Las células de guarda son células vegetales especializadas que se encuentran en la epidermis de las hojas, los tallos y otros órganos y que se utilizan para controlar el intercambio de gases. Se producen en pares con un espacio entre ellas que forma un poro estomático . Los poros estomáticos son más grandes cuando el agua está libremente disponible y las células de guarda se vuelven turgentes , y se cierran cuando la disponibilidad de agua es críticamente baja y las células de guarda se vuelven flácidas. La fotosíntesis depende de la difusión del dióxido de carbono (CO 2 ) desde el aire a través de los estomas hacia los tejidos del mesófilo . El oxígeno (O 2 ), producido como subproducto de la fotosíntesis, sale de la planta a través de los estomas. Cuando los estomas están abiertos, el agua se pierde por evaporación y debe reemplazarse a través de la corriente de transpiración , con agua absorbida por las raíces. Las plantas deben equilibrar la cantidad de CO2 absorbido del aire con la pérdida de agua a través de los poros estomáticos, y esto se logra mediante el control activo y pasivo de la presión de turgencia de las células oclusivas y el tamaño de los poros estomáticos. [1] [2] [3] [4]
Las células de guarda son células que rodean cada estoma . Ayudan a regular la tasa de transpiración abriendo y cerrando los estomas. La luz es el principal desencadenante de la apertura o el cierre. Cada célula de guarda tiene una cutícula relativamente gruesa y otra más delgada en el lado del poro y una delgada en el lado opuesto. A medida que el agua ingresa a la célula, el lado delgado se abulta hacia afuera como un globo y arrastra al lado grueso junto con él, formando una medialuna; las medialunas combinadas forman la apertura del poro.
Las células de guarda contienen proteínas fototropinas que son serina y treonina quinasas con actividad fotorreceptora de luz azul. Las fototrofinas contienen dos dominios de sensor de luz, oxígeno y voltaje (LOV), y son parte de la superfamilia de dominios PAS . [5] Las fototropinas desencadenan muchas respuestas como el fototropismo, el movimiento de cloroplastos y la expansión de las hojas, así como la apertura de los estomas. [5] No se sabía mucho sobre cómo funcionaban estos fotorreceptores antes de alrededor de 1998. El mecanismo por el cual funcionan las fototropinas se dilucidó a través de experimentos con habas ( Vicia faba ). La inmunodetección y el lejano western blotting mostraron que la luz azul excita la fototropina 1 y la fototropina 2, lo que hace que la proteína fosfatasa 1 comience una cascada de fosforilación, que activa la H + -ATPasa, una bomba responsable de bombear iones H + fuera de la célula. [3] La H + -ATPasa fosforilada permite la unión de una proteína 14-3-3 a un dominio autoinhibitorio de la H + -ATPasa en el extremo C. [6] Luego, la serina y la treonina se fosforilan dentro de la proteína, lo que induce la actividad de la H + -ATPasa. [5] El mismo experimento también encontró que tras la fosforilación, una proteína 14-3-3 se unía a las fototropinas antes de que la H + -ATPasa hubiera sido fosforilada. [5] En un experimento similar, concluyeron que la unión de la proteína 14-3-3 al sitio de fosforilación es esencial para la activación de la actividad de la H+-ATPasa de la membrana plasmática . [ 6] Esto se hizo añadiendo fosfopéptidos como P-950, que inhibe la unión de la proteína 14-3-3, a la H + -ATPasa fosforilada y observando la secuencia de aminoácidos. A medida que se bombean los protones, se forma un potencial eléctrico negativo a través de la membrana plasmática. Esta hiperpolarización de la membrana permite la acumulación de iones de potasio (K + ) y de cloruro (Cl− ) cargados , lo que a su vez aumenta la concentración de soluto y hace que disminuya el potencial hídrico. El potencial hídrico negativo permite que se produzca ósmosis en la célula oclusiva, de modo que el agua entra y permite que la célula se vuelva turgente. [ cita requerida ]
La apertura y el cierre del poro estomático están mediados por cambios en la presión de turgencia de las dos células de guarda. La presión de turgencia de las células de guarda está controlada por los movimientos de grandes cantidades de iones y azúcares dentro y fuera de las células de guarda. Las células de guarda tienen paredes celulares de grosor variable (su región interna, adyacente al poro estomático es más gruesa y altamente cutinizada [7] ) y microfibras de celulosa orientadas de manera diferente, lo que hace que se doblen hacia afuera cuando están turgentes, lo que a su vez hace que los estomas se abran. Los estomas se cierran cuando hay una pérdida osmótica de agua, que ocurre por la pérdida de K + a las células vecinas, principalmente iones de potasio (K + ). [8] [9] [10]
El estrés hídrico (sequía y estrés salino) es uno de los principales problemas ambientales que causa graves pérdidas en la agricultura y en la naturaleza. La tolerancia a la sequía de las plantas está mediada por varios mecanismos que trabajan juntos, incluyendo la estabilización y protección de la planta del daño causado por la desecación y también el control de la cantidad de agua que las plantas pierden a través de los poros estomáticos durante la sequía. Una hormona vegetal, el ácido abscísico (ABA), se produce en respuesta a la sequía. Se ha identificado un tipo importante de receptor ABA. [11] [12] La hormona vegetal ABA hace que los poros estomáticos se cierren en respuesta a la sequía, lo que reduce la pérdida de agua de la planta a través de la transpiración a la atmósfera y permite que las plantas eviten o desaceleren la pérdida de agua durante las sequías. El uso de plantas de cultivo tolerantes a la sequía conduciría a una reducción de las pérdidas de cultivos durante las sequías. [ cita requerida ] Dado que las células de guarda controlan la pérdida de agua de las plantas, la investigación sobre cómo se regula la apertura y el cierre de los estomas podría conducir al desarrollo de plantas con una mejor prevención o desaceleración de la desecación y una mejor eficiencia en el uso del agua . [1]
El ABA es el detonante del cierre de la abertura estomática. Para ello, activa la liberación de aniones y de iones de potasio. Esta entrada de aniones provoca una despolarización de la membrana plasmática. Esta despolarización hace que los iones de potasio plus de la célula abandonen la célula debido al desequilibrio del potencial de membrana. Este cambio repentino en las concentraciones de iones hace que la célula oclusiva se encoja, lo que hace que los estomas se cierren, lo que a su vez disminuye la cantidad de agua perdida. Todo esto es una reacción en cadena según su investigación. El aumento de ABA hace que haya un aumento de la concentración de iones de calcio. Aunque al principio pensaron que era una coincidencia, más tarde descubrieron que este aumento de calcio es importante. Descubrieron que los iones Ca2+ participan en la activación del canal aniónico, lo que permite que los aniones fluyan hacia la célula oclusiva. También participan en la prohibición de que la ATPasa de protones corrija y detenga la despolarización de la membrana. Para apoyar su hipótesis de que el calcio era responsable de todos estos cambios en la célula, hicieron un experimento en el que utilizaron proteínas que inhibían la producción de iones de calcio. Si su suposición de que el calcio es importante en estos procesos era cierta, con los inhibidores observaron menos de lo siguiente. Su suposición era correcta y cuando se utilizaron los inhibidores vieron que la ATPasa de protones funcionaba mejor para equilibrar la despolarización. También descubrieron que el flujo de aniones hacia las células de guarda no era tan fuerte. Esto es importante para que los iones fluyan hacia la célula de guarda. Estas dos cosas son cruciales para hacer que la abertura estomática se cierre y evitar la pérdida de agua para la planta. [13]
La captación de iones en las células oclusivas provoca la apertura de los estomas: La apertura de los poros de intercambio de gases requiere la captación de iones de potasio en las células oclusivas. Se han identificado canales y bombas de potasio y se ha demostrado que funcionan en la captación de iones y la apertura de las aberturas estomáticas. [1] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] La liberación de iones de las células oclusivas provoca el cierre de los poros estomáticos: Se han identificado otros canales iónicos que median la liberación de iones de las células oclusivas, lo que da como resultado el eflujo de agua osmótica de las células oclusivas debido a la ósmosis , la contracción de las células oclusivas y el cierre de los poros estomáticos (Figuras 1 y 2). Los canales de eflujo de potasio especializados participan en la mediación de la liberación de potasio de las células oclusivas. [16] [21] [22] [23] [24] Los canales de aniones se identificaron como controladores importantes del cierre estomático. [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] Los canales aniónicos tienen varias funciones importantes en el control del cierre estomático: [26] (a) Permiten la liberación de aniones, como cloruro y malato de las células de guarda, que es necesario para el cierre estomático. (b) Los canales aniónicos se activan por señales que causan el cierre estomático, por ejemplo, por calcio intracelular y ABA. [26] [29] [32] La liberación resultante de aniones cargados negativamente de las células de guarda da como resultado un cambio eléctrico de la membrana a voltajes más positivos ( despolarización ) en la superficie intracelular de la membrana plasmática de la célula de guarda . Esta despolarización eléctrica de las células de guarda conduce a la activación de los canales de potasio externos y la liberación de potasio a través de estos canales. Se han caracterizado al menos dos tipos principales de canales aniónicos en la membrana plasmática: canales aniónicos de tipo S y canales aniónicos de tipo R. [25] [26 ] [28] [33]
Las vacuolas son grandes orgánulos de almacenamiento intracelular en las células vegetales. Además de los canales iónicos en la membrana plasmática, los canales iónicos vacuolares tienen funciones importantes en la regulación de la apertura y el cierre de los estomas porque las vacuolas pueden ocupar hasta el 90% del volumen de la célula oclusiva. Por lo tanto, la mayoría de los iones se liberan de las vacuolas cuando los estomas están cerrados. [34] Los canales vasculares K + (VK) y los canales vacuolares rápidos pueden mediar la liberación de K + de las vacuolas. [35] [36] [37] Los canales vacuolares K + (VK) se activan por la elevación de la concentración intracelular de calcio. [35] Otro tipo de canal activado por calcio es el canal vacuolar lento (SV). [38] Se ha demostrado que los canales SV funcionan como canales de cationes que son permeables a los iones Ca2 + , [35] pero aún no se conocen sus funciones exactas en las plantas. [39]
Las células de guarda controlan el intercambio de gases e iones mediante la apertura y el cierre. K+ es un ion que fluye tanto dentro como fuera de la célula, lo que provoca el desarrollo de una carga positiva. El malato es uno de los principales aniones utilizados para contrarrestar esta carga positiva, y se mueve a través del canal iónico AtALMT6. [40] AtALMT6 es un transportador de malato activado por aluminio que se encuentra en las células de guarda, específicamente en las vacuolas. Se descubrió que este canal de transporte causa una entrada o salida de malato dependiendo de las concentraciones de calcio. [40] En un estudio de Meyer et al, se realizaron experimentos de fijación de parche en vacuolas de mesófilo de arabidopsis rdr6-11 (WT) y arabidopsis que sobreexpresaban AtALMT6-GFP. [40] Se descubrió a partir de estos experimentos que en el WT solo había pequeñas corrientes cuando se introducían iones de calcio, mientras que en el mutante AtALMT6-GFP se observó una enorme corriente rectificadora de entrada. [40] Cuando se elimina el transportador de las vacuolas de las células de guarda, se produce una reducción significativa de la corriente de flujo de malato. La corriente pasa de ser una corriente de entrada enorme a no ser muy diferente de la del tipo salvaje, y Meyer et al. plantearon la hipótesis de que esto se debe a las concentraciones residuales de malato en la vacuola. [40] También hay una respuesta similar a la sequía en los mutantes knockout que en el tipo salvaje. No se observó ninguna diferencia fenotípica entre los mutantes knockout, el tipo salvaje o los mutantes AtALMT6-GFP, y la causa exacta de esto no se conoce por completo. [40]
Las células de guarda perciben y procesan estímulos ambientales y endógenos como la luz, la humedad, la concentración de CO2 , la temperatura, la sequía y las hormonas vegetales para desencadenar respuestas celulares que resultan en la apertura o cierre de los estomas. Estas vías de transducción de señales determinan, por ejemplo, la rapidez con la que una planta perderá agua durante un período de sequía. Las células de guarda se han convertido en un modelo para la señalización de una sola célula. Usando Arabidopsis thaliana , la investigación del procesamiento de señales en células de guarda individuales se ha abierto al poder de la genética . [29] Se han identificado proteínas citosólicas y nucleares y mensajeros químicos que funcionan en los movimientos estomáticos que median la transducción de señales ambientales, controlando así la entrada de CO2 en las plantas y la pérdida de agua de las plantas. [1] [2] [3] [4] La investigación sobre los mecanismos de transducción de señales de las células de guarda está produciendo una comprensión de cómo las plantas pueden mejorar su respuesta al estrés por sequía al reducir la pérdida de agua de la planta. [1] [41] [42] Las células de guarda también proporcionan un modelo excelente para estudios básicos sobre cómo una célula integra numerosos tipos de señales de entrada para producir una respuesta (apertura o cierre estomático). Estas respuestas requieren la coordinación de numerosos procesos biológicos celulares en las células de guarda, entre los que se incluyen la recepción de señales, la regulación de los canales y las bombas iónicas, el tráfico de membranas , la transcripción , los reordenamientos del citoesqueleto y más. Un desafío para la investigación futura es asignar las funciones de algunas de las proteínas identificadas a estos diversos procesos biológicos celulares. [ cita requerida ]
Durante el desarrollo de las hojas de las plantas, las células de guarda especializadas se diferencian de las "células madre de guarda". [43] [44] La densidad de los poros estomáticos en las hojas está regulada por señales ambientales, incluyendo el aumento de la concentración atmosférica de CO2 , que reduce la densidad de los poros estomáticos en la superficie de las hojas en muchas especies de plantas por mecanismos actualmente desconocidos. La genética del desarrollo estomático se puede estudiar directamente mediante imágenes de la epidermis de la hoja utilizando un microscopio. Se han identificado varias proteínas de control importantes que funcionan en una vía que media el desarrollo de las células de guarda y los poros estomáticos. [35] [44]