Las giberelinas son un grupo de fitohormonas de naturaleza diterpénica que realizan diversas funciones en las plantas relacionadas con el control de la elongación del hipocótilo , la germinación de semillas, la floración , etc. En el control de la mayoría de los procesos morfogenéticos, las giberelinas actúan en el mismo sentido que las auxinas y son antagonistas de citoquininas y ácido abscísico (ABA).
Las giberelinas activas más comunes son GA1, GA3, GA4 y GA7 (del ácido giberélico), mientras que GA5 y GA6 son menos activas, pero juegan un papel clave en la inducción de la floración dependiente de giberelinas en monocotiledóneas. Entre otras giberelinas, la mayoría son precursores en la biosíntesis de giberelinas activas o productos de su inactivación.
A diferencia de las auxinas, el criterio para asignar una sustancia al grupo de las giberelinas es más la correspondencia con una determinada estructura química que la presencia de actividad biológica. En plantas, hongos y bacterias se encontraron 136 sustancias diferentes, de estructura similar, que pertenecen al grupo de las giberelinas. Por lo tanto, las giberelinas son la clase más extensa de fitohormonas. Las giberelinas son derivados de ent-giberellan y son diterpenoides, sin embargo, ent - kaurene sirve como precursor de biosíntesis. Las giberelinas pueden tener una estructura tetracíclica o pentacíclica (un anillo de lactona adicional de cinco miembros ) y contener respectivamente 20 (giberelinas C 20 , por ejemplo HA 12 ) o 19 (giberelinas C 19 ) átomos de carbono. La mayoría de las giberelinas son ácidos y por lo tanto se adopta la designación GK (ácido giberélico) con un índice que indica el orden de apertura, por ejemplo GK 1 , GK 3 . El índice de ninguna manera refleja la proximidad de la estructura química o la posición en las rutas metabólicas. A pesar de la diversidad de giberelinas, varios compuestos (GK 4 , GK 1 , GK 7 , GK 3 ) tienen actividad biológica significativa, el resto son precursores de biosíntesis o formas inactivas. En el trabajo experimental, GK 3 se usa con mayor frecuencia . Las giberelinas son inestables y se destruyen rápidamente en un ambiente ácido o alcalino.
Las giberelinas fueron descubiertas por el científico japonés E. Kurosawa ( 1926 ) mientras estudiaba la enfermedad del arroz (crecimiento excesivo) causada por el hongo Gibberella fujikuroi Sow, que afecta a los cultivos de arroz y provoca una enfermedad específica en la que las plantas tienen entrenudos anormalmente alargados y baja producción de semillas. En 1935 , el científico japonés T. Yabuta aisló giberelinas de este hongo en forma cristalina y les dio su nombre actual.
En las plantas superiores, los tejidos de rápido crecimiento son más ricos en giberelinas; se encuentran en semillas y frutos inmaduros, plántulas, cotiledones y hojas en desarrollo .
El sitio principal de síntesis de giberelinas en la planta son los primordios foliares y las hojas jóvenes. Hay tres pasos principales en la biosíntesis de las giberelinas:
En Arabidopsis y arroz, cada una de las enzimas que catalizan las primeras etapas de la biosíntesis de giberelinas está codificada por uno o dos genes: por ejemplo, el genoma de Arabidopsis contiene un gen que codifica las enzimas CPS, KS y KO. La pérdida de la función de estos genes en los mutantes ga1, ga2 y ga3, respectivamente, conduce a una reducción importante en el nivel de giberelinas y al desarrollo de un fenotipo típico de mutantes deficientes en giberelinas: estos son enanos con baja fecundidad; sin la adición de giberelinas exógenas, sus semillas tienen baja germinación y las plantas adultas no forman pedúnculo. Al mismo tiempo, las enzimas 2ODD, que actúan en la última etapa de la biosíntesis de giberelinas, están codificadas por grandes familias multigénicas cuyos miembros tienen patrones de expresión específicos de tejidos y órganos y también están reguladas de manera diferente según las condiciones externas y la etapa de la ontogenia. Las mutaciones con pérdida de función de cualquiera de estos genes tienen una expresión fenotípica más débil.
Las principales vías de inactivación de las giberelinas son la 2β-hidroxilación por GA-2-oxidasas; epoxidación con una enzima del grupo de las monooxigenasas del citocromo P450 EUI (Elongated Uppermost Entrenode, llamado así por el fenotipo de un mutante con pérdida de función del gen correspondiente) y metilación utilizando S-adenosil-metionina como donante de grupos metilo - esta reacción es catalizada por las enzimas GAMT1 y GAMT2 (GA metil transferasa). Aparentemente, todas estas vías de inactivación son igualmente importantes en la regulación del pool de giberelinas activas en la planta, ya que la pérdida de función de cualquiera de los genes enumerados en mutantes eui, gamt1 y gamt2, así como en plantas transgénicas con cosupresión de los genes GA2ox, conduce a un aumento de diez veces en la concentración de giberelinas activas. Además, existe una vía poco estudiada para la inactivación de las giberelinas a través de la formación de conjugados con glucosa, ésteres de GA-glucosilo.
El último paso de la biosíntesis, la síntesis de giberelinas activas a partir de GA12, juega un papel clave en el control del nivel de giberelinas activas en la planta. De hecho, un aumento en el nivel de expresión del gen GA20ox en plantas transgénicas de Arabidopsis provoca un fuerte aumento en el nivel de giberelinas en los tejidos y cambios fenotípicos graves, mientras que la sobreexpresión del gen AtCPS conduce únicamente a la acumulación de ent-kaurene, ent -ácido kaurénico y GA12. En este sentido, la principal forma de regular la concentración de giberelinas activas en los tejidos vegetales es controlar la expresión de genes que codifican enzimas de la familia 2ODD, varios representantes de los cuales catalizan reacciones de activación de giberelinas (síntesis de GA1, GA3, GA4 y GA7 a partir de GA12, que es catalizada por GA-3 y GA-20-oxidasas), así como sus reacciones de inactivación (2β-hidroxilación de GA1, GA3, GA4 y GA7, que es catalizada por GA-2-oxidasas). En la actualidad se han estudiado los mecanismos genéticos de regulación del nivel de expresión de los genes 2ODD en diversos órganos vegetales, así como en función de determinados factores ambientales.
regulación del producto final . La regulación de su biosíntesis por el producto final juega un papel importante en el mantenimiento de la homeostasis de las giberelinas. Por ejemplo, en Arabidopsis, un aumento en la concentración de giberelinas activas provoca la transcripción de los genes AtGA20ox y AtGA3ox, mientras que una disminución en su concentración aumenta el nivel de expresión de los mismos genes. Por otro lado, las giberelinas activas regulan positivamente el nivel de expresión de los genes AtGA2ox implicados en su inactivación. Se desconocen los mecanismos exactos que subyacen a la regulación de la expresión de los genes anteriores en función de la concentración de giberelinas activas, pero se ha demostrado que en este proceso están implicados componentes de la vía de transducción de señales de giberelinas: el receptor GID1, los represores de señalización de giberelinas DELLA proteínas, proteína que contiene caja F SLY/GID2.
Regulación por otras hormonas. En el control del desarrollo de las plantas, las giberelinas son antagonistas de las citoquininas, el etileno y el ABA y actúan en la misma dirección que las auxinas. Para algunos grupos de fitohormonas se ha establecido la capacidad de regular la concentración de giberelinas activas mediante el control de la expresión del gen 2ODD. Por ejemplo, las auxinas, que realizan funciones similares a las giberelinas, pueden regular la concentración de giberelinas activas regulando positivamente el nivel de expresión de los genes GA3ox y regulando negativamente la expresión de los genes GA2ox. El papel principal en el control dependiente de auxina de la concentración de giberelinas activas lo desempeña el factor de transcripción NPH4/ARF7, que regula la expresión de los genes 2ODD al unirse directamente a sus promotores. El antagonista de NPH4/ARF7 en este proceso es el represor transcripcional MSG2/IAA19.
Regulación de la concentración de giberelinas en diversos órganos vegetales. Además de la regulación de la expresión del gen 2ODD en función de la concentración de giberelinas activas y otras hormonas, también existen mecanismos para regular su expresión en diversos órganos de la planta; Algunos:
La vía de transducción de señales en respuesta a las giberelinas incluye cuatro componentes principales:
En ausencia de giberelinas, los represores de la transcripción DELLA se unen a los promotores de los genes regulados por giberelinas, y las glucosamina transferasas SPY/SEC estabilizan las proteínas DELLA. Cuando la molécula de giberelina se une al receptor GID1, se induce su interacción con la proteína DELLA y la proteína SLY/GID2 que contiene la caja F. Como resultado, la proteína DELLA se une al complejo de ubiquitina ligasa SCF SLY/GID2 , que estimula su proteólisis dependiente de ubiquitina. El factor de transcripción GAMYB se une a los promotores de los genes regulados por giberelinas, lo que desencadena su expresión.
Las proteínas DELLA son represores de la respuesta a giberelinas. Los represores transcripcionales de la familia DELLA fueron los primeros componentes de la vía de transducción de señales de giberelinas que se descubrieron. Se encontró que la respuesta de las plantas a las giberelinas depende de la degradación de las proteínas DELLA, las cuales, en ausencia de señal, se asocian constitutivamente con promotores de genes regulados por giberelinas. Los mutantes con pérdida de la función de los genes que codifican las proteínas DELLA tienen una mayor sensibilidad a las giberelinas, por el contrario, los mutantes con un aumento de sus funciones y las plantas transgénicas con sobreexpresión de los genes de la proteína DELLA son enanos.
Las proteínas DELLA son una pequeña subfamilia de proteínas que pertenecen a la familia GRAS (de GA1, RGA, SCARECROW), que también incluye los factores de transcripción SCARECROW y SHORT-ROOT involucrados en el mantenimiento de las células madre del meristemo apical de la raíz y la formación de su estructura radial. . Las moléculas de proteína DELLA incluyen un dominio de unión a ADN GRAS en el extremo C-terminal y un dominio DELLA único para esta subfamilia en el extremo N-terminal, que se requiere para la interacción con el receptor GID1 y la caja F que contiene la proteína SLY1/GID2. Las mutaciones en el dominio GRAS conducen a la pérdida de la función de las proteínas DELLA y mejoran la respuesta a la giberelina. Al mismo tiempo, una deletina en el dominio DELLA provoca la acumulación de proteínas DELLA y la represión constitutiva de la señalización de giberelinas.
La proteína GID1 es el receptor de las giberelinas . En su secuencia y estructura, el receptor GID1 pertenece a la familia de las lipasas sensibles a hormonas, pero no tiene actividad enzimática. El receptor GID1 activado interactúa con las proteínas DELLA. Como resultado, la conformación de la proteína DELLA cambia, lo que hace posible unirle el componente clave del complejo de ubiquitina ligasa SCF, la proteína SLY/GID2 que contiene la caja F. Esta interacción estimula la ubiquitinación de las proteínas DELLA por el complejo SCF SLY/GID2 , seguida de su degradación por el proteasoma 26S, suprimiendo así la respuesta a las giberelinas.
Los componentes del complejo de ubiquitina ligasa en SCF (Scp1-Cullin-F-box) incluyen cuatro proteínas con diferentes funciones; la proteína que contiene la caja F es responsable de unirles las proteínas diana.
Factores de transcripción dependientes de giberelinas GAMYB. Pertenecen a la familia de factores de transcripción MYB, actúan en la transducción de señales de giberelinas aguas abajo de las proteínas DELLA y regulan positivamente la transcripción de genes dependientes de giberelinas. El primero de los factores de transcripción identificados de este grupo fue el factor de transcripción de cebada GAMYB1, que actúa en la capa de aleurona del endospermo y regula positivamente la expresión de genes de α-amilasa dependientes de giberelinas. Posteriormente, se encontró que en cebada, arabidopsis y arroz, los factores de transcripción del grupo GAMYB también están involucrados en el control de la floración dependiente de giberelinas y el desarrollo de los órganos florales. Por ejemplo, en Arabidopsis, el objetivo directo de una de las proteínas GAMYB, GAMYB33, es el gen de identidad de órganos florales LEAFY; Se requiere la activación de otra proteína GAMYB, GLABRUS1, para el desarrollo de tricomas dependientes de giberelinas.
Otros componentes de transducción de señales conocidos son las giberelinas . Entre los reguladores negativos de la transducción de señales de giberelina en Arabidopsis se encuentran las proteínas SPY (SPINDLY) y SEC (SECRET AGENT), que pertenecen a la familia de las N-acetilglucosamina transferasas. Las mutaciones con pérdida de función de los genes correspondientes dan lugar a fenocopias de plantas tratadas con giberelinas.
La supuesta función de las proteínas SPY y SEC es la estabilización de las proteínas DELLA a través de su modificación postraduccional.
Genes regulados por giberelinas
Se han encontrado más de 500 genes regulados por giberelinas en el genoma de Arabidopsis, la mitad de los cuales están directamente regulados por giberelinas, a través de la degradación de las proteínas DELLA y la adición de factores de transcripción GAMYB. Éstos incluyen:
Entre las funciones más conocidas de las giberelinas se encuentran el control de la germinación de las semillas, el crecimiento de la longitud del tallo, la transición a la floración y el desarrollo de los órganos florales. En la actualidad se han estudiado los mecanismos moleculares de realización de estas funciones, todos ellos asociados a la degradación de proteínas DELLA mediada por el receptor GID1.
La maduración de la semilla está asociada con la acumulación de nutrientes en el embrión y el endospermo. Durante la germinación, las macromoléculas de reserva del endospermo son lisadas por varias enzimas hidrolíticas. La función principal en la hidrólisis del almidón en el endospermo la realizan las α- y β-amilasas: las α-amilasas hidrolizan el almidón a oligosacáridos, que luego se convierten en maltosa utilizando las β-amilasas [1] .
Los genes de la α-amilasa fueron los primeros genes controlados directamente por el factor de transcripción GAMYB dependiente de giberelina. Por lo tanto, las giberelinas secretadas por el embrión desencadenan la expresión de genes de α-amilasa en la capa de aleurona, lo que conduce a la lisis de los gránulos de almidón del endospermo y proporciona nutrientes a la plántula joven.
El tratamiento de plantas con giberelinas estimula la proliferación de células internodales y su crecimiento por extensión. El aumento dependiente de giberelinas en la frecuencia de las mitosis se ve más claramente en las regiones subapical del brote durante la transición a la floración en plantas de roseta de un día largo, así como en los meristemos intercalares del arroz que crece en aguas profundas. Al mismo tiempo, en el meristemo apical del brote, las giberelinas realizan una función estrictamente opuesta: inhiben la proliferación y estimulan la diferenciación celular, lo que hace que sea importante para el desarrollo normal de la planta mantener una concentración constitutivamente baja de giberelinas en SAM. Por lo tanto, las giberelinas pueden realizar funciones opuestas al controlar el desarrollo de diferentes meristemas.
Según numerosos estudios, existen cuatro formas principales de regular la floración: la vía de los días largos, que es la responsable de la transición a la floración con un aumento de la duración del período de luz; un camino autónomo que controla la floración tanto en días largos como cortos; una vía de vernalización que desencadena la floración después de un breve período de bajas temperaturas; y la vía dependiente de giberelinas, que es más importante para la transición a la floración en condiciones de días cortos.
Todas estas vías pueden interactuar entre sí, por ejemplo, en Arabidopsis, que puede florecer tanto con días largos como cortos. Debido a un debilitamiento de la vía dependiente de giberelinas para controlar la floración, los mutantes ga deficientes en giberelinas de Arabidopsis no florecen en absoluto en condiciones de días cortos y también muestran un retraso en la floración en condiciones de días largos.
El control de la floración dependiente de giberelinas se basa en la regulación positiva de la expresión de genes que desempeñan un papel clave en la integración de los procesos de floración: el inductor de la expresión de genes de flores homeóticas - el gen LEAFY (LFY), el principal iniciador de floración - el gen FLOWERING LOCUS T (FT) y su diana - el gen SUPRESOR DE SOBREEXPRESIÓN DE CONSTANTES 1 (SOC1).
Se encontró una secuencia de unión a GAMYB en el promotor del gen LFY, con el que interactúa directamente el factor de transcripción GAMYB33. Las mutaciones en la secuencia de unión a GAMYB hacen que sea imposible aumentar el nivel de expresión de LFY en condiciones de días cortos. Al mismo tiempo, la transformación de mutantes ga deficientes en giberelina con el gen LFY bajo el promotor constitutivo desencadena su floración en un día corto.
En las plantas de día largo, el papel de las giberelinas en el control de la floración es menos conocido. En estas plantas, un aumento en la duración del período de luz estimula el crecimiento del tallo en longitud (esto es especialmente notable en las plantas de roseta), seguido de la inducción de la floración. Aparentemente, la razón de esto es un aumento dependiente de fitocromos en el nivel de expresión de los genes GA20ox, lo que conduce a un aumento en la concentración de giberelinas libres en los brotes. En Arabidopsis se demostró que un aumento en la concentración de giberelinas en las hojas conduce a un aumento en la expresión del gen FT, que codifica la proteína florígena, que se sintetiza en las hojas y posteriormente se traslada al SAM. Desafortunadamente, los mecanismos moleculares del efecto de las giberelinas sobre la expresión de FT aún no se han dilucidado.
Así, las funciones de las giberelinas están asociadas a la estimulación del desarrollo vegetativo de las plantas (germinación, crecimiento del tallo en longitud) y del desarrollo generativo (transición a la floración). Las giberelinas actúan en la misma dirección que las auxinas y se estimulan mutuamente la biosíntesis y la transducción de señales; además, sus sistemas de recepción de transducción de señales están organizados de acuerdo con el mismo plan (los receptores interactúan con los componentes de los complejos de ubiquitina ligasa E3 e inducen la proteólisis de los represores transcripcionales). Las citoquininas y ABA, por el contrario, son antagonistas de las giberelinas.
Las giberelinas se obtienen principalmente microbiológicamente de los productos de desecho de hongos del género Fusarium .
Las giberelinas se utilizan en la producción de cultivos para aumentar el rendimiento de la fibra de cáñamo y lino , para aumentar el tamaño de las bayas en las variedades de uva sin semillas , para aumentar el rendimiento de las hierbas, estimular la latencia de la germinación de las semillas, aumenta el contenido de giberelinas endógenas), etc. las giberelinas provocan una fuerte aceleración en el crecimiento de la masa verde de las plantas, su uso debe ir acompañado de una mayor nutrición de las plantas.
Para acelerar la maduración de tomates, cerezas, manzanas, así como para evitar el encamado de cultivos de cereales, las plantas se tratan con sustancias retardantes que inhiben la acción de las giberelinas, por ejemplo, ácido 2-cloroetilfosfónico (etefón).