Señalización celular implicada en la germinación del tubo polínico. Caso familia orchidaceae

Señalización celular implicada en la germinación del tubo polínico caso familia Orchidaceae

Resumen: El interés por comprender los procesos implicados en la reproducción sexual vegetal, ha permitido identificar las moléculas implicadas en los procesos de fecundación y por consiguiente germinación y elongación del tubo polínico, aspectos clave para lograr el éxito reproductivo, obtención de frutos y perpetuación de las especies. En la actualidad estos procesos han sido ampliamente descritos en Arabidopsis thaliana, modelo biológico por excelencia, donde los avances han llevado a esclarecer los mecanismos y redes celulares que controlan la forma celular, crecimiento, modificaciones de la pared y señalizaciones celulares mediadas por segundos mensajeros. En esta revisión se analizan de manera general los factores y mecanismos de activación celular que permiten la comunicación e interacción de los gametos masculinos y femeninos en la cavidad estigmática. De igual forma se describe como es llevada a cabo la fecundación en las orquídeas, ya que estas especies cuentan con modificaciones a nivel de los órganos reproductivos y desarrollo de agregados polínicos (polinios), que hacen que la disposición y entrega de los gametos masculinos, despliegue mecanismos que son particulares de este grupo de monocotiledóneas. Este contraste es interesante en la medida que se comparan las estrategias e interacciones celulares, para lograr el éxito reproductivo.

Palabras clave: polen, tubo polínico, iones, germinación.

Introducción

Aunque las plantas exhiben diferentes formas de propagación, en la reproducción sexual el proceso de fecundación depende en gran medida del crecimiento y desarrollo del tubo polínico, ya que su ruptura en el extremo o "zona tip" facilita la liberación de los gametos masculinos los cuales tienen como finalidad la fusión con los óvulos en la flor. Producto de esta unión se da la formación del cigoto permitiendo la formación de un nuevo individuo.

En el momento en que inicia la etapa de apertura florar, es propicia la llegada del polen de otras flores al estigma compatible y maduro. El proceso de liberación y entrega del polen requiere la coordinación entre los diferentes tejidos participantes, con la final de guiar las células espermáticas hacia los óvulos (Soto, 2009). Dicho proceso inicia con la etapa de polinización en la cual el gametofito masculino es transportado desde la antera hasta la superficie estigmática. En este lugar se lleva a cabo la adhesión, hidratación y germinación del polen, y seguidamente el tubo polínico emerge penetrando los tejidos del pistilo hasta llegar al ovario, atravesando el micrópilo y finalmente se encontrara con el gametofito femenino, para lograr la fecundación (Suárez, 2009).

Como objetivo principal se planteó, el describir puntualmente los procesos de señalización celular que se activan para lograr la liberación del tubo polínico (célula vegetativa) en el proceso de fecundación, permitiendo la entrega de las células espermáticas (generativas) en la cavidad ovárica. Paralelamente se hace referencia al proceso germinativo en orquídeas, con el fin de esclarecer si los mecanismos que impulsa la germinación del polen son procesos similares o por el contrario difieren a los descritos para las dicotiledóneas.

Germinación del tubo polínico

Muchos autores coinciden, en que una vez se inicia el proceso de germinación del tubo polínico, sus tasas de crecimiento son muy rápidas esto con el fin de garantizar la entrega efectiva de los gametos masculinos hacia el estigma receptivo. Dentro de los mecanismos que emplea el polen para lograr su cometido, se encuentra la extensión de la pared celular del tubo y por su puesto la regulación del mismo. A continuación daremos un vistazo general de las enzimas e interacciones celulares que permiten su desarrollo y viabilidad.

Krichevsky et al., 2007 atribuyen el alargamiento del tubo polínico a dos procesos bioquímicos:

2.1. Un gradiente de calcio acentuado en la punta del tubo: lo cual impulsa y orientar el crecimiento en la zona apical, de igual manera se ha evidenciado el aumento de la concentración de calcio de forma exclusiva en la zona apical o tip, mientras que en el resto del tubo sus valores se mantienen normales. Li et al, 1996; Pierson et al, 1994; Rathore et al, 1991, quienes son citados por Krichevsky et al., 2007 señalan que una inhibición de este factor, ya sea por el bloqueo de sus canales o la inducción de choque térmico pasivo impiden el crecimiento del tubo.

2.2. Una elongación favorecida por los microfilamentos de actina: esta proteína citoesquelética forma redes de actina bajo la membrana plasmática, brindando soporte mecánico, estructura celular y facilitando el movimiento de la superficie celular. Además faculta a la célula en actividades de migración, división y absorción de partículas (Cooper y Hausman, 2011). Para el caso del tubo polínico los filamentos longitudinales de actina junto con los motores de miocina, son claves en el crecimiento de la punta. Ya que cuando se emplearon fármacos se observó efectos inhibitorios en el alargamiento del tubo polínico, al impedir la polimerización de la actina. Sin embargo no se puede generalizar esta acción ya que (Anderhag et al., 2000) obtuvo tubos cortos de Picea abies cuando inhibió los microfilamnetos con colchicina.

Dresselhaus & Franklin 2013, hacen alusión a una serie de células esporofiticas que apoyan el crecimiento del tubo en la medida en que se da el direccionamiento hacia la superficie ovular, especialmente las proteínas pertenecientes a las subclases de pequeñas proteinas ricas en cisteína (CRPS), especies reactivas de oxígeno (ROS)/NO de señalización, y el segundo mensajero de Ca2+, que juegan un papel central en la mayoría de estos procesos.

Soto (2009), describe varios aspectos relacionados con el crecimiento del tubo polínico, donde una adecuada coordinación será vital para lograr su elongación, como:

2.3. Un gradiente y flujo de iones: en el proceso de crecimiento del tubo polínico se genera una oscilación causada por la entrada de los iones, en la región apical del mismo del tubo. Siendo los iones de calcio y los protones los más importantes en función de la elongación, seguido de los iones de cloro y potasio. La entrada de calcio y protones se da en la punta del tubo polínico, en estos últimos se da un flujo de salida lateral en la zona subapical, lo que provoca cambios de pH, en regiones del extremo apical (Holdaway-Clarke et al., 2003; Campanoni y Blatt, 2007).

2.4. Tráfico vesicular: es un proceso de comunicación mediado por el aparato de Golgi, bajo la producción vesicular, que tienen como destino fina la membrana plasmática para la liberación de su contenido a la pared celular (Lisboa et al., 2007). Por otra parte, el proceso de desplazamiento de organelas posibilita el crecimiento del tubo en la medida en que se distribuyen correcta de las mismas y la acumulación de vesículas secretoras en el ápice del tubo.

2.5. Señalización: el tipo de señalización con mayor participación en los procesos de elongación del tubo, tráfico vesicular, regulación del citoesqueleto y los canales de Ca2+, es la señalización medida por fosfolípidos e inositol fosfato la cual involucra receptores de tipo quinasas asociado a la membrana y activación de cascadas de señalización (Monteiro et al., 2005 a y b; Malho et al., 2006). Por otra parte el tráfico vesicular y regulación de los microfilamentos de actina se controla mediante la señalización de pequeñas proteínas G (Krichevsky et al., 2007). La alteración de alguno de estos elementos, impide mantener una fidelidad en el proceso de fertilidad, lo que deriva en una serie de aberraciones fenotípicas (Cheung et al., 2004; Myers et al., 2009).

Estructura de la pared del tubo polínico

La pared del tubo se caracteriza por presentar una estructura cilíndrica con un crecimiento exclusivo de su extremo apical. La pared primaria que se forma en el ápice del tubo, está compuesta de pectinas esterificadas que son liberadas en vesículas procedentes del Golgi y la pared secundaria que se compone de calosa y es contigua a la membrana plasmática. Dentro de las múltiples funciones de la pared celular, se encuentra la protección de la célula generativa por estrés mecánico, control físico en la estructura del tubo (Derksen 1996, Helpler et al., 2001 citado por Suarez, 2009).

La germinación del tubo requiere la activación de factores importantes para lograr su configuración y regulación. En el proceso de maduración de la pared, el crecimiento del tubo desplaza las peptinas que se encuentran en el ápice hacia la zona subapical, donde sufren un proceso de de-esterificación mediado por enzimas peptina metilesterasas (PME). Tian et al., 2006 señalan que el papel de las PMEs es crucial para el crecimiento de la pared del tubo polínico, estos autores identificaron un nuevo PME especifico del polen de Arabidopsis, el ATP ME1, al emplear genética inversa (alteración del DNA por mutaciones), demostrando que la participación de esta enzima, es determinante en la formación del tubo y el ritmo de su alargamiento. Paralelamente la activación de la calosa sintasa trae consigo la formación de una capa de calosa bajo la capa fibrosa de pectinas. Finalizando el proceso, a la pared del tubo polínico se unen otras proteínas tales como las AGPs y extensinas (Bosch y Hepler 2005, Chen y Ye 2007 citado por Suarez, 2009).

Interacción del polen con el estigma receptivo

La adhesión del grano de polen en el estigma florar es una interacción celular mediada por dos factores, la presencia de proteínas que hacen parte de la cubierta polínica y la capacidad del estigma para rehidratar el grano de polen posterior a su adhesión. En el momento de la rehidratación, el estigma actúa como fuente hídrica que induce a la germinación polínica. Problemas en la rehidratación del polen se atribuyen principalmente a estigmas secos, que suelen ser comunes en la familia Brassicaceae. La hidratación polínica también está relacionada con la expresión de acuapurinas en el estigma, y su influencia en el transporte de agua de manera rápida y controlada, hacia los granos (Dixit et al., 2001).

Samuel et al., 2009, señala que las interacciones polen-pistilo en la etapa de hidratación están reguladas por una proteína del pistilo llamada Exo70A1. Más precisamente Exo70A1 actúa como un factor de compatibilidad estigmática además se cree que tienen función a nivel mecánico pudiendo estar implícita en la inmovilización de vesículas secretoras de post-Golgi a la membrana plasmática, y por otra parte participaría en la inmovilización de las vesículas secretoras a la membrana estigmática papilar en el sitio de contacto del grano, permitiendo la entrega de los componentes estigmáticos requeridos para la hidratación del polen.

A nivel del pistilo también se da la expresión de factores clave para el reconocimiento del polen. En el caso específico de Arabidopsis se identificó a sulfinylated azadecalins como una molécula pequeña que estimula la germinación del polen a nivel in vitro. Bioensayos de polen con azadecalins sulfinylated sintetizados sugieren que estas moléculas actúan de una manera específica para asegurar la fertilización rápida cuando el polen de especies apropiadas interacciona con el pistilo (Qin et al., 2011).

Polaridad del tubo polínico

La polaridad y el direccionamiento del tubo polínico están mediados por una serie de quimio atrayentes dentro de los que se incluyen las quimiocianinas y plantacianinas. Dresselhaus y Franklin 2013, consideran que estas proteínas presentan un alto potencial redox, por lo que las especies reactivas de oxigeno como las (ROS) podrían ser responsables de la orientación del tubo polínico. De igual manera, la matriz extracelular del pistilo (ECM) es reconocida por proporcionar señales y nutrientes que guían el tubo polínico y favorecen su crecimiento, se han identificado varios componentes de la (ECM) con actividad quimiotrópica en el direccionamiento del tubo polínico, que tiene como destino los óvulos. Dentro de ellos se destacan, la proteína rica en cisteína denominada adhesina de estigma/estilo rico en cisteína (SCA), quien es la encargada de regular en el lirio el crecimiento polar de la punta del tubo polínico. Park et al., 2000 ve la interacción de SCA con las peptinas como un factor crucial en la orientación del tubo polínico, pues esto posibilita la formación de la matriz adhesiva a medida que se da el crecimiento del tubo polínico, lo cual influye en la vía de transmisión. La proteína (TTS) Transmitting Tissue-Specific con función quimio atrayente, fue identificada en la ECM del pistilo de tabaco y para el caso concreto de A. thaliana se encontró que el neurotransmisor (GABA) contribuye a la orientación del tubo polínico.

Mecanismos de orientación ovular

La orientación ovular, se refiere a la guiansa del tubo polínico hacia y dentro del óvulo. Lo cual comprende dos mecanismos de orientación, particularmente identificados en A. thaliana.

Orientación Fenicular: se entiende como la apertura de las vías de transmisión de los tubos polínicos con crecimiento en la superficie del tabique y funículos hacía el ovulo, por causa de las señales ovulares. En Arabidopsis esta acción está controlada tanto por el esporófito como por el gametófito.

Orientación Micropilar: representa el paso de los tubos hacia el aparato ovular, a través del micrópilo. Y está regulada por el gametofito femenino que interactúa a través de la secreción y captación de señales de atracción y repulsión (Higashiyama y Hamamura, 2008).

Tres moléculas han sido plenamente identificadas en lo referente a la señalización del tubo polínico y su interacción con el pistilo y los tejidos ovulares, de esta manera bajo los criterios de moléculas de orientación fenicular se destacan: al aminoácido no proteico GABA el cual se ha encontrado que exhibe concentraciónes altas en el momento de la apertura micropilar del óvulo. La D-serina que regula la expresión de Ca2 + en los canal CNGC18 del tubo polínico y la molécula gaseosa NO que en ensayos in vitro de A. thaliana demostró ser requerida para la orientación del micrópilo (Palanivel et al., 2003; Michard et al., 2011; Lu et al., 2011)

Germinación polínica en orquídeas

Orchidaceae es la familia con mayor número de especies a nivel general, con un estimado de más de 25.000 especies, es una familia cosmopolita que alcanza su mayor diversidad en las regiones tropicales, siendo América Tropical la región con mayor número de especies. En los últimos años la familia han sido objeto de numerosos trabajos investigativos que han contribuido a esclarecer sus relaciones fitogenéticas y a proponer una nueva clasificación (García eta al., 2004).

En muchos grupos existe agregación de los granos de polen y en las subfamilias Epidendroideae y Orchidiodeae éste forma estructuras bien definidas, conocidas como polinios. Los polinios pueden estar provistos de estructuras accesorias para el remoción y disposición del polen, lo cual ha permitido en mayor medida el éxito en la dispersión del polen y colonización de diferentes ecosistemas (García eta al., 2004). En cuanto a la germinación del polen en orquídeas Sanfor et al., (1964) señala la poca disponibilidad de información de este proceso, dificultad asociada a diferencias en cuanto a los requisitos de germinación inicial en orquídeas respecto de las demás plantas. Este autor también desarrolló un estudio preliminar de germinación polínica de orquídeas en (1964), encontrando un porcentaje relativamente bajo de germinación en 29 especies evaluadas a nivel in vitro. Este ensayo aporto resultados contundentes, afirmación que la germinación en orquídeas generalmente se inicia en la periferia de los polinios, un postulado que tiene gran aceptación en la actualidad. Este autor señala de manera particular el caso de los hibridos de Phataenopsis y de Vanda quienes obtuvieron un porcentaje del (20%) de germinación bajo condiciones controladas. Indicando una posible esterilidad en los granos de polen del hibrido Rodricidium "Tahiti", debido a la no germinación de sus células polínicas.

En el 2013 Moraes et al., evaluaron la viabilidad del polen y la germinación del tubo polínico en híbridos interploides de Epidendrum fulgens x E. puniceoluteum (Epidendroideae, Orchidaceae), encontrando que a excepción de los cruces relacionados con E. fulgens y flores híbridas, los pistilos exhibieron un crecimiento del tubo polínico con diferente intensidad, 12 días posterior a la polinización manual en todos los cruces. Señalando además, que el uso de híbridos como donantes de polen afecta de manera negativa la germinación del tubo, haciéndolo más débil.

Por otra parte Sanfor et al., (1994) reconoce una alta sensibilidad del polen de orquídea al calcio, y su influencia para estimular el crecimiento del polen, ratificando lo afirmado por Brewbaker y Kwack (1963) quienes trabajaron con una gran variedad de polen (excepto de Orchidaceae), reportaron que la presencia de iones de calcio en extractos de levadura y extractos con diferentes partes de la planta, estimulaban el desarrollo del polen.

Crecimiento del tubo polínico en Orquídeas

Cocucci en (1973) en su búsqueda por comprender los procesos del crecimiento del tubo polínico en orquídeas y tomando como especie modelo Epidendrum scutella Lind, logro determinar que antes de la germinación del grano de polen, se da una asociación entre unas estructuras conocidas como cuerpos de electrones- densos y el tonoplasto de la célula. Esta unión es un precursor de los cuerpos membranosos concéntricos intravacuolares (ICMB). Aparentemente la formación de estas estructuras se da en dos etapas diferentes que hacen parte de un mismo proceso el cual culmina con la organización de un depósito de membrana. De esta manera, en el inicio de la germinación del tubo polínico la ICMB servirá para aumentar el área de superficie del tonoplasto y el plasmalema, evitando la perdida de energía y reduciendo el tiempo al momento de instalarse el tubo en su medio idóneo, o sea el estigma.

Las orquídeas se caracterizan por tener varias particularidades reproductivas, que posiblemente se originaron en función al aumento en el número de granos contenidos en las unidades de dispersión polínica (PDU), o sea la forma en que el grano de polen maduro se presenta para su dispersión, ya que de manera particular en orquídeas el polen puede ser entregado a la flor como un solo grano, en masa o como un polen compuesto. El polen en monada es la unidad que inicial que permite la transición de monada a polen en tétrada, las cuales finalmente por mecanismos citológicos serán combinadas generando los diferentes tipos de PDU, que pueden llegar a albergar cerca de 4.000.000 granos de polen en polinio (Schill et al.,1992).

Pacini 1990, describe un proceso típico de esta familia de Angiospermas que presenta una dispersión de polen en monada, conocido como hermomegatia.

8.1. La Hermomegatia: hace referencia a la pérdida y ganancia de agua de la célula vegetal polínica. El polen como una medida de protección a las condiciones ambientales, hace más lento su metabolismo generando una pérdida de agua antes de su dispersión para finalmente restaura su metabolismo completamente luego de la rehidratación en el estigma.

Dicho proceso es inadvertido para las unidades polínicas que dispersan miles de granos de polen. Esto se debe a que los dispositivos empleados para la hermomegatia (surcos que se ajustan a los cambios en el contenido de agua) se encuentren ausentes debido a la compactación de las tétradas. En las PDU más complejas la ausencia de un poro o surco en el polen maduro indica que el sitio para la aparición del tubo polínico se determina solo después de que el polen tiene contacto con la superficie estigmática Pandolfi y Pacini, 1995).

Según (Yeung, 1987) en organizaciones polínicas más complejas donde las tétradas muestran mayor nivel de compactación, la forma de estas tétradas (decusado, cuadrado, romboidal, en forma de T y lineal) suele ser un carácter relevante (Davis, 1966), ya que diferencias en cuanto a su morfología permiten un mayor o menor grado de unión en el polinio, lo que a su vez incide en la obtención de espacios intertetrada. Sin la formación de estos espacios sería prácticamente imposible la germinación del tubo polínico.

En orquídeas el grado de compactación del polen, es determinante en procesos como la germinación del tubo polínico. La sustancia que generalmente mantiene unidos los granos de polen dentro del polinio es conocida como elastoviscina, un tipo de material elástico conformado por lípidos que conllevan a la formación de un polímero Blackman y Yeung (1983). En el caso de las masulas donde las tétradas que la conforman suelen permanecer unidas hasta depositarse en un estigma receptivo, podría ser el caso de que una fuerte adhesión entre dichas tétradas resulte desfavorable para las emisiones del tubo polínico, debido a la falta crear espacios intertetrada (Pandolfi y Pacini, 1995). La cohesión de los granos de polen es muy variable dentro de Orchidaceae, por lo que se debe considerar este aspecto al momento de evaluar los procesos germinativos.

Algunos autores afirman que en el estigma receptivo de las orquídeas existe una sustancia azucarada que recibe a los polinios y permite que los granos de polen germinen, pero la mayoría de estos estudios desconocen las propiedades y composición biológica de dicha sustancia. Lo que sí está claro es que las superficies estigmáticas han evolucionada de manera simultánea para adaptarse a las diferentes unidades de dispersión polínica, por ejemplo es normal encontrar superficies estigmáticas planas o ligeramente convexas en especies con polinios sectiles, donde este órgano receptivo posee una cubierta adhesiva que facilita el arrastre del polen (Nilsson 1983).

De manera general el proceso de germinación polínica de orquídeas da inicio una vez que ocurre la polinización, de esta manera el polen germina y se forma un tubo polínico que crece hacia abajo por el interior de la columna del pistilo hacia el ovario, estimulando el desarrollo de los óvulos, que estarán receptivos para el momento en que el tubo polínico llegue a su proximidad, ocurre la fecundación y se inicia el desarrollo del embrión que tendrá como resultado el desarrollo de la semilla (Ackerman y Del Castillo, 1992). Sin embargo Von Kirchner 1922 citado por Sanfor et al., (1994) reporto dificultades para la germinación in vitro del polen de orquídeas. Von Kirchner resalta también la importancia de indagar de manera más profunda acerca de las condiciones que promueven la germinación del polen en las orquídeas. Pero hasta el momento no se ha encontrado suficiente literatura que sustente si en la activación de dichos procesos participan las mimas redes de comunicación y señalización celular, descritas en especies como A. thaliana.

Conclusiones

De acuerdo con la evidencia encontrada, durante la fecundación el tubo polínico interactúa con diversos tipos de células esporofíticas que apoyan su crecimiento y lo guían hacia la superficie ovular. De igual manera las células del gametofito femenino orientan el tubo y controlan la entrega de los gametos masculinos. Estos eventos conducen a cascadas de señalización y comunicación célula-célula, que se activan para maximizar el éxito reproductivo.

En el caso de la germinación polínica en orquídeas no se evidenciaron reportes que hiciera alusión a un tipo de molécula específica implícita en la señalización de dicho proceso, se creería que las vías de señalización que se activan en el proceso de fecundación descrita en las dicotiledóneas pudiera ser similares para aquellas subfamilias donde la dispersión polínica es en monada, sin embargo cuando la dispersión se realiza empleando agregados polínicos, es necesario profundizar en estudios bioquímicos y a nivel in vivo e in vitro, logrando una plena identificación de las redes de señalización celular.

El estudio de la reproducción sexual en orquídeas ha recibido poca atención, a pesar del enorme interés ecológico y ornamental de esta familia, ya que aún no está muy claro cuáles son los mecanismos celulares y moleculares que regulan las interacciones que se establecen entre el polen y el pistilo durante la fase progámica de estas plantas.

Debido a la diversidad de agregados polínicos que exhiben las orquídeas se hace necesario identificar el tipo de comunicación entre el grano de polen y las células estigmáticas glandulares, al momento da la recepción polínica. Identificar el tipo de estigma implícito en la recepción, será útil para comprender la señalización celular que induce a la germinación polínica, ya que dado el caso el proceso será mediado por secreciones liquidas o contrariamente por proteínas y ceras secretadas.

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Autor:

Adriana Paola Bonilla Sánchez

Bióloga, estudiante de Maestría en Ciencias Biológicas.

Universidad del Tolima, Ibagué – Colombia.