INTRODUCCIÓN

El desarrollo de un sistema vascular en las plantas promovió el establecimiento de una ruta eficiente por la que se transportan nutrientes, agua y diversas moléculas. Además de garantizar la comunicación entre los diferentes órganos de la planta, el sistema vascular también proporciona soporte mecánico. El tejido vascular está formado por dos tipos de tejidos, xilema y floema, ambos diferenciados a partir de las células del procámbium. El xilema transporta agua y minerales desde las raíces, mientras que el floema lleva a cabo el transporte masivo de agua y carbohidratos desde los sitios de síntesis; es decir, desde los órganos fuente hacia los órganos vertedero o demanda.

A través del floema también son distribuidos compuestos nitrogenados (aminoácidos y hormonas) y macromoléculas como RNA y proteínas que participan en la regulación del desarrollo y en la respuesta al ataque de patógenos (Kehr y Buhtz, 2008; Zhang et al., 2015). La capacidad del floema para transportar distintas moléculas ha sido empleada por ciertos virus y bacterias para diseminarse rápidamente en toda la planta. Estudios recientes han puesto de manifiesto el papel de las proteínas de algunos virus para establecer interacciones con proteínas de la planta para facilitar la distribución de su material genético por todas sus estructuras (Lazareva et al., 2016).

El desarrollo del sistema vascular está sometido a un control complejo en el que cambios en el balance hormonal y la participación de proteínas con función regulatoria resultan determinantes. En varias especies de gimnospermas, así como en dicotiledóneas, este proceso se lleva a cabo en dos fases que dan origen a la formación de los sistemas vascular primario y secundario. El sistema vascular primario se extiende por toda la planta (desde raíz, tallo y ramas laterales hasta hojas, flores y frutos) y su formación está determinada por la actividad del procámbium, un tejido que se diferencia en etapas tempranas del desarrollo del embrión.

El desarrollo del floema comienza antes que el del xilema y se diferencia cerca del meristemo apical. Las regiones apicales tienen un metabolismo muy activo ligado a la producción de compuestos fotosintéticos y a la generación de la energía necesaria para la división celular y la síntesis de la pared celular. La presencia del floema en esas zonas permite que los recursos sean distribuidos eficientemente en toda la planta. Este documento tiene como objetivo describir algunos aspectos generales del desarrollo del tejido vascular primario y enfatizar la importancia del floema como un sistema de transporte de moléculas señalizadoras, así como describir la importancia del transporte simplástico vía plasmodesmos, cuya función está relacionada con la formación y el crecimiento de diversas estructuras de demanda de relevancia ecológica.

El papel de las hormonas en la formación y diferenciación celular en el haz vascular

Las auxinas, las citocininas y los brasinoesteroides son hormonas vegetales que juegan un papel determinante tanto en el desarrollo como en el establecimiento de la identidad de las células que forman el sistema vascular. En el Cuadro 1 se resume el papel que juegan distintas hormonas durante el establecimiento y la diferenciación del haz vascular. Se han descrito también proteínas de importancia primordial durante el desarrollo del haz vascular, entre las que destacan los factores de transcripción PHABULOSA (PHB), REVOLUTA (REV) y CORONA (AtHB15), los cuales contribuyen al establecimiento de la polaridad adaxia/abaxial en órganos laterales y del brote (Ilegems et al., 2010).

El factor de transcripción de tipo Myb ALTERED PHLOEM DEVELOPMENT (APL) está involucrado en la diferenciación de los elementos de tubo criboso y de sus células acompañantes, además de participar en el establecimiento de los límites de crecimiento de las células del xilema (Bonke et al., 2003). Por su parte, LONESOME HIGHWAY (LHW) codifica para un factor transcripcional del tipo bHLH, cuyas mutaciones eliminan la simetría bilateral del haz vascular y reducen el número de células del polo del xilema y del polo del floema (Lehesranta et al., 2010; Ohashi-Ito et al., 2013; Ohashi-Ito et al., 2014). El complejo transcripcional regulado por auxinas TARGET OF MONOPTEROS5/LONESOME HIGHWAY (TMO5/LHW) promueve las divisiones celulares periclinales que generan el patrón del haz vascular, a través de la regulación de la expresión de genes involucrados en la biosíntesis de citocininas (De Rybel et al., 2014).

La proliferación de las células de procámbium, mediante divisiones celulares orientadas, genera un arreglo del haz vascular con células del xilema en el centro del haz vascular y floema en la periferia; este proceso y la diferenciación de las células del xilema son regulados por una proteína con abundantes motivos ricos en leucinas RLK PHLOEM INTERCALATED WITH XYLEM (PXY), la cual controla la orientación y división de las células del procámbium. Plantas mutantes de esta proteína presentan células del floema adyacentes e intermezcladas con células del xilema (Bryan et al., 2012; Fisher y Turner, 2007).

Estructura y tipos celulares del floema

Los elementos de tubo criboso y sus células acompañantes son los tipos celulares más importantes del floema en angiospermas; sin embargo, también se encuentran células del parénquima y fibras, las cuales en ciertas especies juegan un papel importante en la producción, almacenamiento y liberación de metabolitos diversos como almidones y taninos, además pueden contener cristales.

Los elementos de tubo criboso son células vivas alargadas y altamente modificadas, con paredes interconectadas que les permiten funcionar como tubos conductores. Estas paredes son denominadas áreas cribosas, las cuales se caracterizan por la presencia de abundantes poros con depósitos de calosa que permiten la continuidad citoplásmica que interconecta una célula con sus vecinas. Cuando las áreas cribosas se ubican en las paredes transversales que se encuentran en el extremo de las células se denominan placas cribosas y presentan poros cuyo diámetro puede variar de 1 a 14 μm, según la especie (Esau y Cheadle, 1959; Mullendore et al., 2010).

Las placas cribosas se originan a partir de la acumulación masiva de calosa en las paredes celulares de los canales especializados denominados plasmodesmos. Posteriormente, la calosa se desintegra y deja los poros abiertos (Lee y Lu, 2011). Bajo ciertas condiciones, tales como la formación de heridas por acción mecánica, cambios químicos y estrés fisiólógico, puede presentarse acumulación de calosa en la superficie de las placas cribosas tan abundante que provoca obstrucción de la superficie de las áreas cribosas. Esto permite el aislamiento de la región que ha sido afectada del resto de la planta e impide la pérdida de solutos o la diseminación de un patógeno en el caso de una infección (van Bel, 2002; Xie y Hong, 2011).

Como consecuencia de su alto grado de especialización estructural para hacer más eficiente el transporte de savia, como es la pérdida del núcleo y en el caso de las gimnospermas su reducción (Lough y Lucas, 2006), la pérdida de los ribosomas y del citoesqueleto, así como la redistribución parietal del retículo endoplásmico, las células del tubo criboso son incapaces de realizar muchas de sus funciones vitales y son altamente dependientes de las células acompañantes (en inglés companion cells, CC). Las CC proveen a las células cribosas aledañas de nutrientes y de macromoléculas, de modo que se les considera parte esencial de las unidades funcionales del floema. Las CC y los elementos de tubo criboso están comunicados por conexiones simplásticas (a través de plasmodesmos) y apoplásticas que contribuyen en el transporte de metabolitos y proteínas (enzimas, estructurales, transportadores, etc.).

La unidad funcional elemento criboso-célula acompañante (SE-CC, por sus siglas en inglés) también está conectada por plasmodesmos con las células del parénquima del floema (van Bel et al., 2002). En función del tipo de tejido y de la etapa del desarrollo, estos plasmodesmos tienen la capacidad de modificar el límite de exclusión del tamaño de las moléculas que pueden transportar (en inglés size exclusion limit, SEL). En la savia del floema de distintas especies tales como Oryza sativa, Triticum spp., Ricinus communis y en cucurbitáceas se han identificado al menos 200 proteínas entre 10 a 40 kDa y muchas más entre 60 y 70 kDa. Se ha reportado que a lo largo del floema existe un intercambio constante de proteínas entre los elementos de tubo criboso y sus células acompañantes. Esto sugiere que algunas de las proteínas presentes en la savia del floema son parte de los mecanismos de señalización a larga distancia que coordinan la participación de los órganos en respuesta a distintos procesos fisiológicos (Turgeon y Wolf, 2009).

De acuerdo con su función y ubicación se consideran tres tipos de floema: el colector que se localiza en las venas menores de los órganos fuente, el transportador que se ubica a lo largo de la ruta desde el órgano fuente hasta el órgano de destino o demanda, y el floema de liberación localizado muy cercanamente al órgano destino. Estos tres tipos de floema presentan diferencias en la concentración de los solutos en la savia como consecuencia de la toma y descarga de nutrientes a lo largo de la ruta (van Bel, 2003).

Los plasmodesmos y la formación de dominios y campos simplásticos

Los plasmodesmos se definen como puentes citoplásmicos que conectan las paredes de células vecinas, delimitados por las membranas citoplasmáticas, y además están asociados con el retículo endoplásmico el cual forma un continuo entre las células (Burch-Smith et al., 2011; Lucas et al., 1993) (Figura 1).

De acuerdo con su origen, los plasmodesmos han sido clasificados en primarios y secundarios. Los plasmodesmos primarios se forman durante la división celular, cuando el retículo endoplásmico queda atrapado en la lámina media de las células en división durante la deposición de la pared celular mediada por el aparato de Golgi. Los plasmodesmos secundarios se originan después de la citocinesis y pueden formarse a partir de un plasmodesmo simple, o bien por la formación de novo de un plasmodesmo. Independientemente de su origen, los plasmodesmos también pueden ser simples o ramificados (Burch-Smith et al., 2011). La frecuencia de plasmodesmos, primarios o secundarios, varía entre tejidos.

Los plasmodesmos median el transporte de macromoléculas y proteínas de la ruta no autónoma, que incluyen factores de transcripción involucrados en el desarrollo y la determinación celular, así como RNA y complejos de proteínas-RNA en respuesta a ataque por patógenos.

Los plasmodesmos presentan tres estados funcionales básicos: abierto, cerrado y dilatado, que se diferencian por su SEL. La dinámica de los cambios en este atributo durante el crecimiento y el desarrollo de diferentes estructuras de la planta se ha estudiado mediante técnicas de microscopía y proteínas de movimiento (MP) de diferentes virus [del mosaico del tabaco (Nicotiana tabacum L. ) (TMV), de la calabaza (Cucurbita maxima) (CMV) o de la papa (Solanum tuberosum) (PVX)]. Algunas proteínas de estos virus son capaces de incrementar el límite de exclusión molecular de los plasmodesmos hasta en 15 kDa, lo que facilita la diseminación de los virus (Haywood et al., 2002).

La dinámica de cambios en la apertura del SEL determina el establecimiento de campos simplásticos, que se definen como células comunicadas citoplásmicamente que ejecutan programas de desarrollo comunes (Lee y Lu, 2011; Lough y Lucas, 2006). Algunos de los factores de transcripción involucrados en la determinación y el desarrollo de los meristemos apicales del brote, como LEAFY (LFY) FLOWERING LOCUS T (FT) en Arabidopsis, y DEFICIENS (DEF), GLOBOSA (GLO) y FLORICAULA (FLO) en Antirrhinum majus (Burch-Smith et al., 2011), son transportados a través de los plasmodesmos.

Distintas aproximaciones se han empleado con el fin de conocer la composición de los plasmodesmos (Fernandez-Calvino et al., 2011). Su pared celular se caracteriza por ser rica en pectina (familia de polisacáridos formados principalmente por residuos de ácido glucurónico con unión α-1,4) y puede presentar depósitos abundantes de calosa (polímero constituido de glucanos con uniones tipo β-1,3). No se ha establecido la función de las pectinas, pero se ha determinado que al constreñir físicamente el orificio de apertura la calosa puede regular el SEL a largo plazo.

Estudios proteómicos han establecido que tanto las membranas como las paredes celulares de los plasmodesmos son peculiares (Fernandez-Calvino et al., 2011). La proteína PDCB1 es de 21 kDa, de la familia de proteínas de unión a calosa (PDCB, callose binding protein) que se localiza en la membrana plasmática del cuello del plasmodesmo, a la que se ancla a través de un GPI (glicosil fosfatidil inositol), lípido que reconoce ciertas regiones de la membrana plasmática.

La sobreexpresión de la proteína PDCB1 produce un incremento en la concentración de calosa, lo que correlaciona con un bloqueo en el transporte (Simpson et al., 2009). La enzima β-1,3 glucanasa (también con un motivo de anclaje a GPI), y las RGP (reversibly glycosylated proteins) afectan la acumulación de calosa alrededor de los plasmodesmos (Sagi et al., 2005). La sobreexpresión de las RGP de Arabidopsis en tabaco (Nicotiana tabacum L.) da como resultado plantas con clorosis y escaso crecimiento en las hojas que funcionan como fuente, posiblemente como consecuencia de una disminución en el flujo de nutrientes ocasionada por la acumulación de calosa en los plasmodesmos de las células epidérmicas de las hojas fuente (Lee y Lu, 2011; Zavaliev, 2010).

Otras proteínas, como las PDLP1 (plasmodesmata-located-proteins 1) también contribuyen a modular el tráfico a través de los plasmodesmos; en el caso del transporte de virus éste se ve favorecido por la interacción de las MP del virus con las PDLP (Amari et al., 2010). Las REMORINAS (REM) son una familia de proteínas específicas de plantas vasculares asociadas a regiones de la membrana celular denominadas balsas lipídicas. Se ha considerado a las balsas lipídicas, las cuales son especialmente abundantes en plasmodesmos, como sitios de señalización de proteínas específicas implicadas en la regulación del establecimiento de interacciones bióticas entre la planta y distintos patógenos como virus y bacterias (Mongrand et al., 2010; Xu y Jackson, 2010). La presencia de esta gran diversidad de proteínas en los plasmosdesmos, cuya función principal es regular el transporte de diversas moléculas, resulta ser de gran relevancia evolutiva en plantas. Según Lee (2014) y Benitez-Alfonso et al. (2009), la alteración del transporte simplástico generalmente produce fenotipos letales, lo que apoya la hipótesis de que el desarrollo de los plasmodesmos es un evento evolutivo crucial para el éxito de las plantas superiores.

Un dominio simplástico es un grupo de células interconectadas entre sí, pero aisladas completamente del resto de los tejidos, mientras que los campos simplásticos se definen como grupos de células interconectadas y parcialmente aisladas del resto de los tejidos (Rinne y van der Schoot, 1998). En Arabidopsis se ha descrito la existencia de campos simplásticos en el ápice y en la epidermis de la raíz, en el embrión, en las semillas y en el tejido que rodea a los gametofitos femenino y masculino.

Los plasmodesmos localizados dentro del mismo campo simplástico modulan el paso de moléculas señalizadoras y permiten de esta manera la formación de gradientes morfogénicos necesarios durante el desarrollo de ciertos tejidos. En ocasiones, el aislamiento simplástico es determinante para el desarrollo de un tipo celular como el pelo radical, la célula oclusiva del estoma, la célula madre de la microspora, y de la megaspora femenina, la cual también se aísla del resto de las células del óvulo.

Los dominios simplásticos relacionados con la carga y la descarga del floema se han estudiado en Arabidopsis mediante la expresión de la proteína GFP (green fluorescent protein) bajo el control del promotor del transportador de sacarosa AtSUC2, cuya expresión es específica de las células acompañantes. No obstante el gran tamaño de la proteína GFP (27 kDa), en el ápice de la raíz se distribuye simplásticamente vía los plasmodesmos localizados en los elementos de tubo criboso del protofloema, hacia todos los tipos celulares. La señal de la GFP puede ser observada en células corticales subepidérmicas, epidérmicas y por debajo de las células del protofloema. Cuando GFP se expresa como proteína de fusión con un peso molecular mayor a 27 kDa, la señal se confina al haz vascular (Stadler et al., 2005b).

En la etapa embrionaria y durante la formación de la semilla en Arabidopsis se establecen dominios simplásticos involucrados en el transporte de nutrientes liberados desde el extremo funicular hacia el floema del embrión en desarrollo. De acuerdo con las observaciones realizadas por Stadler et al. (2005a), el tegumento externo permite el movimiento de nutrientes y macromoléculas como un continuo o extensión simplástica del floema funicular. Sus análisis también sugieren que el transporte de nutrientes al embrión en estado globular ocurre vía simplástica desde el suspensor. Durante la etapa de torpedo, el SEL de los plasmodemos que conectan al embrión con el suspensor se reduce; por tanto, el embrión constituye un único dominio simplástico en esta etapa en Arabidopsis (Stadler et al., 2005a) (Figura 2).

Formación de órganos de demanda.

El caso de las semillas

La formación y crecimiento de las semillas en el caso de las espermatofitas (plantas con semilla), es un proceso con grandes implicaciones en su ciclo de vida, y el desarrollo de las semillas de especies de importancia agronómica tiene además un impacto económico considerable. Como órganos de demanda, el tamaño y desarrollo adecuado de las semillas depende en gran medida de un transporte eficiente de nutrientes desde las hojas fuente hacia el tejido embrionario, así como de su distribución y su asignación.

El desarrollo de la semilla puede dividirse en dos etapas principales, la morfogénesis y la maduración. Durante la maduración se llevan a cabo procesos vitales como el crecimiento del embrión y la acumulación de las sustancias de reserva. Para que esto ocurra es necesario que el carbono y el nitrógeno transportados se almacenen principalmente en forma de lípidos, almidón y proteínas. La sacarosa requerida para la síntesis de dichos compuestos es transportada por el floema desde las hojas fuente hasta el funículo y desde el tegumento externo hacia el interno, y de éste hacia al suspensor (Stadler et al., 2005a); sin embargo, se ha comprobado que previo a la antesis ocurre un cambio en el tipo de transporte de sacarosa hacia las células primordiales de los óvulos y éste pasa a ser apoplástico. Una vez ocurrida la antesis, el transporte regresa a ser simplástico (Werner et al., 2011). El transporte de sacarosa desde el floema hacia el apoplasto es facilitado por los transportadores de sacarosa localizados en la membrana plasmática denominados SWEET, los cuales se encuentran ampliamente conservados en eucariontes, aunque este transporte de sacarosa también se atribuye a los transportadores de tipo simporte de sacarosa/H+ (SUC).

Se ha descrito el papel de los diferentes miembros de la familia de transportadores SWEET, por ejemplo SWEET11, 12 y 15, que son determinantes en el flujo de sacarosa desde los tegumentos hacia el apoplasto y el embrión. Las plantas dobles mutantes de Arabidopsis atsweet11 y 12 muestran un fenotipo menos severo, debido posiblemente a la redundancia funcional, en la reducción en el tamaño del embrión, con respecto a las triples mutantes atsweet11; 12 y 15, las cuales muestran retraso en el desarrollo del embrión, una reducción en el peso de la semilla y en el contenido de lípidos. Las mutantes simples atsuc2 no producen semillas viables (Liu et al., 2016).

Otro tipo de proteínas transmembranales cuya expresión es importante para el desarrollo adecuado de las semillas son las denominadas SUT, familia de cotransportadores sacarosa/H⁺, localizados en el tonoplasto y en la membrana plasmática, capaces de transportar sacarosa principalmente en aquellas especies cuya carga del floema es vía apoplasto. Una vez que la sacarosa se encuentra en el apoplasto es transportada hacia el complejo elemento criboso-célula acompañante (SE-CC, por sus siglas en inglés) a través de estos transportadores de influjo y puede ser almacenada en dicho complejo celular en contra de un gradiente de concentración.

Es posible que los transportadores SWEET jueguen un papel determinante en el transporte de sacarosa en distintas especies en plantas, en coordinación con los transportadores SUC/SUT; sin embargo, esto aún no ha sido estudiado (Chen et al., 2015). La regulación de la expresión y la localización celular de este tipo de transportadores puede ser modificada durante la invasión por patógenos, como se ha demostrado en distintas especies. Dichas alteraciones intervienen en la redistribución de los nutrientes hacia las zonas donde ha ocurrido la infección (Chen et al., 2015).

El transporte de nitrógeno también es determinante durante la formación del fruto y las semillas. Existen dos cuellos de botella descritos durante el transporte del N a larga distancia; el primero está relacionado con la carga de los aminoácidos en el floema de las hojas, y el segundo con la entrada al embrión. Se ha propuesto que una familia de permeasas ácidas (AAP) está asociada con la carga de los aminoácidos, pues su localización en el floema de hojas así lo sugiere. En plantas de chícharo (Pisum sativum L.), una vez que los aminoácidos llegan a las células del floema son transportados vía simplástica hacia la pared de las vainas y la cubierta de las semillas a través de los plasmodesmos. Posteriormente los aminoácidos se transportan apoplásticamente a través de proteínas similares a las descritas como SIAR1 (Siliques Are Red1). Los análisis de expresión de estas proteínas sugieren su participación en el transporte de aminoácidos hacia células epidérmicas del embrión, las cuales funcionan como células de transferencia (Zhang et al., 2015).

Raíces laterales, nódulos y tubérculos

Al igual que las semillas, las raíces laterales de Arabidopsis son consideradas un órgano de demanda por excelencia. La formación de una nueva raíz lateral es un proceso coordinado que implica divisiones celulares asimétricas a partir del periciclo. El periciclo constituye la región celular más externa del cilindro central o haz vascular y está organizado en una única capa de células con formas regulares conectadas a través de sus paredes tangenciales (Dolan et al., 1993; Parizot et al., 2008).

Existen diferencias entre las células del periciclo según su función y su ubicación, por lo que han sido denominadas células del periciclo adyacentes al polo del xilema y las adyacentes al polo del floema (Dubrovsky et al., 2000; Laplaze et al., 2005; Parizot et al., 2008; Wright y Oparka, 1997). En Arabidopsis las células del periciclo del polo del xilema tratadas con ácido α-naftalenacético (NAA), un precursor de auxinas, presentan divisiones celulares conspicuas que dan origen a raíces laterales secundarias, mientras que las células de periciclo del polo del floema bajo este mismo tratamiento no dan origen a ningún órgano y presentan divisiones celulares menos conspicuas.

En la raíz existen otras estructuras especializadas, además de las raíces laterales, que pueden ser consideradas como órganos vertedero o de demanda, tales como los nódulos y las agallas que se desarrollan a partir de la infección por bacterias como Rhizobium y Agrobacteriumtumefaciens y por patógenos como los nematodos. Las estructuras derivadas de la interacción de la planta con el patógeno pueden ser consideradas como órganos vertederos, dado que son sitios de alta demanda de nutrientes, ya sea para la generación y desarrollo del órgano o para el crecimiento y reproducción del patógeno.

El primer paso durante la organogénesis de un nódulo simbionte involucra la reactivación de la división de las células del periciclo en una alta tasa, lo que implica un abastecimiento masivo de nutrientes desde el floema. En Medicago se ha descrito que las células del primordio del nódulo se conectan simplásticamente al floema; una vez que ocurre la infección se ha observado un aumento en el número de plasmodesmos por unidad de área, en comparación con la zona no infectada, entre las células del periciclo y los elementos de tubo criboso adyacentes al polo del protofloema, lo que sugiere la existencia de un continuo simplástico entre el floema y el primordio del nódulo. La diferenciación de las células del primordio del nódulo ocurre después de la formación de este campo simplástico, por lo que es posible que sea muy importante el establecimiento de la comunicación intercelular para el transporte de las señales necesarias para la diferenciación.

La comunicación intercelular mediada por plasmodesmos entre distintas capas involucradas en la formación del nódulo ha sido también estudiada utilizando la MP del TMV. La expresión de la MP promueve un aumento en la cantidad de nódulos al incrementarse el SEL, lo que sugiere que el transporte mediado por plasmodesmos puede jugar un papel muy importante en el control de la organogénesis de dichas estructuras (Complainville et al., 2003).

Dentro de las simbiosis nodulares también se encuentran incluidas las establecidas entre actinomicetos del género Frankia y diversas especies de dicotiledóneas. En contraste con los nódulos de las leguminosas, estos nódulos están compuestos de múltiples raíces laterales modificadas que presentan un sistema vascular central y células corticales expandidas. Un estudio realizado con los nódulos de la especie Datisca glomerata reveló un incremento en la densidad de plasmodesmos desde las células más internas hacia las más externas de la corteza primaria, lo que sugiriere la formación de un continuo simplástico. En este mismo estudio se observó un mayor número de plasmodesmos entre las células maduras infectadas ya diferenciadas fijadoras de nitrógeno, en comparación con las células infectadas jóvenes, lo que implica un posible incremento en el transporte simplástico durante la diferenciación de las células infectadas (Schubert et al., 2011).

Durante la formación de estructuras de alimentación por parásitos, como los nematodos de raíz Meloidogyne incognita y Heterodera schachtii, ocurre una fuerte estimulación en la liberación de solutos desde el floema hacia los sitios de alimentación de estos parásitos. La descarga de nutrientes y otros compuestos hacia los NFS (Nematode Feeding Sites), los cuales se originan dentro del cilindro vascular, ocurre de manera específica en ciertas células de la raíz. La etapa infectiva, comúnmente reconocida como segundo estado juvenil o J2, en el caso de los nematodos que se enquistan (Heterodera spp.) y los agalladores (Meloidogyne spp.), selecciona una célula meristemática del procámbium o del cámbium vascular como una célula inicial a partir de la cual se desarrolla, ya sea un sincicio en el caso de los nematodos que se enquistan, o un grupo de células denominadas células gigantes en el caso de los agalladores. Tanto en los nematodos que se enquistan como en los agalladores, el crecimiento y desarrollo depende totalmente de la formación del sitio de alimentación. El nematodo es capaz de inducir un escape masivo de nutrientes del floema, lo que reduce su transporte hacia otras partes de la raíz (Bellafiore y Briggs, 2010).

Estos NFS constituyen un nuevo órgano blanco desarrollado por el patógeno al modificar el desarrollo asociado posiblemente a la formación de raíz lateral por medio de la secreción de proteínas y moléculas que son capaces de simular las señales internas de las plantas. Esta hipótesis es apoyada por estudios realizados en plantas mutantes defectuosas en la morfogénesis de la raíz lateral, en las cuales ocurre el arresto en la división de las células del NFS y como consecuencia el desarrollo de la fase reproductiva de los nematodos se ve truncado (Caillaud et al., 2008) (Figura 3).

Los análisis transcriptómicos de las proteínas secretadas por el nematodo hacia la planta han permitido la identificación de péptidos involucrados en la inducción del crecimiento radicular a través de la interacción con factores de transcripción tales como SCARECROW-like, involucrados en promover la división y la diferenciación celular (Huang et al., 2006). De acuerdo con estos análisis, se han descrito al menos 1000 transcritos distintivos de las células gigantes y 547 de las agallas característicos de los nematodos agalladores, cuyos perfiles de expresión son similares a los inducidos durante la formación de agallas por Agrobacterium tumefaciens. El transporte de dichas moléculas señalizadoras a través de la ruta simplática puede ser determinante durante la infección por dichos parásitos.

De acuerdo con estudios en Impatiens balsamina, las células gigantes inducidas por M. incognita se aíslan simplásticamente del tejido vascular y del resto de las células vecinas mientras mantienen la comunicación entre ellas a través de plasmodesmos. En Nicotiana tabacum se describió la presencia de plasmodesmos entre las células gigantes y las células vecinas, pero se observó la presencia de calosa en estos plamodesmos, lo que sugiere la obstrucción de un continuo simplástico (Hofmann et al., 2010). En el caso de la infección por H. schachtii en Arabidopsis se ha descrito la formación de un continuo simplástico entre las células sinciciales y el floema a través de plasmodesmos con un límite de exclusión molecular de 30 kDa (Hoth et al., 2008). En Arabidopsis las células gigantes se aíslan simplásticamente, por lo que el transporte de nutrientes se lleva a cabo a través de procesos mediados por transportadores localizados en los órganos fuente, mientras que en los nematodos sinciciales los sitios de alimentación se conectan masivamente al floema a través de plasmodemos (Absmanner et al., 2013; Hoth et al., 2008).

Existen otros sitios especiales de descarga de moléculas señalizadoras y nutrientes, tales como los tubérculos. La formación de un tubérculo es un proceso denominado tuberización que involucra el establecimiento de un continuo simplástico entre el floema de descarga y el tubérculo (Viola et al., 2001). La tuberización está regulada tanto por señales externas como internas. Una de las señales externas que regula la tuberización es la longitud del día. Días cortos inducen la tuberización en Solanum tuberosum ssp. andigena, mientras que días largos inhiben este proceso (Jackson, 1999; Martínez-García et al., 2002). En plantas que forman tubérculos, los pecíolos de las hojas fuente son una región importante que constituye el sitio de conexión vascular o canal entre la lámina foliar y las señales lumínicas que determinan el transporte (Shah et al., 2011).

Dentro de las señales internas reconocidas como relevantes para la tuberización se encuentran la ruta del ácido giberélico y la movilización de mensajeros como BEL-1 like (StBEL5), el cual pertenece a una familia de factores de trascripción implicados en el mantenimiento del patrón de formación del meristemo apical del brote. StBEL5 se mueve del tejido vascular de las hojas hacia el estolón y, junto con la proteína KNOX POTH1, media cambios en las concentraciones de ácido giberélico, entre otras hormonas (Chen et al., 2004; Rosin et al., 2003). Los cambios en las concentraciones hormonales promueven el establecimiento del tejido de demanda o tubérculo, lo cual a su vez induce la expansión y la división celular, así como el transporte de grandes cantidades de sacarosa para la síntesis de almidón en las células subapicales del ápice del estolón.

Las plantas que sobre expresan StBEL5 presentan un aumento en la cantidad de tubérculos, mientras que las plantas que expresan una copia completa del gen que incluye ambas regiones UTR son capaces de inducir tuberización bajo condiciones de fotoperíodo largo (Chen et al., 2004; Hannapel, 2010). Como parte de las señales que regulan la formación del tubérculo se ha propuesto que el transporte de otras macromoléculas a través de los elementos de tubo criboso puede ser esencial (Shah et al., 2011).

CONCLUSIONES

La adquisición de un sistema de transporte especializado, capaz de ser regulado y modulado de manera eficaz en respuesta a señales tanto internas como externas, es un factor clave para el éxito evolutivo de las plantas. Las características del tejido vascular permiten el transporte eficiente de diversos metabolitos y la formación de redes de intercomunicación que son determinantes en la coordinación del crecimiento y el desarrollo de los órganos entre los cuales destacan los frutos, las semillas y aquellos formados por otros organismos parásitos o simbiontes, que funcionan como regiones de alta demanda. Son principalmente las células del floema las implicadas en la regulación del transporte durante procesos que pueden estar relacionados con el desarrollo o la respuesta a estrés biótico o abiótico; sin embargo, la formación de una red de interconexión entre el floema y el resto de los tejidos mediante estructuras especializadas, como los plasmodesmos, también resulta ser evolutivamente relevante. Actualmente, muchos estudios se enfocan en identificar y establecer la función de las proteínas y RNA que se transportan a través del floema, mientras que otros tienen como objetivo determinar el papel de las proteínas que se localizan en los plasmodesmos, con el fin de entender detalladamente los mecanismos que regulan el paso selectivo a través de la ruta simplástica. Ambas aproximaciones permitirán entender y aplicar este conocimiento a favor de la implementación de tecnología con el fin de modular el transporte de diversas moléculas implicadas en el crecimiento y desarrollo de estructuras de importancia agronómica.

AGRADECIMIENTOS

EZS agradece el apoyo recibido de DGAPA-UNAM (beca posdoctoral y financiamiento al proyecto IN214314) y los comentarios de Vera Martínez.

Referencias

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Notas de autor

ezuniga@ecologia.unam.mx