Fitocromosy desarrollo vegetalLos fitocromos son unos pigmentos vegetales que controlan diferentes

aspectos del desarrollo e informan a las plantas de los cambios

operados en el entorno para optimizar su crecimiento

Jaime F. Martínez-García, Elena Monte y Francisco J. Ruiz Cantón

DIA

INTENSIDAD(ADAPTACION

FOTOSINTETICA)

DIRECCION(FOTOTROPISMO)

DURACION DIA-NOCHE(FOTOPERIODO)

DESETIOLACION

COLOR

PERCEPCIONPLANTA VECINAGERMINACION

SEMILLA PLANTULA PLANTA JOVEN PLANTA ADULTA

NOCHE

1. LAS PLANTAS responden a la intensidad, dirección, duración y color de la luz. Gracias a su plastici-dad, se adaptan óptimamente al entorno. Esas respuestas, desencadenadas a lo largo del ciclo biológico,comprenden la inducción de la germinación de las semillas, el desarrollo en luz de las plántulas (desetio-lación), la adaptación de la capacidad fotosintética a la intensidad lumínica, el fototropismo o crecimientohacia la fuente de luz y el “síndrome de huida de la sombra”. La respuesta de floración se inicia en laestación del año adecuada gracias a la percepción de cambios en el fotoperíodo o duración día-noche.

Las plantas, fijas en elsuelo, no pueden ir enbusca de condiciones am-bientales óptimas. El lu-gar donde germina la se-

milla determina la disponibilidad deluz, agua y nutrientes. De entre esosfactores, la luz cumple un papel prin-cipal a lo largo del ciclo biológico.Sirve de carburante en la fotosínte-sis, que posibilita la formación ydesarrollo de hojas, tallos, raíces yflores.

La luz constituye también una fuentede información sobre el entorno. Lasplantas “perciben” diferentes seg-mentos de su espectro de radiación,así como su intensidad, duración, pe-riodicidad y dirección. Detectan,además, los cambios de tales pro-piedades experimentados en el trans-curso del año y del día o en la cer-canía de otras plantas. En razón deesa información las plantas adaptansus propios procesos, desde el mo-mento de la germinación hasta la de-setiolación, y el fototropismo o lafloración. El conjunto de respuestasque afectan al desarrollo y aspectode la planta en función de la luz seconoce como “fotomorfogénesis”.

¿Cómo “perciben” las plantas lascaracterísticas de la luz del medio?La radiación solar consta de diferen-tes colores, acordes con las distintaslongitudes de onda en que se trans-mite. Para captarlos, las plantas po-seen receptores especiales, los pig-mentos fotosensibles o fotorreceptores.De éstos, clorofilas y carotenoides ab-sorben la gama que va del azul alrojo, implicada en la fotosíntesis. Peroen el control de la fotomorfogénesisparticipan otros fotorreceptores quecaptan y transmiten señales de dife-

rentes regiones del espectro: el re-ceptor de luz ultravioleta-B, los crip-tocromos, que captan la luz ultravio-leta cercana y azul y los fitocromos,que perciben la luz roja y roja lejana.

Los fitocromos se descubrieron enlos años cincuenta en el marco

de una investigación sobre el efectode la luz en la germinación de lassemillas de lechuga. Se observó queno llegaban al 20 % las semillas quegerminaban en oscuridad; por contra,el porcentaje de germinación era má-ximo cuando irradiaban las semillascon un pulso de luz roja (R). Sehalló, además, que la irradiación sub-siguiente con un pulso de luz rojalejana (RL) anulaba el efecto induc-tor de la luz roja, evitando la ger-minación. Las irradiaciones alternascon luz R y RL (R, R + RL, R + RL+ R, R + RL + R + RL, etcétera) pu-sieron de manifiesto que el últimocolor aplicado determinaba la ger-minación de las semillas, y que laluz roja constituía el factor estimu-lante del proceso y, su inhibidor, laluz roja lejana.

En busca de una explicación de ta-les fenómenos se propuso la exis-tencia de un pigmento, al que lla-

maron fitocromo, que absorbía la luzroja. El fitocromo en cuestión, trasabsorber luz roja, se convertía en unaforma capaz de absorber radiaciónroja lejana; forma que tornaba a sucondición inicial tras realizar dichaabsorción. La hipótesis halló respaldoexperimental a principios de los añossesenta con la purificación, a partirde extractos de plántulas de cerea-les, de una proteína dotada de lascaracterísticas predichas. Los fito-cromos son proteínas solubles que seencuentran en las semillas, hojas, ta-llos, raíces y demás órganos de laplanta.

Aparecen en dos configuracionesintercambiables, denominadas Pr yPfr. De la absorción de la luz rojase encarga la forma Pr; de la radia-ción roja lejana, la forma Pfr. Puestoque en los procesos fisiológicos laluz roja tiene un efecto activador yla roja lejana un efecto inhibidor, Pfrse considera la forma biológicamenteactiva del fitocromo y Pr, la inac-tiva. Esta última se aloja en el ci-toplasma, mientras que la forma ac-tiva (Pfr) se localiza preferentementeen el núcleo celular.

Por tratarse de moléculas recepto-ras, los fitocromos cumplen dos fun-

L

JAIME F. MARTINEZ GARCIA,ELENA MONTE COLLADO yFRANCISCO J. RUIZ CANTON tra-bajan desde hace varios años en pig-mentos vegetales. Martínez, actual-mente en el Instituto de BiologíaMolecular de Barcelona, estudió enla Universidad de Valencia y com-pletó su formación en el InstitutoJohn Innes de Norwich y en el Cen-tro de Expresión Génica de Plantas(PGEC) de Albany. Monte, que tra-baja en esta última institución, seformó en la Universidad Autónomade Barcelona. Ruiz, que también pasópor el PGEC de Albany, trabaja enel Departamento de Biología Mole-cular y Bioquímica de la Universi-dad de Málaga.

500 600 800700

uv-B uv-A azul verde rojo rojo lejano amarillo

uvB CRIPTOCROMOS

CAROTENOIDES

CLOROFILAS

OJO HUMANO

CLOROFILAS

FITOCROMOS

LONGITUD DE ONDA(NM)

300 400

2. LA LUZ SOLAR se compone de diferentes colores, que se corresponden conluces de diferentes longitudes de onda (expresadas en nanómetros). El espectrovisible al ojo humano cubre la región de 400 a 700 nm, mientras que las plan-tas “perciben” además las regiones del ultravioleta (uv) y del rojo lejano. Paraello están dotadas de distintos tipos de proteínas: receptores de luz uv-B (280-320 nm); criptocromos, que absorben mayoritariamente luz uv-A (320-390 nm)y azul (400-500 nm); clorofilas, que absorben luz azul y roja (600-700 nm); ca-rotenoides, que absorben luz verde y amarilla (400-600 nm), y los fitocromos,que absorben luz roja y roja lejana (700-800 nm).

ciones, una sensora y otra regula-dora. La función sensora implica lapercepción de la señal luminosa in-cidente. Compete a la función regu-ladora transferir la información reci-bida a los componentes de la cadenade transducción de la señal, encar-gada de transmitir la información cap-

tada a otros componentes celulares.En la naturaleza, donde la luz es po-licromática, los fitocromos operan ala manera de interruptores molecula-res, que informan a la planta de lapresencia y los cambios en las pro-porciones relativas de luz roja y deroja lejana del ambiente, para que

acometa las respuestas fisiológicasoportunas.

Los fitocromos intervienen en elciclo biológico de la planta, desde

la germinación a la floración y tu-berización, pasando por la desetiola-ción de las plántulas y el alarga-miento de tallo y entrenudos. Segúnla cantidad y duración de irradiaciónrequeridas para inducir esos proce-sos en condiciones controladas de la-boratorio, se han clasificado las re-puestas en tres tipos: respuestas debaja fluencia (RBF), respuestas demuy baja fluencia (RMBF) y res-puestas de alta irradiancia (RAI).

Las respuestas de baja fluenciavienen inducidas por pulsos brevesde luz roja; se anulan si se sumi-nistra un subsiguiente pulso de luzroja lejana. Son las que inicialmenteidentificaron procesos controladospor fitocromos, como la germina-ción. Para desencadenar una res-puesta de muy baja fluencia bastancantidades exiguas de cualquier lon-gitud de onda entre 300 y 780 nm.Ocurre así en la expresión de losgenes LHC, que cifran proteínas delaparato fotosintético que unen clo-rofilas. Por fin, las respuestas dealta irradiancia se presentan ante unairradiación de intensidad moderadao elevada y continuada de luz R(Rc) o RL (RLc). El ejemplo me-jor estudiado de este tipo de res-puesta es el proceso de desetiola-ción, que consiste en el conjunto decambios en el desarrollo de plántu-las germinadas en oscuridad cuandose exponen a la luz.

La naturaleza fotorreversible de lamolécula de fitocromo explica lasrespuestas RBF, emitidas ante unpulso de luz roja y anulables si, traséste, se suministra un pulso de luzroja lejana. Las respuestas RMBF yRAI, que no revierten nunca, puedeniniciarse por luz roja lejana, un pulsoen el caso de RMBF o irradiacióncontinua en el caso de respuestas dealta irradiancia. El efecto inductor dela luz RL se explica en parte por elsolapamiento de los espectros de ab-sorción de las formas Pr y Pfr delos fitocromos, que implica la exis-tencia de forma activa (Pfr) inclusotras irradiación con luz RL.

Los fitocromos pueden regular unproceso fisiológico a través de di-versos modos de acción. La desetio-lación presenta un componente deRBF y otro de RAI, la inducción delos genes LHC muestran un compo-nente de RMBF y otro de RBF y lagerminación de Arabidopsis se apoya

2000 400 600 800 12001000

NH2

CO

OH

aminoácidos

PAS1 PAS2 DHQa

b

c

300 400 500 600 700 800

0,2

0,6

0,4

0,8

0

CROMOFORO

ROJO (R)

AB

SO

RC

ION

R RL

ROJO LEJANO (RL)

LONGITUD DE ONDA (NM)

FITOCROMOINACTIVO

(FORMA Pr)

FITOCROMOACTIVO

(FORMA Pfr)

NUCLEO

3. LOS FITOCROMOS son proteínas solubles y constituidas por dos subunida-des idénticas de unos 1200 aminoácidos y 125 kilodalton de masa molecular.Cada subunidad consta de un dominio amino terminal, globular, al que se uneun cromóforo responsable de la absorción de la luz, y de un dominio carboxiloterminal, implicado en la dimerización y en la función reguladora del fitocromo.En el dominio carboxilo distinguimos el “núcleo”, de interés en la transmisiónde la información ambiental percibida, las regiones PAS1 y PAS2, implicadasquizás en interacciones entre proteínas, y la región DHQ, que debe su nombrea la semejanza que guarda con los dominios histidina quinasa. El dímero de fi-tocromo existe en dos formas fotoconvertibles: Pr, que absorbe luz roja, y Pfr,que absorbe luz roja lejana. Los fitocromos se sintetizan en la forma inactivaPr; la absorción de luz roja produce un cambio reversible en la conformaciónde la proteína (acercamiento entre los extremos globulares de las dos subuni-dades del dímero) que la convierte a la forma activa Pfr. Esta última formapuede inactivarse y volver a la conformación Pr por la absorción de luz rojalejana. Los espectros de absorción de Pr y Pfr se solapan en buena parte, loque significa que la forma activa Pfr coexiste siempre con la inactiva Pr en unfotoequilibrio que se establece en función de la proporción relativa de luz rojay roja lejana de la irradiación incidente.

en un triple componente de RMBF,RBF y RAI.

La variedad y complejidad de res-puestas fisiológicas mediadas por luzroja y roja lejana sugirieron la po-sibilidad de que hubiera más de untipo de fitocromo implicado en suregulación. A tenor de la investiga-ción fisiológica, ciertas respuestasaparecían sometidas al control de unfitocromo fotolábil, que se degradabatras la exposición a luz, y otras su-jetas a un fitocromo fotoestable, queno se degrada tras la exposición.

Se agregaban a esos resultados losdatos bioquímicos e inmunitarios queapoyaban la existencia de dos espe-cies moleculares de fitocromos, losde tipo I y tipo II. Ambos fitocro-mos se convertían a la forma activaal absorber luz roja, pero diferían enla estabilidad in vivo tras la exposi-ción; y así, la forma Pfr (activa) deltipo II era estable, y la forma Pfrdel tipo I inestable al degradarse rá-pidamente.

La confirmación definitiva de laexistencia de fitocromos dife-

rentes vino con la identificación delos ADN complementarios (ADNc, esdecir, ADN transcrito a partir delARN mensajero) que cifraban talesproteínas en una misma especie ve-getal. Estas secuencias de ADNc sir-vieron luego para aislar los corres-pondientes genes. Así, en Arabidopsisthaliana se aislaron hasta cinco ge-nes distintos para los fitocromos A,B, C, D y E. Cuando se comparó lasecuencia aminoacídica de esas cincoproteínas se observó que sólo un 50 %de los aminoácidos de la proteínason iguales, excepto los fitocromosB y D, que comparten un 80 % dela secuencia de aminoácidos.

Del cotejo entre la secuencia deuna porción del fitocromo de tipo Iy las secuencias traducidas de ADNcde los genes identificados en dife-rentes especies se desprendía que elfitocromo A era el único de tipo I.Siguiendo un método similar, se vioque el fitocromo B era de tipo II.Los análisis de la abundancia rela-tiva de los distintos fitocromos mos-traron que los A y B constituían lasformas predominantes en la plántula.

El fitocromo A se acumula en plán-tulas etioladas, para decaer de in-mediato tras la exposición a luz rojao blanca, debido a la fotolabilidadde la forma activa de la proteína ytambién a una represión coordinadade la expresión de su gen. En plán-tulas crecidas en luz y en plantasadultas, los niveles de fitocromo A

son muy bajos; de los fitocromos res-tantes, predomina el B.

El efecto dispar que la luz ejercíasobre la concentración relativa de losfitocromos A-E respaldaba la hipó-tesis de la singularidad funcional deéstos. Cada fotorreceptor desempeñabauna función propia en la regulacióndel desarrollo. La fotolabilidad delfitocromo A sugiere que intervendríaen las transiciones de oscuridad aluz, como las que ocurren durante lagerminación de la semilla bajo tie-rra o en los ciclos noche-día, mien-tras que los fitocromos fotoestablesparticiparían en los procesos regula-dos por luz roja y roja lejana, en lasplantas crecidas en luz.

Para obtener pruebas más sólidasde la peculiaridad funcional se ini-ció la búsqueda, identificación y aná-lisis de mutantes carentes de un fi-tocromo concreto. Se trabajó conArabidopsis thaliana, angiospermaideal para la experimentación, puessu genoma consta de sólo 100 me-

gabases, desarrolla un ciclo biológicode un mes apenas y alcanza un ta-maño pequeño.

La investigación se centró en lalongitud del hipocótilo, un caráctersimple y fácil de observar, cuyo alar-gamiento se inhibe con la luz. Lasplántulas mutantes que carecieran dealgún fitocromo deberían manifestaruna menor respuesta (o hiposensibi-lidad) a la luz; se las identificaríaen seguida por ser más largas quelas no mutantes si crecían en un me-dio de irradiación continua con luzblanca, roja o roja lejana.

Se identificó un primer mutanteque presentaba el hipocotilo alargadoen un entorno de luz blanca. Cuandose utilizó luz monocromática, la plán-tula retenía la respuesta normal bajoluz roja lejana, pero presentaba ce-guera a la luz roja. Esa Arabidopsismutante carecía de fitocromo B, porculpa de una mutación bloqueadoradel gen subyacente (PHYB); se la ro-tuló phyB.

65b

R RL

3 4

5a

R RL

1 2

R RL R RL R RL

R RL

R RL

4. RAZON ENTRE LUZ ROJA Y ROJA LEJANA. Esa proporción percibida porlas plantas, simbolizada por la expresión R:RL, constituye un índice de la densi-dad y la proximidad de vegetación. Esta razón establece un fotoequilibrio entrelas formas Pr y Prf de los fitocromos. En la radiación solar directa, R:RL esconstante, con valores entre 1,05 y 1,25 (1). Las condiciones climáticas apenas al-teran la relación, aunque en un día muy nublado la intensidad total se puede re-ducir hasta 10 veces (2). Ante ciertas condiciones ecológicas sí varía la relaciónR:RL. Los pigmentos fotosintéticos de las plantas (clorofilas y carotenoides) ab-sorben luz de casi todo el espectro visible, mientras que son casi transparentes alrojo lejano. Por eso, en la zona de sombra vegetal la relación R:RL disminuyehasta valores entre 0,05 y 0,15 (3). Parte del rojo lejano incidente se refleja, conla caída consiguiente de la razón en R:RL captada por las plantas vecinas (4).La relación R:RL de la luz que se filtra informa a la semilla enterrada o a laplántula emergente de las condiciones en la superficie (5a, 5b). Asimismo, un in-cremento de la relación R:RL puede informar a las plantas acuáticas de la pro-fundidad a que se hallan, ya que el agua absorbe luz roja lejana (6).

De ello se desprendía quela percepción de luz roja con-tinua por la plántula dependíaprincipalmente del fitocromoB. La ausencia del fotorre-ceptor afectaba al desarrollode la planta en diferentes es-tadios, prueba del papel des-tacado que desempeñaba enel control de varias respues-tas fotomorfogénicas; inter-venía, por ejemplo, en la de-setiolación, alargamiento deltallo, germinación y controlde la floración.

La investigación fisiológi-ca, por otro lado, atri-

buía al fitocromo fotolábilla inducción de la desetio-lación bajo iluminación conluz roja lejana continua.Ahondando en esa línea, seaislaron los primeros mu-tantes deficientes en fito-cromo A, denominados phyA. Estosse caracterizaban por su ceguera ab-soluta a la luz roja lejana continua,mientras seguían respondiendo connormalidad bajo iluminación roja oblanca. Por tanto, la percepción deluz roja lejana correspondía en ex-clusividad al fitocromo A. La in-vestigación ulterior en este mutanteha demostrado que, en condicionesnaturales, el fitocromo A contribuyea la supervivencia de las plántulasque germinan bajo una zona de som-bra vegetal, en que el ambiente seenriquece en luz roja lejana.

Los cribados bajo luz roja conti-nua en plántulas de Arabidopsis nodescubrieron mutantes deficientes enlos fitocromos C, D y E. Además,las plantas que carecían de los fito-cromos A y B seguían reaccionandoante algunos estímulos de la luz rojay roja lejana, especialmente en es-

tado adulto. Parecía clara la regula-ción de tales respuestas por los fi-tocromos C, D y E.

Y eso es lo que se confirmó enun ecotipo de Arabidopsis denomi-nado Wassilewskija o WS, deficienteen fitocromo D (phyD) a causa deuna mutación espontánea en el gencorrespondiente. Dada la ligera hi-posensibilidad a la luz roja de lasplántulas mutantes phyD, cabe supo-ner que este fitocromo participa, juntocon el B, en la percepción de luzroja. También se han identificadoplantas mutantes en el fitocromo E(phyE), que muestran, en ausencia defitocromo B, alteraciones en la per-cepción de la razón entre luz roja yroja larga.

La complementariedad o redun-dancia de función observada entre losfitocromos B, D y E les permite,quizás, a las plantas percibir pequeños

cambios en las condicionesde luz y ajustar su creci-miento. No se ha obtenidoninguna planta deficiente enfitocromo C, por lo que sedesconoce el proceso fi-siológico concreto en que in-terviene.

Tras la percepción de laluz, los fitocromos trans-

forman la información am-biental en una señal celu-lar. Se supone que ésta setransmite a la cadena detransducción iniciada por lafunción reguladora de los fi-tocromos. Esta cadena consta,así se cree, de elementosque actúan como mensaje-ros moleculares desde el fi-tocromo hasta los genes im-plicados en los cambiosfisiológicos y de desarrollode adaptación a la luz.

Para abordar la función re-guladora de los fitocromosse empezó por comparar susecuencia aminoacídica conla de otras proteínas cono-cidas. La identificación en eldominio carboxilo terminalde dos regiones PAS (PAS1y PAS2) y una región DHQabría la posibilidad de quelos fitocromos fueran quina-sas, enzimas preparadas paratransmitir la señal a travésde la fosforilación de otrasproteínas. Se ha comprobadoque el fitocromo A tiene ac-tividad quinasa in vitro, perono se ha podido corroborareste proceso in vivo ni su

relevancia biológica.Por métodos genéticos se han aco-

tado, además, regiones de las molé-culas de fitocromo A y B que par-ticipan en la función reguladora. Enel caso del fitocromo A se realiza-ron cribados genéticos de poblacio-nes mutantes de Arabidopsis paraaislar los individuos total o par-cialmente ciegos a luz roja lejanaen los que la función sensora delfitocromo A permanecía inalterada.La secuenciación de los genes delfitocromo en las plantas mutantesdescubrió mutaciones puntuales queprovocaban cambios en la secuenciade aminoácidos de la proteína. Lamayoría de estas mutaciones pun-tuales se concentraban en “regiónnúcleo”, un segmento del dominiocarboxilo terminal que, por tanto,localizaba físicamente la función re-guladora.

GERMINACION

OSCURIDAD

SEMILLAS

MEDIODE CULTIVO

R

R+RL

R+RL+R

R+RL+R+RL

5. UN EJEMPLO CLASICO de las respuestas mediadaspor los fitocromos es el control por luz de la germina-ción de las semillas. En condiciones de oscuridad, el por-centaje de germinación es bajo. Basta un pulso inicialde luz roja (R) para inducir la germinación. Pero si trasese pulso se aplica otro de luz roja lejana (RL), se ob-tienen porcentajes de germinación similares a los de se-millas mantenidas en oscuridad. La observación de lasucesión de pulsos (R + RL + R, R + RL + R + RL)permitió descubrir que el color del último pulso apli-cado controlaba la germinación.

Se necesita una fotografíade un cultivo in vitro

de Arabidopsis

En el caso de fitocromo B, conidéntica estrategia pero buscando mu-tantes afectados en la respuesta a luzroja, se identificaron mutaciones pun-tuales en la misma región. Y se pos-tuló la implicación de la región nú-cleo en la interacción con un factorque recoge la información del fito-cromo e inicia la cadena de trans-ducción de la señal.

Con el fin de descubrir los com-ponentes inmediatos de la ca-

dena de transducción de la señal, esdecir, los que interaccionarían direc-tamente con los fitocromos, se recu-rrió a la técnica del doble híbrido enlevadura. Utilizando como anzuelo elextremo carboxilo terminal del fito-cromo B, que contenía la región nú-cleo, se aisló PIF3, un factor que in-teraccionaba también con el extremocarboxilo terminal del fitocromo A.Se trata de un factor que se une deforma fotorreversible in vitro al fi-tocromo B entero y fotoactivo. Cuandoel fitocromo B contiene la región nú-cleo mutada, la interacción con PIF3disminuye. Se obtuvieron plantastransgénicas de Arabidopsis con ni-veles reducidos de PIF3 (anti-PIF3).Las plántulas anti-PIF3 son hiposen-sibles a luz roja y roja lejana, talcomo cabe esperar al reducir los ni-veles de una proteína que interac-ciona directamente con los fitocro-mos A y B e interviene en latransmisión de la señal que estos re-ceptores inician.

Con posterioridad y utilizando tam-bién la técnica del doble híbrido en

levadura, se aislaron dos factores más,PKS1 y NDPK2, que interaccionancon el fitocromo A. PKS1 es unaproteína citosólica que se fosforila invitro por fitocromo A. NDPK2 esuna quinasa cuya actividad se incre-menta cuando se une a la forma ac-tiva (Pfr) del fitocromo A. El aisla-miento de estos factores queinteraccionan directamente con el fi-tocromo A apoyan la hipótesis deque los fitocromos pueden actuarcomo quinasas in vivo.

Para identificar otros posibles com-ponentes de la cadena de transduc-ción de señal se recurrió también alos cribados genéticos, mediante la

misma estrategia utilizada para iden-tificar la “región núcleo”, pero cen-trándose en las mutaciones que afec-taban a genes distintos del que cifrabala propia molécula fotorreceptora. Sedaba por supuesto que en este tipode mutantes estaba afectado algunode los pasos de transducción de laseñal iniciada por los fitocromos. Delos mutantes encontrados en Arabi-dopsis algunos mostraron hiposen-sibilidad o hipersensibilidad especí-ficamente a la radiación roja, mientrasque otros exclusivamente a la luzroja lejana. En ambos casos, los mu-tantes no presentaron ninguna alte-ración cuando germinaron en oscu-

OSCURIDAD

OSCURIDAD LUZ RLc LUZ Rc

LUZ CONTINUA

COTILEDONES

COTILEDONES

HIPOCOTILOS

HIPOCOTILOS

SEMILLAS

COTILEDONES

HIPOCOTILOS

1 cm

RADICULA

INDUCCIONDE LA GERMINACION

(PULSO DE LUZ)

6. SI TRAS INDUCIR la germinacióncon un pulso de luz las semillas se man-tienen en oscuridad, las plántulas emer-gentes se etiolan, es decir, no desarro-llan los órganos fotosintéticos, presentanun aspecto amarillento-blanquecino porla ausencia de clorofilas y concentransus recursos en el crecimiento del hi-pocotilo en busca de luz. En las plán-tulas desarrolladas en luz continua, porcontra, se inhibe el alargamiento delhipocotilo y se producen la expansiónde los cotiledones y el desarrollo de lamaquinaria fotosintética para captar laluz. En la parte inferior de la ilustra-ción se muestran plántulas de Arabi-dopsis thaliana desarrolladas en oscu-ridad y bajo luz continua roja lejana(RLc) y roja (Rc). Aunque la luz rojalejana activa el desarrollo de las plán-tulas, no induce la síntesis de clorofi-las; por eso presentan una coloraciónsimilar a la de las plántulas etioladas.A tenor del tratamiento varía la lon-gitud de los hipocotilos.

ridad, mostrando que el efecto de lamutación alteraba específicamente ala fotopercepción. La obtención demutantes afectados sólo en la per-cepción de luz roja lejana o roja co-rroboraba la existencia de compo-nentes específicos de la transmisión

de la señal iniciada por el fitocromoA o la iniciada por el B.

Otros mutantes mostraban hipo-sensibilidad o hipersensibilidad a laluz roja y roja lejana. O lo que eraigual, había otros componentes queeran comunes a las rutas iniciadaspor ambos fitocromos. Había un grupo

de mutantes en plantas que se desa-rrollaban en oscuridad como si cre-ciesen en luz. En éstos, la falta dela proteína codificada por el gen mu-tado iniciaba el desarrollo fotomor-fogénico en ausencia del estímulo lu-minoso. Se aisló, asimismo, un mutantehiposensible a luz continua roja, rojalejana y azul.

De los componentes identificadospor las estrategias genéticas sólo sehan aislado los genes de algunos.El gen PIF3 cifra la proteína PIF3,que pertenece a cierta familia defactores de transcripción. La pro-teína se aloja en el núcleo de lascélulas vegetales, donde puede unirsea consecuencias promotoras con-cretas del ADN para interaccionarcon los fitocromos A y B activos.Este mecanismo permitiría estable-cerse una conexión directa, rápiday continuada entre la percepción dela luz por la acción de los fito-cromos y la regulación de la ex-presión génica.

La llegada de la señal luminosa alnúcleo celular afecta la expresión deciertos genes. En el caso de la de-setiolación de las plántulas, se activaun grupo de genes cuya presencia serequiere en un entorno luminoso, ge-nes que permanecen silentes en os-curidad. ¿De que modo los fitocro-mos regulan y coordinan la accióngénica? La expresión de un gen vienedictada principalmente por las se-cuencias de su promotor; a éste seune la maquinaria responsable de latranscripción del ADN en ARNm.Mediante el análisis y comparaciónde promotores de varios genes regu-lados por la luz podemos identificarelementos de respuesta a la luz. Ta-les elementos han aparecido tambiénen otros promotores.

La regulación del desarrollo ve-getal por la luz implica cambios enla expresión génica de las células uórganos fotosensibles. En el caso deque los órganos de percepción y losde respuesta no coincidan, se pre-cisa la comunicación entre las dife-rentes partes de la planta. En la tu-berización de la patata y en lafloración del tabaco y Arabidopsis,la percepción del fotoperíodo ocu-rre en las hojas, mientras que la res-puesta tiene lugar en los estolones(tuberización) o en los meristemosapicales (floración).

Para explicar la comunicación en-tre las hojas y los órganos de

respuesta al fotoperíodo se apela adeterminados factores que se trans-miten desde los órganos de percep-

R:RL R:RL R:RL> >

:R

:RL

NUDO

ENTRENUDO

7. LA LONGITUD DE LOS ENTRENUDOS en plantas adultas está moduladapor la acción de los fitocromos. En condiciones de laboratorio (arriba), los en-trenudos son más largos cuanto menor es la razón entre luz roja (R) y luz rojalejana (RL) en que crecen. Esta respuesta forma parte del “síndrome de huidade la sombra”, un mecanismo desarrollado por algunas plantas para competirpor la luz. En condiciones naturales (abajo), el síndrome se manifiesta en la lon-gitud del tallo de las margaritas que crecen en la cercanía o entre las plantasde un cultivo de gramíneas, en respuesta al enriquecimiento en luz roja lejanaque reduce la relación R:RL. Por el contrario, las margaritas que crecen en unespacio abierto, donde es mayor la relación R:RL, no desarrollan este síndromey presentan entrenudos cortos.

ción hasta los de respuesta. Talesfactores podrían ser hormonas. En latuberización, las condiciones induc-toras alteran los niveles de gibereli-nas en las hojas y en los estolones.En la floración el fotoperíodo de-sencadenante de la floración provocacambios en la expresión de genes re-lacionados con la biosíntesis de es-tas hormonas: aumentan los nivelesde giberelinas activas en las hojas yen el meristemo apical, que estimu-lan la producción del tallo floral. Lasgiberelinas podrían operar por tantocomo intermediarios endógenos parala integración en la planta de la in-formación ambiental.

En los monocultivos de alta den-sidad, el “síndrome de huida de lasombra” frena la producción de ho-jas, frutos y semillas. La cercanía delas plantas en los monocultivos pro-voca una disminución en la razón en-tre luz roja y roja lejana percibida através de los fitocromos fotoestables(B, C, D y E). Esta señal induce elsíndrome que, entre otros efectos, es-timula el alargamiento de los tallosen detrimento del desarrollo de lashojas.

En las plántulas, la percepción deluz roja lejana por el fitocromo A,fotolábil, ejerce un efecto antago-nista al de los fitocromos fotoesta-bles, que comporta la reducción delalargamiento del vástago. Pero el fi-tocromo A no abunda en la plantaadulta, razón por la cual este foto-rreceptor deja de controlar el alar-gamiento del tallo en este estadío.Inconveniente que podría solucio-narse con plantas transgénicas quesobreexpresaran el gen del fitocromoA. En el laboratorio de Harry Smith,de la Universidad de Leicester, seconsiguieron plantas transgénicas detabaco que acumulaban cantidadesmoderadas de fitocromo A. Estasplantas eran más enanas que las nor-males porque el efecto antagonistade la cantidad extra de fitocromo Aenmascaraba el “síndrome de huidade la sombra”. Se producía el “ena-nismo condicionado por la proximi-dad de otras plantas”.

En las condiciones de alta densi-dad vegetal propias de los mo-

nocultivos, el “enanismo condicio-nado por la proximidad de otras plan-tas”, aunque no aumenta la cantidadtotal de biomasa producida, sí in-crementa la proporción de biomasacosechable (las hojas en el caso deltabaco) entre un 15-20 % en relacióna los monocultivos de plantas no mo-dificadas genéticamente.

En el laboratorio de Christiane Gatz,de la Universidad de Göttingen, seha observado que la sobrexpresiónde fitocromo B de Arabidopsis enpatata provoca, junto a otros efectos,un mayor rendimiento fotosintético,con el consiguiente incremento en laproducción de tubérculos, al menosen condiciones de laboratorio. Estos

resultados prometedores indican queel entendimiento de la fisiología delos fitocromos puede ayudar a me-jorar sustancialmente la productivi-dad agrícola.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

PHOTOMORPHOGENESIS IN PLANTS. Dirigido por R. E. Kendrick y G. H. M. Kro-nenberg (segunda edición). Kluwer Academic Publishers; 1994.

GENETIC ENGINEERING OF HARVEST INDEX IN TOBACCO TROUGH OVEREXPRES-SION OF A PHYOCHROME GENE. P. R. H. Robson, A. McCormac, A. S. Irvi-ne y H. Smith, en Nature Biotechnology, vol. 14, págs. 995-998; 1996.

NUCLEAR AND CYTOSOLIC EVENTS OF LIGHT-INDUCED, PHYTOCHROME-REGULA-TED SIGNALING IN HIGHER PLANTS. F. Nagy y E. Schäfer en EMBO Journal,vol. 19, págs. 157-163; 2000.

LIGHT: AN INDICATOR OF TIME AND PLACE. M. M. Neff, C. Fankhauser y J.Chory en Genes and Development, vol. 14, págs. 257-271; 2000.

b

d

0 8 16 24

a

cR R+RL

0 8 16 24FOTOPERIODO(HORAS)

DIA NOCHE

DIA NOCHE

DIA NOCHE

DIA NOCHE

TUBERIZACION(PATATA)

TUBERCULOS

FLORES

FLORACION(TABACO)

CONDICIONESNO INDUCTORAS

CONDICIONESINDUCTORAS

8. LAS PLANTAS INICIAN LA FLORACION y la tuberización en la estacióndel año adecuada gracias a la percepción de cambios en el fotoperíodo o dura-ción día-noche. En ciertas variedades de patata la tuberización depende del fo-toperíodo; en días largos (16 horas de luz y ocho de oscuridad) las plantas notuberizan y en días cortos (ocho horas de luz y 16 de oscuridad desarrollantubérculos). En algunas variedades de tabaco la floración sigue un comporta-miento similar. Si en fotoperíodos inductores de días cortos la noche se inte-rrumpe con un pulso de luz blanca o roja las plantas no tuberizan ni florecen.Podemos anular el efecto inhibidor del pulso de luz mediante otro pulso subsi-guiente de luz roja lejana.

PrPr

PERCEPCION

OSCURIDAD LUZ CONTINUA

TRANSDUCCIONDE LA SEÑAL

RESPUESTAFISIOLOGICA

Y DESARROLLO

Pfr

9. MODULACION DEL DESARROLLO VEGETAL por ac-ción de los fitocromos. Procede en tres pasos: percepción dela luz por los fitocromos, transferencia de esta informacióndesde los fitocromos hacia los componentes celulares de lacadena de transducción de la señal y respuesta fisiológica yde desarrollo. En oscuridad, los fitocromos se hallan inacti-vos (Pr), no hay transferencia de la señal (caja vacía) y lasplántulas se etiolan. En luz continua los fitocromos se acti-van (Pfr) e inician las transducción de la señal (caja conflechas); las plántulas responden desetiolándose.

*

*

**

*

*

**

*

*

MUTAGENESISDE LAS SEMILLAS

MUTANTESEN LA PERCEPCION

PLANTA SINFITOCROMO A

(phyA)

PLANTA SINFITOCROMO B

(phyB)

cop/det/fus

fhy1fhy3fhy1

spa1

red1pef2pef3

pef1

psi2

PLANTASILVESTRE

MUTANTESEN LA

TRANSDUCCIONDE LA SEÑAL

(CON FITOCROMOS)

OSCURIDAD LUZ RLc LUZ Rc

CRIBADO PARA LA IDENTIFICACIONDE PLANTULAS MUTANTES

10. LA TECNICA DEL DOBLE HI-BRIDO DE LEVADURA permite de-tectar in vivo la interacción entre dosproteínas. Bajo el control de un pro-motor mínimo y una secuencia acti-vadora (SAC), se introdujo el gen de-lator LacZ en el genoma de levadura.El factor de transcripción implicadoconsta de dos módulos funcionales: eldominio de unión al ADN (U)y el do-minio activador de la transcripción(A). Dicha proteína se une a la SACdel promotor a través del dominio U,y activa la transcripción del gen LacZgracias al dominio A. Cuando el genLacZ se expresa, produce una enzimaque transforma un sustrato incoloroen un producto azul; el color delata,pues, a las levaduras. La proteína UX,fusión del dominio U y una proteínaX, se une a la SAC del promotor perono activa la transcripción de LacZ, yaque carece del dominio A, ocupadopor el X (amarillo). La proteína AY,fusión del dominio A y una proteínaY, no activa la transcripción de LacZporque carece del dominio U paraunirse a la SAC del promotor. En am-bos casos (B y C) las levaduras sonblancas. Pero cuando ambas proteínasUX y AY se expresan en la mismacélula, si las proteínas X e Y inte-raccionan el complejo resultante seune a SAC en el promotor y activarla transcripción de LacZ, por lo quelas levaduras son azules.

a

b

c

d

UX

Y A

UX Y A

SAC

SAC

SAC

SUSTRATO(INCOLORO)

SUSTRATO(INCOLORO)

SUSTRATO(INCOLORO)

PRODUCTO(AZUL)

SUSTRATO(INCOLORO)

PRODUCTO(AZUL)

SAC GEN DELATOR LacZ

GEN DELATOR LacZ

GEN DELATOR LacZ

GEN DELATOR LacZ

A

U

11. PLANTULAS DE ARABIDOPSIS mutantes cultivadasbajo luz continua roja (Rc) o roja lejana (RLc). Los mu-tantes phyA y phyB carecen de fitocromo A y B, respec-tivamente. Otros mutantes, en cambio, tienen fitocromosfuncionales, por lo que la mutación podría afectar a ge-nes que cifran componentes celulares implicados en latransducción de la señal luminosa. Algunos de estos mu-tantes se desetiolan en oscuridad (det/cop/fus), mientrasque otros sólo muestran el efecto de la mutación cuandomedran en luz RLc (fhy1, fhy3, far1 y spa1), Rc (red1,pef2, y pef3) o en ambas (pef1 y psi2).

RL

R

PIF3 PIF3

PIF3 RL

SPA1

R

FAR1

?

??

REGULACIONDE LA EXPRESION

DE GENESESPECIFICOS

Pfr (ACTIVO)

Pr (INACTIVO)

CITOPLASMANUCLEO

12. LAS CONDICIONES DE LUZ con-trolan la ubicación subcelular de los fi-tocromos y su interacción con PIF3, unposible factor de transcripción. El fi-tocromo acabado de sintetizar es inac-tivo (forma Pr) y se aloja en el cito-plasma. Si la célula recibe luz roja (R),el fitocromo se convierte en la formaPfr activa y pasa al núcleo, donde puedeunirse a PIF3. Si se irradia con luzroja lejana (RL), el fitocromo Pfr seinactiva y se desprende de PIF3. Elcomplejo formado por Pfr y PIF3 podríaregular la expresión génica. Otros com-ponentes de la transducción de la señallumínica, como SPA1 y FAR1, se ins-talan también en el núcleo, donde podríanintervenir en el control de la expresióngénica.

PHYA

LHCRBCS

R

REPRESIONGENICA

ELEMENTOS REGULADOSPOR LUZ (ERL)

ACTIVACIONGENICA

CAJA GCAJA GATACAJA GT1

CAJA Z

REGIONCODIFICANTE

PROMOTOR

MONOCULTIVO DE TABACO:

CULTIVO DE PLANTAS NO TRANSGENICAS PROPORCION DE BIOMASAS

HOJA:TOTAL

1 1,3

1,15 11,20

TALLO:HOJA

HOJA:TOTAL

20 cm

20 cm

TALLO:HOJACULTIVO DE PLANTAS TRANSGENICAS,CON NIVELES MODERADOS DE FITOCROMO A

13. ANTE UN ESTIMULO LUMINICO, las plantas activan o inhiben determi-nados genes. Algunos de estos genes fotorregulados se expresan en oscuridad y,tras la exposición a un pulso de luz roja (R), se reprimen; ocurre así con elgen del fitocromo A, PHYA. Otros apenas se expresan en oscuridad y se acti-van tras el pulso de luz roja. En este grupo se encuentran genes nucleares queproducen proteínas cloroplásticas relacionadas con la fotosíntesis, como los ge-nes LHC y RBCS. Mediante el análisis de los promotores de genes activados porla luz a través de los fitocromos se han identificado secuencias de ADN, cajas,necesarias para la fotorregulación de la expresión.

14. APLICACIONES AGRICOLAS de la investigación en fitocromos. En condi-ciones de alta densidad vegetal de los monocultivos, la vecindad entre individuospone en marcha “el síndrome de huida de la sombra”, que estimula el alarga-miento de los tallos de las plantas en detrimento de la cosecha, las hojas. Enesa misma situación, las plantas transgénicas de tabaco que sobreproducen ni-veles moderados de fitocromo A desarrollan el “enanismo condicionado por laproximidad de otras plantas”, que altera la productividad del cultivo. En el mo-nocultivo de plantas transgénicas la proporción de biomasa cosechable aumentaun 15-20 %.