Floración, Apuntes de Fisiología de las Plantas

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28 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo 2011

Nuevos descubrimientos demuestran la regulación molecular del proceso de la floración, fenómeno que ha fascinado desde hace tiempo a numerosos científicos.

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B I O L O G Í A V E G E TA L

Bases moleculares

de la f loración

Investigaciones recientes desvelan una imbricada red

de señales moleculares que optimiza el tiempo de floración

y asegura el éxito reproductivo de las plantas

L

a üĂoĈaùÿĶĄ ûĉ ċĄ ĆĈoùûĉo ćċû þa úûĉĆûĈĊaúo üaĉùÿ- nación desde tiempos remotos. Conocer el momen- to en que florecen las plantas de cultivo resultó cru- cial en la antigüedad para optimizar la recolección de frutos y semillas, y hoy sigue siendo un carácter primordial para la mejora de la producción agrícola. Los huma- nos han alterado con frecuencia la fl oración de especies culti- vadas. En ocasiones, las plantas han debido adaptarse a un ci- clo de vida diferente al de su zona geográfica de procedencia, como sucedió durante la aclimatación de los cultivos america- nos tras su introducción en Europa. Otras veces se ha buscado que la fl oración fuera permanente, como en la colifl or, un mu- tante de la col con una infl orescencia perpetua, o bien se ha in-

tentado retrasarla indefinidamente, algo que constituye la pie- dra filosofal de la investigación en hierbas forrajeras. La floración conlleva en la planta el cambio de un programa de desarrollo por otro. Cuando un meristemo vegetativo (agru- pación de células no diferenciadas que se dividen activamente y originan hojas y ramificaciones) recibe una determinada se- ñal, su programa de desarrollo se ve alterado y se convierte en un meristemo reproductivo que da lugar a flores. Esta idea ya la recogió el poeta alemán Goethe en el siglo ĎČÿÿÿ cuando se re- fería a las flores como «hojas modificadas», pero ha sido gra- cias al moderno estudio de mutantes florales de las plantas Ara- bidopsis thaliana y Antirrhinum majus cuando se ha estable- cido el modelo ABC del desarrollo floral, un paradigma de la

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Miguel Ángel Blázquez, Manuel Piñeiro y Federico Valverde

Miguel Ángel Blázquez es investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas Primo Yúfera de Valencia. Su interés se centra en el papel de las hormonas en el desarrollo de las plantas. Manuel Piñeiro es investigador titular del Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias en el Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas de Madrid. Su trabajo está enfocado a comprender el modo en que la reorganización de la cromatina modula el desarrollo vegetal.

Federico Valverde es científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en el Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis de Sevilla (CSIC-Universidad de Sevilla). Desarrolla su investigación sobre las bases bioquímicas de la floración por fotoperíodo en plantas modelo y de interés agroalimentario.

La floración es un proceso complejo que ha fascinado desde tiempos remo- tos a científicos y pensadores, pero solo desde hace veinte años se han empe- zado a determinar las bases molecula- res que rigen este fenómeno.

Las plantas han adaptado una compli- cada red de señalización molecular que les sirve para percibir las condiciones ambientales (sobre todo, luz y tempe- ratura) y decidir el mejor momento del año para florecer.

Se presentan los últimos conocimien- tos sobre el modo en que las plantas memorizan el paso del invierno, identi- fican la estación según la longitud del día e integran señales internas para producir el florígeno. Esta sustancia se

genera en las hojas y se desplaza por los haces vasculares hasta los ápices, don- de desencadena la formación de las flores. La plasticidad de la floración se refleja, a nivel molecular, en la integra- ción de los cambios ambientales.

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JOHAN N/WIKIMEDIA COMMONS

período. La identificación del gen CO ha desvelado que codifica una proteína nueva (la proteína CO) exclusiva de vegetales, al- gunos de cuyos dominios proteicos guardan similitud con acti- vadores de la transcripción génica en animales. Estudios de hi- bridación de ARN en micromatrices han mostrado que la expre- sión de CO induce a su vez la activación de un gran número de genes, entre ellos los integradores florales FLOWERING LOCUS T ( FT ) y SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1 ( SOC1 ). Además, la expresión de CO depende del ritmo circadia- no, de manera que la producción de su ARN mensajero difiere entre un día largo y un día corto: durante un día largo, parte de la expresión de CO coincide con el período de luz, particular- mente al final de la tarde, mientras que en un día corto el pico de expresión de CO se halla en la fase nocturna. Gracias a observaciones previas sobre la señal floral, algunas de más de un siglo de antigüedad, diversos grupos, entre ellos el de Steve Kay, del Instituto de Investigación Scripps de Cali- fornia, han postulado el modelo de la «coincidencia externa» como el que mejor explica la floración por fotoperíodo. Según este modelo, la coincidencia de un ritmo interno, que determi- na el cambio cada 24 horas de una señal interna, con una señal procedente del exterior desencadena la señal reproductiva. Esta conjunción se produce solo en el momento propicio del año con una duración del día adecuada. Se sabía que el ritmo interno lo marcaba la regulación circa- diana del ARNm de CO , pero la señal externa era desconocida. Mediante una serie de experimentos con diferentes mutantes de fotorreceptores y luces de un solo color (monocromáticas) se ha demostrado que la estabilidad y actividad de la proteína CO de- pende de una señal luminosa procedente de la cascada de seña- les de diferentes fotorreceptores. De esta manera, los receptores de luz azul (positivos) como el criptocromo 2 estabilizan CO, mientras que los fotorreceptores de luz roja (negativos) como el fitocromo B desestabilizan la proteína y modulan su degrada- ción por el proteasoma (maquinaria celular encargada de mar- car proteínas para su degradación). Así, la estabilidad y activa- ción de la proteína CO mediada por los receptores positivos, que se imponen a la acción represora de los fotorreceptores negati- vos en la tarde de un día largo (como sucede a finales de prima- vera), constituyen la señal externa. Al coincidir esta con la señal interna del ARNm del gen CO se desencadena la expresión de FT , un gen que codifica un po- tente activador de la floración en angiospermas. Este modelo de la coincidencia externa basado en el gen CO es el más acep- tado en la actualidad para explicar la inducción de la fl oración por fotoperíodo. La señal fotoperiódica puede ser evolutivamente tan antigua como los propios vegetales, ya que hace poco se ha descubierto una proteína semejante a CO en algas unicelulares, en las que controla procesos tan fundamentales como la acumulación de al- midón o el ciclo celular. Sorprendentemente, se ha observado en experimentos que si esta proteína se expresa en plantas superio- res promueve en ellas la floración temprana y reproduce el efec- to de CO. Ello indica que el mecanismo molecular básico de la respuesta fotoperiódica está evolutivamente muy conservado y

que las proteínas de la familia CO podrían hallarse implicadas en la regulación fotoperiódica de procesos fisiológicos básicos.

¿HA PASADO YA EL INVIERNO? En numerosas especies vegetales el inicio de la floración depen- de de que la planta haya estado previamente expuesta a un pe- ríodo prolongado de frío. Esta capacidad para percibir y, de al- guna manera, recordar que la estación fría ya ha pasado, tiene un gran valor adaptativo en las plantas de climas templados, ya que les permite asegurarse de que la floración tenga lugar una vez superado el frío invernal. El fenómeno por el que las plan- tas inician o aceleran la floración tras una exposición prolonga- da a bajas temperaturas se conoce como vernalización. El trans- curso de un período frío no induce la floración inmediata, sino que confiere a las plantas la «competencia» para florecer cuan- do el resto de las condiciones ambientales y endógenas sean las adecuadas. En el caso de especies anuales o bianuales, una vez que ha sido vernalizada, la planta mantiene el «recuerdo» del invierno pasado, que solo se pierde en la siguiente generación. Este fenómeno, que podría considerarse una forma de memoria vegetal, ha atraído el interés de los científicos durante decenios. En especies perennes, donde el proceso de vernalización apenas ha sido estudiado hasta el momento, este recuerdo ha de borrar- se cada año para permitir un nuevo ciclo de floración. Distintas especies y variedades vegetales muestran diferen- tes requisitos de exposición al frío antes de florecer. Algunas plantas herbáceas no florecen a menos que se sometan a un período frío prolongado, es decir, su requerimiento de vernali- zación es absoluto. Suelen ser plantas bianuales, como la remo- lacha azucarera. Otras, en cambio, aceleran su floración en res- puesta al frío pero este no es estrictamente necesario para que florezcan. Son las variedades anuales de invierno, entre ellas

La decisión irreversible de florecer depende de una cascada de reacciones moleculares que llevan a la activación de los integra- dores florales, genes que ponen en marcha el desarrollo de la flor. Antirrhinum majus es una de las especies que ha servido para es- clarecer el modelo de desarrollo floral en las plantas.

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INVESTIGACIÓN Y CIENCIA

SEGÚN M. Á. BLÁZQUEZ, M. PIÑEIRO Y F. VALVERDE

numerosos cereales de consumo humano. Típicamente, las semillas de estas plantas germinan en otoño, se mantienen en estado vegetativo durante el invierno y florecen en primavera. Finalmente, hay las variedades anuales de primavera, que no responden a la exposición al frío, sus semillas germinan en pri- mavera y completan su ciclo vital antes de la llegada del invier- no. A menudo coexisten en una especie variedades con distintas exigencias de vernalización. En ellas se han podido identificar unos pocos genes que establecen el requerimiento de vernaliza- ción. En la especie modelo Arabidopsis thaliana , dos de esos ge- nes determinan la respuesta ante la vernalización y su compor- tamiento como planta anual de invierno; se trata de versiones funcionales o activas de los genes FRIGIDA ( FRI ) y FLOWERING LOCUS C ( FLC ). Por el contrario, las variedades con estos genes inactivos se comportan como anuales de primavera que no res- ponden a la vernalización. La base molecular del proceso por el que las plantas man- tienen el recuerdo del invierno anterior ha permanecido ocul-

ta durante años. Ahora sabemos que el gen FLC de Arabidopsis thaliana codifica un factor de transcripción que actúa como un potente represor de la floración. En esta especie, la presencia de variantes activas del gen FRI aumenta la expresión de FLC hasta tal grado que hace retrasar el inicio de la floración. La ex- posición prolongada a bajas temperaturas provoca una dismi- nución progresiva de los niveles de FLC y, por consiguiente, una aceleración de la floración. Las células del meristemo que dan lugar, división tras división, a todos los órganos aéreos de la planta son las que deben ser expuestas al frío para que este te- jido adquiera la capacidad de responder a las señales de inicio de la floración. La inactivación de FLC causada por un largo período de frío se mantiene estable una vez concluido el invierno, cuando la temperatura ambiental empieza a aumentar. Las células que percibieron el frío durante el invierno no darán lugar a la for- mación de flores, sino sus células hijas, en las que el gen FLC se ha mantenido silenciado a lo largo de sucesivas divisiones ce-

I N F L U E N C I A D E L F O T O P E R Í O D O

Percibir la longitud del día

La duración del día influye sobre la flora- ción. En el proceso intervienen dos pro- teínas fundamentales: CO ( círculos rojos ) y FT ( círculo naranja ). Según el modelo más aceptado en la actualidad para ex- plicar la floración dependiente del foto- período, la coincidencia de un ritmo interno, creado por la expresión rítmica de CO, con una señal luminosa externa desencadena la floración. El ritmo de acti- vación-degradación de CO se consigue

mediante un control fino de la expresión de su ARNm ( línea magenta ) y de la esta- bilidad de la proteína ( línea azul claro ). Confluyen señales procedentes del ritmo circadiano ( reloj ), la acción de los fotorre- ceptores ( frc ), sea esta positiva ( verde ) o negativa ( rojo ), y la intervención del pro- teasoma ( cubo de basura ), que degrada CO en función del ciclo diario. El ARNm solo se sintetiza durante la noche y al final de la tarde. A más ARNm, más cantidad

de proteína CO se produce. Sin embargo, esta proteína solo permanece estable si hay luz. En condiciones de oscuridad es degradada por el proteasoma. En la ven- tana marcada, que podría ser una tarde de primavera-verano, coincide el pico máximo de cantidad del ARNm de CO con la máxima estabilidad de la proteína, lo que lleva a su activación y la creación de la señal móvil en las hojas (FT) que de- sencadena la señal floral.

FLORACIÓN

Activación

Estabilización

Degradación

Tarde Noche Día largo Mañana

Ventana de coincidencia Noche

Ritmo de ARNm de CO

Ritmo de estabilidad de CO

frc

frc

CO

FT

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Una consecuencia interesante de que FT responda tanto a cambios del fotoperíodo como de temperatura es que a través de esta proteína se integran de manera sinérgica dos tipos de información complementarios, luz y temperatura, que varían a lo largo de las estaciones. La idea de la percepción coordina- da de ambos parámetros viene apoyada por la observación del funcionamiento distinto de los fotorreceptores en función de la temperatura, de manera que actuarían como sensores de luz modulados por la temperatura ambiental.

CONTROL HORMONAL Raro es el proceso fisiológico de las plantas en cuya regulación no intervenga una hormona vegetal. Esta afirmación se ilus- tra con ejemplos que van desde la germinación de las semillas (las giberelinas, unas hormonas, contrarrestan el letargo im- puesto por el ácido abscísico durante el desarrollo embriona- rio y la maduración de las semillas), hasta la infección por pa- tógenos (el ácido salicílico y el ácido jasmónico activan la respuesta sistémica de la planta para prevenir posteriores ata- ques) o la maduración de los frutos gracias al etileno [ véase «Las hormonas vegetales», por Antonio Granell y Juan Carbo- nell; IĄČûĉĊÿýaùÿĶĄ ď CÿûĄùÿa, abril de 1995]. De forma equiva- lente, algunas hormonas influyen de manera decisiva en de-

terminar el momento de floración a lo largo del ciclo vital de la planta. El efecto más llamativo sobre el control de la floración por una hormona lo protagonizan las giberelinas. En Arabidopsis y un gran número de dicotiledóneas, la deficiencia en la síntesis de estas hormonas impide a las células vegetales expandirse, lo que resulta en un tamaño reducido de la planta. Pero, además, las plantas de Arabidopsis con una escasa síntesis o percepción de las giberelinas florecen más tarde en condiciones de día lar- go, e incluso no florecen en absoluto cuando el día es corto. Es- tas observaciones hacen suponer que las giberelinas permitirían asegurar la floración en casos de ausencia de otros estímulos am- bientales. Estas hormonas resultan aún más decisivas para al- gunas especies que habitan en los trópicos, para las que el paso de las estaciones no supone una señal instructiva. La base molecular de la inducción de la floración por gibe- relinas parece residir principalmente en la activación de la transcripción del gen LFY , descrito en el laboratorio de Detlef Weigel, del Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo, en Tubinga. LFY es uno de los últimos responsables de la puesta en marcha del programa de desarrollo floral, en el que también intervienen otros integradores florales, como SOC1 o AP1. Esta activación está precedida por un aumento en paralelo de la con-

¿ C UÁ N D O F L O R E C E R?

Un gen represor que controla la floración

La floración se produce solo cuando se inhibe el gen FLC. El pro- ceso no puede tener lugar si ese gen se expresa y la proteína FLC se halla presente. La organización de la cromatina, consti- tuida por el enrollamiento del ADN alrededor de ciertas proteí- nas, las histonas, representa el factor clave que controla la expre- sión o silenciamiento del gen FLC. Durante la fase de semilla y al principio de la fase juvenil de Arabidopsis thaliana , varias proteínas inhiben la expresión de los integradores florales, lo que evita una floración prematura.

Después de un período vegetativo, las células del meristemo apical empiezan a producir flores. Ello sucede solo si se inhibe el gen FLC en esas células, lo que se consigue en la fase de vernali- zación: al pasar por un período prolongado de bajas temperatu- ras, se sintetiza un complejo de proteínas, entre las que se encuen- tran VIN3 y proteínas del grupo Polycomb como VRN2. Esas proteínas se unen al ADN a nivel del gen FLC , lo que provoca la condensación de la cromatina alrededor del gen y frena su expre- sión. Los genes florales pueden entonces activarse.

Conformación laxa de la cromatina

AUSENCIA

DE FLORACIÓN

FLORACIÓN

Arabidopsis thaliana

Histona

ADN

Gen FLC activo

Meristemo apical

Gen FLC inactivo

Condensación de la cromatina

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ambas páginas

)

centración de giberelinas y de la sacarosa circulante por el floe- ma (el tejido que transporta sustancias de una parte a otra de las plantas). En ensayos in vitro, se ha comprobado que ambos compuestos activan el promotor del gen LFY de manera sinér- gica. Esta observación apunta a un posible mecanismo de in- tegración entre la edad de la planta y su estado nutricional, con el que se determina la capacidad de la planta para responder a las señales inductoras de la floración. En esta señal depen- diente de la edad, los genes TEMPRANILLO ( TEM ) reprimen la expresión de FT, de manera que CO no pueda activar su ex- presión en fases juveniles del desarrollo.

FLORÍGENO: INTEGRACIÓN ESPACIAL DE LA SEÑAL De todo lo expuesto se extrae una conclusión: las plantas han desarrollado un mecanismo de inducción de la floración que aglutina señales muy diversas, tanto ambientales como relacio- nadas con su estado nutricional y edad. Este mecanismo presen- ta la robustez necesaria para distinguir entre las señales reales y el ruido de fondo, la plasticidad que permite adaptarse a há- bitats muy distintos y una estructura que limita la acumulación de mutaciones que impidan la floración. A ello contribuye en gran medida la arquitectura de la maquinaria de señalización de la floración, que se podría describir como una red de carre- teras con múltiples nodos o intersecciones, todas confluyendo en un mismo destino. Así, en lugar de existir un único punto de integración de la información, las señales se van amplificando,

matizando e integrando en numerosos nodos, que a su vez dis- tribuyen la información en cascada. Si nos fijamos en las señales inductoras de la floración po- dríamos definir esencialmente tres rutas de señalización: la ruta dependiente de fotoperíodo, la ruta dependiente de la tempe- ratura y la ruta que responde al estado nutricional de la planta (basada en los azúcares circulantes y en las giberelinas). Una observación interesante es que en la mayoría de las es- pecies, la decisión de florecer no tiene vuelta atrás. ¿Cómo se convierten señales pequeñas, a veces aditivas y a veces contra- puestas, en una decisión concreta de florecer? De nuevo, la res- puesta reside en la arquitectura de la red de señalización. En cada nodo de integración se evalúa el balance de actividades promotoras y represoras de la floración y el resultado se trans- mite al siguiente nodo en la cascada. En último término, la de- cisión irreversible de florecer depende de un mecanismo de acumulación progresiva de los integradores florales, que solo cuando superan cierto nivel umbral pueden activar el progra- ma de desarrollo floral. Por último, una cuestión planteada hace al menos un siglo y no resuelta hasta estos últimos años es cómo se produce la in- tegración espacial de las señales inductoras de la floración. La idea de que las hojas participan en la generación de alguna se- ñal química que influye a distancia en la floración la expresó por primera vez Julius von Sachs en 1865 y la rubricó James Knott (1934), de la Universidad de Cornell, con sus trabajos con la espinaca. Knott descubrió que la percepción del fotoperíodo

S E Ñ A L E S C O N V E R G E N T E S

Las principales rutas florales

La floración está controlada por señales ambientales (como la longitud de los días y la temperatura) y por factores endógenos (como el estado nutricional y ciertas hormonas). Cada uno de estos factores activa cascadas de señalización particulares que acaban con- vergiendo en ciertos genes clave que integran información de distinta naturaleza. En última instancia, estos se encargan de poner en marcha los grupos de genes ABC responsables del desarrollo de la flor. (En el esquema, las líneas terminadas en una flecha indican un efecto promotor, mientras que las terminadas en una barra, un efecto inhibidor.)

LUZ TEMPERATURA

Fotorreceptores

Giberelinas

Sacarosa

CO

FT

FCA

VRN

FLC FRI

HORMONAS

NUTRIENTES

FD

AP1 LFY

Genes ABC

SOC

Ruta dependiente del fotoperíodo ( rojo ): La longitud de los días se percibe a través de un mecanismo en el que participan los fotorreceptores y el reloj circadiano; ello permite que la proteína CONSTANS (CO) active a sus dianas FT y SOC1 solo cuando los días se alargan.

Ruta dependiente de factores endógenos ( verde ): LEAFY , por su parte, también actúa de integrador de factores endógenos, como los que determinan el estado nutricional (en función de la sacarosa circulante por el floema) y otros factores endógenos de la planta (mediados por el contenido de las hormonas giberelinas).

Ruta dependiente de la temperatura ( azul ): Por una parte, la expo- sición transitoria a temperaturas próximas a la congelación —que indica que ha pasado el invierno— es necesaria para que los genes VRN silencien a FLC , un represor de la floración que impide que se active FT. Antes del invierno, el gen FRI hace aumentar la expresión de FLC y evita la floración. Por otra parte, el aumento paulatino de la temperatura cuando se acerca la primavera es percibido como una señal para que FCA inhiba también a FLC y se facilite así la activación de FT por parte de CO. De esta manera, FT se comporta como un integrador que se activa únicamente cuando las condiciones de luz y temperatura son propicias. Su función principal es conseguir que los genes APETALA 1 ( AP1 ) y LEAFY ( LFY ) se expresen por encima de cierto nivel umbral y se inicie el desarrollo floral.