A lo largo de la historia de la humanidad, plantas y humanos hemos cohabitado. Las plantas son organismos autótrofos de todos tamaños, colores y longevidades que pueden vivir en diferentes hábitats que van desde suelos húmedos y áridos hasta muy secos. Ejemplos de estas pueden ser desde árboles frutales hasta plantas suculentas como los agaves, que viven en zonas desérticas donde la absorción de agua es limitada. Para lograr esta adaptación y/o aclimatación al medio ambiente que las rodea, llevan a cabo diferentes tipos de metabolismo en función de la forma en que utilizan el dióxido de carbono (CO2) utilizado en la fotosíntesis.
Las plantas tienen dos genomas: uno nuclear donde se encuentran los cromosomas (genoma) y otro plastídico que comprende los genomas de las mitocondrias y los cloroplastos (plastoma). El plastoma del cloroplasto es circular y contiene alrededor de 110-130 genes, mientras que el del núcleo ¡Es casi del doble de tamaño! Hay tantas diferencias entre ellos que es muy interesante entender la complejidad genética y evolutiva de este organelo. Se estima que entre 2 500 y 3 500 proteínas, que son codificadas en el núcleo, están dirigidas al cloroplasto, y esto varía de acuerdo a la etapa y estado de desarrollo en que se encuentre el plástido que, en su mayoría, son desconocidos y su variabilidad genética es escasa, por lo que ha sido poco usado para el mejoramiento de los cultivos.
El plastoma de los cloroplastos
El plastoma de los cloroplastos no presenta recombinación y se hereda vía materna, mientras que los genomas del núcleo sí tienen recombinación y se heredan biparentalmente. Al no haber recombinación, es más fácil de determinar bajo análisis moleculares, ya que los alelos solo pueden ser generados por mutación para así reconstruir su secreta genealogía, pues un alelo no va a surgir de otro alelo por los eventos de recombinación, como pasa en los genes nucleares. Esta información se puede determinar con la ayuda de la secuenciación de los genomas sobre la herencia materna que cuenta la mitad de la historia y su flujo genético, ya sea por polen o por semilla. Para el caso de los cloroplastos, se ha logrado descifrar que los genes contenidos en su plastoma, pueden ayudar a establecer relaciones entre familia y a veces entre géneros.
La elucidación de la secuencia del plastoma puede ser un avance importante en la genética de los orgánulos que nos puede ayudar al entendimiento de la biología y de la evolución de los plástidos, y esta importancia ha llevado a la curiosidad de saber qué es lo que pasa en el plastoma.
Cloroplastos: origen y función
Los cloroplastos se originaron mediante la endosimbiosis. Lynn Margulis, una gran investigadora estadounidense que revolucionó la Teoría de la Evolución de los organismos vivos, realizó sus estudios de doctorado en Genética en la Universidad de Berkeley, en Estados Unidos de América, y fue quién propuso la teoría de la endosimbiosis en 1971, demostrando con ello que tanto las mitocondrias como los cloroplastos, eran células independientes fagocitadas por células eucariontes que, en lugar de digerirlas, cohabitaron en simbiosis. Dentro de las teorías científicas más aceptadas destacan que el cloroplasto evolucionó a partir de las cianobacterias, la cual logró sobrevivir a las defensas de la célula ya que conservan un sistema genético funcional.
Los cloroplastos son orgánulos generalmente grandes que van desde unos cuantos micrómetros hasta 10 (µm), de forma redonda o helicoidal, son pequeñas máquinas metabólicas ya que llevan a cabo diferentes funciones. Además de realizar la fotosíntesis, los cloroplastos también llevan a cabo la síntesis de algunos aminoácidos, ácidos grasos, la producción de hormonas, vitaminas y otros metabolitos secundarios, a la vez que participan en la asimilación de nitrógeno, azufre y nitratos. Como mencionábamos anteriormente, son el resultado de una endosimbiosis. Los plastidios provienen de otros que ya existen y se transmiten de los gametos durante la fecundación, por tanto, provienen de los plastos del embrión que son los proplastidios, los menos complejos de todos los plastidios. Estos se presentan en dos tipos: los germinales y los nódulos.
Los germinales se encuentran en el embrión de las semillas y en los meristemos, y su función es diferenciar al resto de los plastos de la planta, de aquí se originan los diferentes tipos de plastos de las plantas y se realiza la síntesis de ácido giberélico como parte de su función metabólica. Los proplastidios de los nódulos se encuentran en las raíces y están involucrados en la fijación de nitrógeno. Los etioplastos se encuentran en los tallos, pero no en las raíces y es una fase intermedia en la maduración de los proplastidios a cloroplasto, y reinician su diferenciación cuando tienen acceso a la luz (tilacoides), pero también se encuentran en las plantas que se ponen en la oscuridad, y a este proceso de le llama etiolación. Los leucoplastos son plastos incoloros y su función es la de almacenar almidón (amiloplastos), lípidos (elaioplastos) y proteínas (proteinoplastos). Los cromoplastos contienen pigmentos carotenoides que dan el color amarillo, rojo o naranja a la estructura donde se encuentran, como pueden ser flores, hojas viejas o raíces. Los cromoplastos se consideran como el estado más avanzado de los cloroplastos. Y, finalmente, los cloroplastos son los que producen clorofila y son los responsables de llevar a cabo la fotosíntesis.
Plantas in vitro verdes y albinas de Agave angustifolia Haw.
Regulación del cloroplasto
Los cloroplastos de las plantas superiores y de las algas, tienen dos vías de regulación: La primera involucra genes relacionados en la fotosíntesis y la segunda los que participan en la replicación, transcripción y traducción. Esta última regulación, en cierta forma está coordinada con el núcleo mediante la vía anterógrada (núcleo-cloroplasto) y la vía retrógrada (cloroplasto-núcleo).
Regulación del cloroplasto.
La regulación anterógrada, contiene los reguladores transcripcionales (por ejemplo: proteínas que reconocen secuencias promotoras de ADN para iniciar la transcripción) y postranscripcionales codificados en el núcleo (por ejemplo: proteínas de unión a ARN), así como otras proteínas que controlan el metabolismo del ARN, tal como PPR (proteínas con repeticiones pentatricopeptídicas). Por otro lado, la regulación retrógrada utiliza procesos fotosintéticos como el transporte de electrones, el estado redox del cloroplasto para influir en la expresión de genes fotosintéticos en el núcleo, así como en la activación de especies reactivas del oxígeno y biosíntesis de tetrapirroles.
Plantas sin cloroplastos
No es muy frecuente encontrar plantas totalmente blancas, llamadas albinas, las cuales carecen de cloroplastos. Sin embargo, emergen de manera solitaria y no logran sobrevivir, o en simbiosis con otra planta totalmente verde para no morir.
Si sabemos que los cloroplastos son la esencia de la vida fotosintética de las plantas, ¿cómo es que existen plantas albinas? Las plantas albinas no contienen cloroplastos funcionales como tal y, por lo tanto, no contienen un metabolismo fotosintético como lo conocemos. En condiciones de laboratorio se han obtenido plantas albinas con una consecuencia biológica relevante que podría explicar parcialmente el albinismo como causa de una mutación o algunas variantes que se deben a los mecanismos epigenéticos, lo que le provoca la limitación en la obtención de carbono, desarrollo y función de las estomas en las plantas albinas. Al no tener cloroplastos, las plantas albinas no pueden cumplir las funciones de fotosíntesis para poder sobrevivir, pero se ha encontrado que existen plantas albinas en la naturaleza que tienen una simbiosis con otros organismos.
Por ejemplo, existe una orquídea llamada Cephalanthera falcata que, con la ayuda de un hongo, mediante una relación de simbiosis, obtiene los nutrientes necesarios para sobrevivir. Por otro lado, en las plantas albinas de agave in vitro, los nutrientes lo obtienen del medio de cultivo. Estas plantas albinas presentan un sistema modelo natural e importante para investigaciones biológicas sobre el proceso de fotosíntesis y la biosíntesis de clorofila, así como del crecimiento de tejidos y órganos, ya que con análisis de clonación y expresión y/o silenciamiento de genes, se puede descifrar estos secretos evolutivos de los plastomas. Y nos preguntamos, ¿las plantas albinas tienen plastomas? No completos, pero sí contienen unos plástidos inmaduros que no fotosintetizan y no contienen clorofila. Esta información genética nos puede ayudar a descubrir todo este proceso evolutivo que fue originado de una simbiosis.
Para Saber más:
Margulis, L. (1971). Symbiosis and evolution. Scientific American, 225(2), 48-61. URL:https://www.jstor.org/stable/10.2307/24922800
Segretin, M.E., Wirth, S.A. y Bravo-Almonacid, F. (2004). La transformación de cloroplastos. Academia Nacional de Agronomía y Veterinaria. Tomo LVIII. Trabajo galardonado con el Premio Pérez Companc 2004. http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/29395/Documento_completo.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Megías, M., Molist, P. y Pombal, M.A. (2019). Atlas de histología vegetal y animal. La célula. http://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/1-introduccion.php
Verónica Limones-Briones. Centro de Investigación Científica de Yucatán. A.C., Unidad de Biotecnología, Laboratorio de Epigenética. Mérida, Yucatán, México.
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Clelia De la Peña. Centro de Investigación Científica de Yucatán. A.C., Unidad de Biotecnología, Laboratorio de Epigenética. Mérida, Yucatán, México.
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.