 10 ]}

La organogénesis directa es un método de cultivo de tejidos vegetales en el que órganos como raíces y brotes se desarrollan directamente a partir de células meristemáticas o no meristemáticas, sin pasar por la etapa de formación de callo . Este proceso se lleva a cabo mediante la activación de meristemos apicales de brotes y raíces o yemas axilares , influenciadas por reguladores del crecimiento vegetal aplicados interna o externamente. Como resultado, tipos celulares específicos se diferencian para formar estructuras vegetales que pueden convertirse en plantas completas. Esta técnica se utiliza comúnmente para la propagación de diversas especies vegetales, incluyendo hortalizas , frutas , plantas leñosas y plantas medicinales . Los ápices de los brotes y los segmentos nodales se utilizan típicamente como explantes en este proceso. En algunos casos, surgen estructuras adventicias a partir de tejidos somáticos bajo condiciones específicas, lo que permite la regeneración de brotes o raíces en áreas donde no se desarrollarían naturalmente. Este enfoque es particularmente efectivo en especies herbáceas, y si bien la regeneración adventicia puede conducir a una mayor tasa de formación de brotes, la proliferación de brotes axilares sigue siendo el método más utilizado en micropropagación debido a su eficiencia y practicidad. La secuencia general del desarrollo de órganos en este proceso sigue el patrón: Explante primario → Meristemoide → Primordio del órgano. ^{[ 11 ]}

La organogénesis indirecta es un proceso de desarrollo en el que las células vegetales sufren desdiferenciación , lo que les permite revertir su estado especializado y transitar hacia una nueva vía de desarrollo. Este proceso se caracteriza por una etapa intermedia de callo, donde las células pierden su identidad original y se vuelven morfológicamente adaptables, sirviendo como base para la formación de órganos. La progresión de la organogénesis indirecta implica varias fases clave, comenzando con la desdiferenciación, que permite a las células alcanzar la competencia, seguida de una etapa de inducción que conduce a un estado completamente determinado. Una vez alcanzada la determinación, las células experimentan cambios morfológicos, dando lugar finalmente a brotes o raíces funcionales. Este proceso sigue una secuencia de desarrollo estructurada: Explante primario → Callo → Meristemoide → Primordio de órgano, asegurando la formación organizada de los órganos vegetales. ^{[ 12 ]}

La capacidad de regenerar plantas con éxito depende de la selección del explante adecuado, que varía según la especie y la variedad. En la organogénesis directa, se suelen preferir los explantes procedentes de tejidos meristemáticos, como ápices de brotes, yemas laterales, hojas, pecíolos , raíces y estructuras florales, debido a su capacidad para desarrollarse rápidamente en nuevos órganos. Estos tejidos presentan altas tasas de supervivencia, un rápido crecimiento y un gran potencial regenerativo in vitro. Los meristemos, los ápices de brotes, las yemas axilares, las hojas inmaduras y los embriones son especialmente eficaces para promover la regeneración en una amplia gama de especies vegetales.

Además, las partes maduras de la planta, como hojas, tallos, raíces, pecíolos y segmentos florales, también pueden servir como explantes viables para la formación de órganos en condiciones adecuadas. La regeneración vegetal se produce mediante la formación de callo, una masa de células indiferenciadas que posteriormente da origen a nuevos órganos. La formación de callo puede inducirse a partir de diversos explantes, como cotiledones , hipocotilos , tallos , hojas , ápices de brotes, raíces, inflorescencias y estructuras florales, cuando se cultivan en condiciones controladas.

En general, los explantes que contienen células en división activa son más eficaces para la iniciación del callo, ya que poseen una mayor capacidad de reprogramación celular. Los tejidos inmaduros tienden a ser más adaptables a la regeneración que los tejidos maduros debido a su mayor plasticidad del desarrollo. El tamaño y la forma del explante también influyen en el éxito del establecimiento del cultivo, ya que los explantes más grandes o estructuralmente más favorables pueden aumentar las probabilidades de supervivencia y crecimiento. El desarrollo del callo se desencadena principalmente por la herida y la presencia de hormonas vegetales, que pueden estar presentes de forma natural en el tejido o suplementadas en el medio de cultivo para estimular la actividad celular y la formación de órganos. ^{[ 13 ]}

La composición de los medios de cultivo varía significativamente en cuanto a sus elementos minerales y contenido vitamínico para adaptarse a los requerimientos de las diversas especies vegetales. El medio Murashige y Skoog (MS) se distingue por su alto contenido de nitrógeno en forma de amonio, una característica que no se encuentra en otras formulaciones. La sacarosa suele ser la principal fuente de carbohidratos en diversos tipos de medios. ^{[ 14 ]}

La interacción entre auxinas y citoquininas en la regulación de la organogénesis está bien establecida, aunque las respuestas varían según la especie. Algunas plantas, como el tabaco, pueden formar brotes espontáneamente sin reguladores de crecimiento exógenos, mientras que otras, como Scurrula pulverulenta , Lactuca sativa y Brassica juncea , requieren estrictamente suplementación hormonal. En cultivos de cotiledones de B. juncea , la bencilaminopurina (BAP) por sí sola induce la formación de brotes a partir del tejido del pecíolo, de forma similar al pino radiata , donde la citoquinina por sí sola es suficiente para la inducción de brotes. ^{[ 15 ]}

Las investigaciones indican que las concentraciones de hormonas endógenas, más que los niveles de aplicación exógena, determinan en última instancia la diferenciación organogénica. Entre las diversas citoquininas (2iP, BAP, tidiazurón, kinetina y zeatina) utilizadas para la inducción de brotes, el BAP ha demostrado una eficacia superior y una amplia aplicación. De manera similar, las auxinas influyen en las vías organogénicas; el 2,4-D se usa comúnmente para la inducción de callos en cereales, aunque la organogénesis generalmente requiere la transferencia a medios que contengan IAA o NAA, o que carezcan por completo de 2,4-D. La proporción de auxinas a citoquininas determina en gran medida qué órganos se desarrollan.

El ácido giberélico (GA3) contribuye a la elongación celular y la formación de meristemoides, mientras que compuestos no convencionales como el ácido triyodobenzoico (TIBA), el ácido abscísico (ABA), la kanamicina y los inhibidores de auxinas han demostrado ser eficaces para especies recalcitrantes. Los aditivos naturales como el polvo de ginseng pueden aumentar la frecuencia de regeneración en ciertos cultivos. Dado que el etileno generalmente suprime la diferenciación de brotes, los inhibidores de la síntesis de etileno, como la aminoetoxivinilglicina (AVG) y el nitrato de plata (AgNO3 ₎ , se emplean a menudo para promover la organogénesis, con éxito documentado en cultivos de trigo , tabaco y girasol .

El agar no es un componente esencial del medio de cultivo, pero su calidad y cantidad son factores importantes que pueden determinar su papel en la organogénesis. El agar disponible comercialmente puede contener impurezas. Con una alta concentración de agar, el medio nutritivo se endurece e impide la difusión de nutrientes al tejido en crecimiento. Esto influye en el proceso de organogénesis al producir raíces adventicias , callos no deseados en la base o senescencia del follaje. El pH es otro factor importante que puede afectar la ruta de la organogénesis. El pH del medio de cultivo se ajusta entre 5,6 y 5,8 antes de la esterilización. El pH del medio facilita o inhibe la disponibilidad de nutrientes; por ejemplo, la absorción de amonio in vitro ocurre a un pH estable de 5,5 (Thorpe et al., 2008).

La capacidad de las células para experimentar organogénesis depende en gran medida de la aplicación de reguladores del crecimiento vegetal (RCV), que influyen en la dirección del desarrollo del tejido. El equilibrio entre auxinas y citoquininas desempeña un papel fundamental en la determinación de si se formarán brotes o raíces. Una menor proporción de auxinas respecto a citoquininas favorece la regeneración de brotes, mientras que una mayor concentración de auxinas promueve la formación de raíces. Por ejemplo, en cultivos de Medicago sativa (alfalfa), un nivel elevado de kinetina combinado con una baja concentración de 2,4-D (una auxina sintética) conduce al desarrollo de brotes, mientras que el aumento de 2,4-D y la reducción de la concentración de kinetina favorecen la formación de raíces. Sin embargo, la organogénesis exitosa no depende únicamente del tratamiento con RCV. El callo o tejido en desarrollo debe alcanzar un tamaño crítico antes de que pueda proceder la formación de órganos, lo que refleja el papel de la señalización intercelular en la coordinación del desarrollo. ^{[ 18 ]}

La fase de inducción en la organogénesis representa el período de transición entre un tejido que alcanza la competencia y el que se determina completamente para iniciar la formación de primordios. Durante esta etapa, una vía genética integrada dirige el proceso de desarrollo antes de que ocurra la diferenciación morfológica. Los factores químicos y físicos pueden interferir con las vías de desarrollo programadas genéticamente y alterar los resultados morfogenéticos. En Convolvulus arvensis , tales influencias inhibieron la formación de brotes y, en cambio, condujeron al desarrollo de callos. ^{[ 19 ]}

La conclusión de la fase de inducción se caracteriza por la determinación de una célula o grupo de células para formar brotes o raíces. Esta determinación se comprueba transfiriendo el tejido de un medio suplementado con reguladores del crecimiento a un medio basal que contiene minerales esenciales, vitaminas y una fuente de carbono, pero sin reguladores del crecimiento vegetal. En esta etapa, el tejido completa el proceso de inducción y queda totalmente determinado en cuanto a su destino de desarrollo. ^{[ 20 ]}

Un concepto clave en este proceso es la canalización , que se refiere a la capacidad de una vía de desarrollo para producir un fenotipo consistente a pesar de la variación genética o ambiental. Si los explantes se retiran del medio de inducción de brotes antes de que se complete la canalización, la formación de brotes disminuye drásticamente y predomina el desarrollo de raíces. Esto refleja la plasticidad morfogenética de los tejidos vegetales in vitro . ^{[ 21 ]}

La diferenciación morfológica comienza en esta fase, dando lugar a la formación del órgano naciente. El inicio de la organogénesis se caracteriza por un cambio en la polaridad celular , seguido del establecimiento de la simetría radial y el crecimiento a lo largo del eje recién definido, lo que produce la protuberancia estructural que indica el inicio de la formación del órgano. ^{[ 22 ]}

El desarrollo secuencial de la organogénesis se puede observar en especies como Pinus oocarpa Schiede , donde los brotes se regeneran directamente a partir de cotiledones mediante organogénesis directa. Sin embargo, los patrones de desarrollo específicos pueden variar entre diferentes especies de plantas cultivadas in vitro. La progresión de la formación de órganos incluye cambios morfológicos distintivos, que comienzan con alteraciones en la textura de la superficie, la aparición de meristemoides y la expansión de la región meristemática vertical u horizontalmente. A esto le sigue la protrusión de la región meristemática más allá de la capa epidérmica, la formación de un meristemo estructurado con primordios foliares visibles y, finalmente, el desarrollo completo de una yema adventicia. ^{[ 23 ]}

Una característica notable de los cultivos organogénicos in vitro es la formación simultánea de múltiples meristemoides en un solo explante, con distintos grados de diferenciación. Dentro del mismo explante, pueden existir yemas en diferentes etapas de desarrollo, desde la iniciación temprana hasta estructuras completamente desarrolladas. Una vez que los brotes superan aproximadamente 1  cm de longitud, se transfieren a sustratos de enraizamiento in vitro o ex vitro para completar la regeneración de plántulas . ^{[ 24 ]}

Además del crecimiento por división celular , una planta puede crecer mediante elongación celular . Esto ocurre cuando células individuales o grupos de células se alargan. No todas las células vegetales crecen a la misma longitud. Cuando las células de un lado del tallo crecen más y más rápido que las del otro lado, el tallo se curva hacia el lado de las células de crecimiento más lento. Este crecimiento direccional puede producirse como respuesta de la planta a un estímulo particular, como la luz ( fototropismo ), la gravedad ( gravitropismo ), el agua ( hidrotropismo ) y el contacto físico ( tigmotropismo ). ^{[ 28 ]}

El crecimiento y desarrollo de las plantas están mediados por hormonas vegetales específicas y reguladores del crecimiento vegetal (RCV) (Ross et al. 1983). ^{[ 29 ]} Los niveles de hormonas endógenas están influenciados por la edad de la planta, la resistencia al frío, la dormancia y otras condiciones metabólicas; el fotoperiodo , la humedad, la temperatura y otras condiciones ambientales externas; y fuentes exógenas de RCV, por ejemplo, aplicadas externamente y de origen rizosférico . ^{[ 30 ]}

Las plantas presentan variación natural en su forma y estructura. Si bien todos los organismos varían de un individuo a otro, las plantas exhiben un tipo adicional de variación. Dentro de un mismo individuo, se repiten partes que pueden diferir en forma y estructura de otras partes similares. Esta variación se observa con mayor facilidad en las hojas de una planta, aunque otros órganos como tallos y flores también pueden mostrar variaciones similares. Existen tres causas principales de esta variación: efectos posicionales, efectos ambientales y la etapa juvenil. ^{[ 31 ]}

Existe variación entre las partes de una planta madura debido a la posición relativa donde se produce el órgano. Por ejemplo, a lo largo de una rama nueva, las hojas pueden variar siguiendo un patrón consistente. La forma de las hojas que se producen cerca de la base de la rama difiere de la de las hojas que se producen en la punta de la planta, y esta diferencia es constante de rama en rama en una planta y especie determinadas. ^{[ 32 ]}

La forma en que maduran las nuevas estructuras a medida que se producen puede verse afectada por el momento de la vida de la planta en que comienzan a desarrollarse, así como por el entorno al que están expuestas. La temperatura tiene múltiples efectos sobre las plantas, dependiendo de diversos factores, como el tamaño y el estado de la planta, y la temperatura y duración de la exposición. Cuanto más pequeña y suculenta sea la planta, mayor será su susceptibilidad a sufrir daños o morir por temperaturas demasiado altas o demasiado bajas. La temperatura afecta la velocidad de los procesos bioquímicos y fisiológicos, velocidades que generalmente (dentro de ciertos límites) aumentan con la temperatura.

La juvenilidad o heteroblastia se produce cuando los órganos y tejidos de una planta joven, como una plántula , difieren de los que produce la misma planta en su etapa adulta. Por ejemplo, los árboles jóvenes desarrollan ramas más largas y delgadas que crecen más hacia arriba que las que desarrollarán al alcanzar la madurez. Además, las hojas producidas durante las primeras etapas de crecimiento tienden a ser más grandes, más finas y más irregulares que las de la planta adulta. Los ejemplares de plantas jóvenes pueden ser tan diferentes de las plantas adultas de la misma especie que los insectos ovíparos no las reconocen como alimento para sus crías. La transición de las formas de crecimiento tempranas a las tardías se denomina a veces cambio de fase vegetativa . ^{[ 33 ]}

Las estructuras vegetales, incluidas las raíces , los brotes y los tallos , que se desarrollan en lugares inusuales se denominan adventicias .

Las raíces y yemas adventicias suelen desarrollarse cerca de los tejidos vasculares existentes para conectarse al xilema y al floema . Sin embargo, la ubicación exacta varía considerablemente. En tallos jóvenes, las raíces adventicias a menudo se forman a partir del parénquima entre los haces vasculares . En tallos con crecimiento secundario, las raíces adventicias suelen originarse en el parénquima del floema cerca del cambium vascular . En esquejes de tallo, las raíces adventicias a veces también se originan en las células del callo que se forman en la superficie de corte. Los esquejes de hoja de Crassula forman raíces adventicias en la epidermis. ^{[ 34 ]}

Raíces

El enraizamiento adventicio puede ser una aclimatación para evitar el estrés en algunas especies, impulsada por factores como la hipoxia ^{[ 35 ]} o la deficiencia de nutrientes. Otra función ecológicamente importante del enraizamiento adventicio es la reproducción vegetativa de especies arbóreas como Salix y Sequoia en entornos ribereños . ^{[ 36 ]}

La capacidad de los tallos de las plantas para formar raíces adventicias se aprovecha en la propagación comercial mediante esquejes . La comprensión de los mecanismos fisiológicos que subyacen a la formación de raíces adventicias ha permitido avanzar en la mejora del enraizamiento de esquejes mediante la aplicación de auxinas sintéticas como polvos enraizantes y mediante el uso de heridas basales selectivas. ^{[ 37 ]} En los próximos años se podrán lograr mayores avances aplicando la investigación sobre otros mecanismos reguladores a la propagación comercial y mediante el análisis comparativo del control molecular y ecofisiológico de la formación de raíces adventicias en especies de difícil enraizamiento frente a especies de fácil enraizamiento.

Las raíces y yemas adventicias son muy importantes cuando se propagan plantas mediante esquejes, acodo y cultivo de tejidos . Las hormonas vegetales , llamadas auxinas , se aplican a menudo a esquejes de tallo, brote u hoja para promover la formación de raíces adventicias, por ejemplo, en hojas de violeta africana y sedum , y brotes de flor de Pascua y coleo . La propagación mediante esquejes de raíz requiere la formación de yemas adventicias, por ejemplo, en rábano picante y manzana . En el acodo, se forman raíces adventicias en tallos aéreos antes de que se retire la sección del tallo para obtener una nueva planta. Las plantas de interior grandes se propagan a menudo por acodo aéreo . Las raíces y yemas adventicias deben desarrollarse en la propagación de plantas mediante cultivo de tejidos.

Formularios modificados

• Las raíces tuberosas carecen de una forma definida; ejemplo: la batata .
• Las raíces fasciculadas (raíces tuberosas) se presentan en grupos en la base del tallo; ejemplos: espárrago , dalia .
• Las raíces nodulosas se hinchan cerca de las puntas; ejemplo: la cúrcuma .
• Las raíces de soporte surgen de los primeros nudos del tallo. Estas penetran oblicuamente en el suelo y brindan soporte a la planta; ejemplos: maíz , caña de azúcar .
• Las raíces aéreas proporcionan soporte mecánico a las ramas aéreas. Las ramas laterales crecen verticalmente hacia abajo en el suelo y actúan como pilares; ejemplo: baniano .
• Las raíces trepadoras que surgen de los nudos se adhieren a algún soporte y trepan por él; ejemplo: Epipremnum aureum .
• Raíces moniliformes o perladas: las raíces carnosas dan una apariencia perlada, por ejemplo: calabaza amarga , Portulaca .

Las plantas utilizan la forma floral, la flor y el aroma para atraer a diferentes insectos para la polinización . Ciertos compuestos presentes en el aroma emitido atraen a polinizadores específicos . En Petunia hybrida , se producen bencenoides volátiles que desprenden el aroma floral. Si bien se conocen los componentes de la vía biosintética de los bencenoides, aún se desconocen las enzimas que la componen y su posterior regulación. ^{[ 39 ]}

Para determinar la regulación de la vía metabólica, se utilizaron flores de P. hybrida Mitchell en un microarreglo específico de pétalos para comparar las flores que estaban a punto de producir el aroma con las flores del cultivar P. hybrida W138, que producen pocos bencenoides volátiles. Se secuenciaron los ADNc de los genes de ambas plantas. Los resultados demostraron que existe un factor de transcripción sobreexpresado en las flores de Mitchell, pero no en las flores de W138 que carecen de aroma floral. Este gen se denominó ODORANT1 (ODO1). Para determinar la expresión de ODO1 a lo largo del día, se realizó un análisis de transferencia de ARN en gel . El gel mostró que los niveles de transcripción de ODO1 comenzaron a aumentar entre las 13:00 y las 16:00 h, alcanzaron su máximo a las 22:00 h y fueron mínimos a las 10:00 h. Estos niveles de transcripción de ODO1 se corresponden directamente con la cronología de la emisión de bencenoides volátiles. Además, el gel respaldó el hallazgo previo de que las flores no fragantes de W138 tienen solo una décima parte de los niveles de transcripción de ODO1 de las flores de Mitchell. Por lo tanto, la cantidad de ODO1 producida corresponde a la cantidad de bencenoide volátil emitido, lo que indica que ODO1 regula la biosíntesis de bencenoide. ^{[ 39 ]}

Los genes adicionales que contribuyen a la biosíntesis de los principales compuestos aromáticos son OOMT1 y OOMT2. OOMT1 y OOMT2 ayudan a sintetizar las orcinol O-metiltransferasas (OOMT), que catalizan los dos últimos pasos de la vía del DMT, creando 3,5-dimetoxitolueno (DMT). El DMT es un compuesto aromático producido por muchas rosas diferentes; sin embargo, algunas variedades de rosas, como Rosa gallica y Rosa damascena , no emiten DMT. Se ha sugerido que estas variedades no producen DMT porque no poseen los genes OOMT. No obstante, tras un experimento de inmunolocalización, se encontró OOMT en la epidermis de los pétalos. Para estudiar esto más a fondo, se sometieron pétalos de rosa a ultracentrifugación . Los sobrenadantes y los precipitados se inspeccionaron mediante Western blot . La detección de la proteína OOMT a 150 000 g en el sobrenadante y el precipitado permitió a los investigadores concluir que la proteína OOMT está estrechamente asociada a las membranas de la epidermis de los pétalos. Estos experimentos determinaron que los genes OOMT existen en las variedades de Rosa gallica y Rosa damascena , pero los genes OOMT no se expresan en los tejidos florales donde se produce DMT. ^{[ 40 ]}