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Definición de fitocromo
La capacidad de una planta para detectar la luz en su entorno es crucial para su competitividad y supervivencia. Mediante los fotorreceptores, las plantas son capaces de reconocer y reaccionar ante las longitudes de onda de la luz azul, roja y roja lejana. Estos fotorreceptores están formados por cromoproteínas, que se componen de una proteína y un pigmento que absorbe la luz conocido como cromóforo.
Los fitocromos son una familia de cromoproteínas sensibles a la luz roja y roja lejana. En su estado oscuro, los fitocromos se encuentran en el citoplasma, donde se sintetizan; sin embargo, al activarse por la luz, se translocan al núcleo.
Los fitocromos están presentes en las plantas, las cianobacterias y los hongos.
El citoplasma es el líquido que llena una célula y en el que están suspendidas las estructuras subcelulares.
El núcleo es un orgánulo unido a una membrana que alberga la información genética de la célula.
Función de los fitocromos en las plantas
Los fitocromos tienen dos formas:
Pr (fitocromo rojo) absorbe la luz roja (aproximadamente 667 nm). La absorción de luz roja convierte el Pr en Pfr, la forma activa de la proteína fitocromo.
El Pfr(fitocromo rojo lejano) absorbe la luz roja lejana (aproximadamente 730 nm). La absorción de luz roja lejana convierte el Pfr en Pr, el estado inactivo de la proteína fitocromo.
La absorción de luz roja o roja lejana altera la estructura del cromóforo, lo que afecta a la conformación y actividad de la proteína fitocromo a la que está unido.
Las dos formas fotointerconvertibles se conocen colectivamente como sistema fitocromo. El sistema fitocromo actúa como un "interruptor biológico" que detecta y responde al color, la intensidad y la duración de la luz: la exposición a la luz roja puede hacer que el fitocromo inicie o "encienda" actividades fisiológicas, mientras que la exposición a la luz roja lejana hace que inhiba o "apague" actividades fisiológicas (Fig. 1).
La Pfr -la forma activa del fitocromo- puede activar directamente otras moléculas en el citoplasma o ser transportada al núcleo, donde inicia o inhibe la expresión de genes específicos.
La expresióngénica es el proceso mediante el cual la información genética del ADN se utiliza para producir ARN, que a su vez se utiliza para sintetizar proteínas.
Respuestas de los fitocromos
Los fitocromos regulan varias respuestas de las plantas a la luz que son cruciales para su desarrollo, como la germinación de las semillas, la evitación de la sombra y el fotoperiodismo.
Los fitocromos y la germinación de las semillas
Las semillas son básicamente plantas en estado embrionario encerradas en una cubierta. Para que las semillas germinen, deben estar en condiciones favorables de humedad y temperatura del suelo. En la naturaleza, las semillas detectan y responden a señales ambientales -como la luz- que les indican las condiciones estacionales para iniciar la germinación. ¿Qué papel desempeña el fitocromo en este proceso?
Las plantas producen fitocromo en su forma inactiva (Pr), y cuando las semillas se almacenan en la oscuridad, el pigmento permanece casi completamente en la forma Pr. La luz solar contiene tanto luz roja como luz roja lejana, pero la conversión de Pfr es más rápida que la de Pr.
Por tanto, en presencia de luz solar, aumenta la relación Pfr/Pr. Esto significa que la germinación de las semillas expuestas a una luz solar adecuada se desencadena por la producción y acumulación de Pfr.
En la década de 1930, unos científicos expusieron semillas hinchadas en agua a unos minutos de luz monocolor de distintas longitudes de onda antes de guardarlas en la oscuridad. Luego, al cabo de dos días, los investigadores contaron el número de semillas que germinaron bajo cada color de luz. Informaron de que germinaban más semillas bajo la luz roja (a aproximadamente 660 nm), mientras que las semillas germinadas bajo la luz roja lejana tenían un porcentaje de germinación menor en comparación con los controles oscuros.
Con esto, ¿qué crees que ocurre cuando las semillas de lechuga se exponen a un destello de luz roja seguido de un destello de luz roja lejana, o cuando a la luz roja lejana le sigue la luz roja? La reacción de las semillas viene determinada por el último destello de luz: los efectos de la luz roja y de la luz roja lejana son reversibles.
Cuando las semillas de lechuga se exponen a la luz roja, la Pr se transforma en Pfr, lo que favorece las respuestas celulares que conducen a la germinación. Por otra parte, la exposición de semillas iluminadas con luz roja a luz roja lejana hará que la Pfr revierta a Pr, suprimiendo la respuesta germinativa.
Entonces, ¿por qué la germinación de las semillas responde tan fuertemente a la luz? Muchas variedades de semillas, sobre todo las más pequeñas, sólo germinan cuando el entorno lumínico y otras variables son casi ideales debido a la escasa disponibilidad de nutrientes.
En el caso de las lechugas, sus plántulas no pueden crecer lo suficiente antes de quedarse sin combustible, de modo que si sus semillas germinaran incluso un centímetro por debajo de la superficie del suelo, la plántula sería incapaz de recibir luz solar y acabaría muriendo. Por ello, dichas semillas pueden permanecer latentes durante años hasta que las condiciones de luz se vuelvan más favorables para garantizar la supervivencia de las plántulas.
El fitocromo y la evitación de la sombra
La luz solar plena y sin filtrar contiene mucha más luz roja que luz roja lejana. Como la clorofila absorbe mucho en la parte roja del espectro visible, pero no en la región del rojo lejano, cualquier planta a la que dé sombra otra planta estará expuesta a una luz enriquecida en rojo lejano.
La luz roja lejana transforma el fitocromo de las hojas sombreadas en la forma Pr (inactiva), lo que induce a la planta a destinar más recursos a crecer en altura para poder absorber más luz solar directa.
En cambio, las plantas más cercanas sin sombra o incluso con menos sombra tienen más luz roja. Cuando las hojas expuestas a estas zonas absorben luz solar directa, se activa la forma Pfr (activa ) del fitocromo, lo que favorece la ramificación y frena el crecimiento vertical.
Los brotes de las plantas utilizan el sistema de fitocromos para crecer lejos de la sombra y hacia la luz, donde pueden tomar más energía para la producción de nutrientes. Como la competencia por la luz es tan intensa en una comunidad vegetal densa, el sistema fitocromo proporciona a las plantas una ventaja evolutiva.
Fitocromo y fotoperiodismo
Además de ayudar a las plantas a detectar la luz, el fitocromo ayuda a las plantas a determinar la hora del día o del año, una propiedad denominada fotoperiodismo.
Una planta puede utilizar la relación Pr/Pfr al amanecer para calcular la duración del ciclo día/noche. Además, al recopilar esta información a lo largo de varios días, una planta puede comparar la duración de la noche anterior con otras noches del pasado.
Si la planta detecta noches cada vez más cortas, puede sentir que se acerca la primavera.
Si la planta detecta noches cada vez más largas, puede sentir que se acerca el otoño.
Detectar la duración del día o de la noche junto con la temperatura y la disponibilidad de agua permite a las plantas determinar la época del año y modificar su fisiología en consecuencia. Mediante este mecanismo se produce estacionalmente la floración de las plantas, la producción de semillas y la latencia de las yemas.
Algunas plantas del suelo del bosque florecen a principios de la primavera para poder producir semillas antes de que el dosel de hojas emerja por completo y reduzca la cantidad de luz que pasará y llegará al suelo del bosque.
Por otra parte, los árboles y las especies de plantas perennes de las latitudes septentrionales responden al acortamiento de la duración del día induciendo la resistencia al frío y la latencia de las yemas para prepararse para la llegada de las gélidas temperaturas invernales.
Papel de los fitocromos en el desarrollo de las plantas
Los fitocromos dotan a las plantas de la capacidad de detectar longitudes de onda específicas de la luz, proporcionándoles información espacial (por ejemplo, dónde hay huecos en la cubierta por los que pueda pasar la luz) y temporal (por ejemplo, qué época del año es) sobre su entorno. Esta información es crucial para el momento en que se producen los cambios en el crecimiento y el desarrollo: desde la germinación de las semillas y el establecimiento de las plántulas hasta la floración y la reproducción.
Al proporcionarles esta información y catalizar diversas respuestas biológicas, los fitocromos permiten a las plantas optimizar la cantidad de energía luminosa que son capaces de captar y convertir en nutrientes.
Fitocromos - Aspectos clave
- Los fitocromos son una familia de cromoproteínas sensibles a la luz roja y roja lejana. Los fitocromos tienen dos formas: Pr (fitocromo rojo) y Pfr (fitocromo rojo lejano).
- El Pr (fitocromo rojo) absorbe la luz roja (aproximadamente 667 nm). La absorción de luz roja convierte el Pr en Pfr, la forma activa de la proteína fitocromo.
- El Pfr (fitocromo rojo lejano) absorbe la luz roja lejana (aproximadamente 730 nm). La absorción de luz roja lejana convierte el Pfr en Pr, el estado inactivo de la proteína fitocromo.
- En su estado oscuro, los fitocromos se encuentran en el citoplasma, donde se sintetizan; sin embargo, al activarse con la luz, se translocan al núcleo.
- Los fitocromos regulan varias respuestas de las plantas a la luz que son cruciales para su desarrollo, como la germinación de las semillas, la evitación de la sombra y el fotoperiodismo.
Referencias
- Zedalis, Julianne, et al. Libro de Texto de Biología de Colocación Avanzada para Cursos AP. Agencia de Educación de Texas.
- Reece, Jane B., et al. Biología Campbell. Undécima ed., Pearson Higher Education, 2016.
- Mathews, S. (2006). Desarrollo mediado por fitocromos en plantas terrestres: La detección de la luz roja evoluciona para afrontar los retos de los entornos luminosos cambiantes. Ecología Molecular, 15 (12), 3483-3503. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2006.03051.x
- Klose C, Viczián A, Kircher S, Schäfer E, Nagy F. Mecanismos moleculares para la mediación de la partición nucleo/citoplasmática dependiente de la luz de los fotorreceptores del fitocromo. New Phytol. 2015 Mayo;206(3):965-71. doi: 10.1111/nph.13207. Epub 2014 Dic 15. PMID: 26042244; PMCID: PMC4406131.
- Chen M, Chory J, Fankhauser C. Transducción de señales luminosas en plantas superiores. Annu Rev Genet. 2004;38:87-117. doi: 10.1146/annurev.genet.38.072902.092259. PMID: 15568973.
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