En biología del desarrollo, la fotomorfogénesis son los procesos que ocurren en una planta bajo la influencia de la luz de diferente composición e intensidad espectral. La fotomorfogénesis de las plantas generalmente se investiga utilizando fuentes de luz de espectro controlado.
La luz juega un papel extremadamente importante en el desarrollo de las plantas. Los cambios en la morfología de las plantas bajo la influencia de la radiación de luz se denominan fotomorfogénesis. Luego de que la semilla germina a través de la tierra, los primeros rayos del sol provocan un cambio radical en la nueva planta.
Se sabe que bajo la influencia de la luz roja se activa el proceso de germinación de semillas, y bajo la influencia de la luz roja lejana se suprime. La luz azul también inhibe la germinación. Tal reacción es característica de las especies con semillas pequeñas, ya que las semillas pequeñas no tienen un suministro suficiente de nutrientes para asegurar el crecimiento en la oscuridad al atravesar la tierra. Las semillas pequeñas germinan solo bajo la influencia de la luz roja transmitida por una capa delgada de tierra, y solo es suficiente una exposición a corto plazo: 5-10 minutos al día. El aumento del espesor de la capa del suelo conduce a un enriquecimiento del espectro con luz roja lejana , lo que inhibe la germinación de las semillas. En especies de plantas con semillas grandes que contienen un suministro suficiente de nutrientes, no se requiere luz para inducir la germinación.
Normalmente, una raíz brota primero de una semilla, y luego aparece un brote . Después de eso, a medida que crece el brote (generalmente bajo la influencia de la luz), se desarrollan raíces secundarias y brotes. Tal progreso coordinado es una manifestación temprana del fenómeno del crecimiento interconectado, cuando el desarrollo del sistema de raíces afecta el crecimiento del brote y viceversa. En mayor medida, estos procesos están controlados por hormonas.
En ausencia de luz, el germen se encuentra en el llamado estado etiolado, mientras que presenta un aspecto pálido y una forma ganchuda. El anzuelo es un epicótilo o hipocótilo expuesto , necesario para proteger el punto de crecimiento cuando germina a través del suelo, y permanecerá si el crecimiento continúa en la oscuridad.
Estado etiolado:
Estado desetilado:
La reestructuración de procesos en cultivos etiolados ocurre bajo la influencia de la luz. Por lo general, las plantas son sensibles a las longitudes de onda de la luz en las regiones azul, roja y roja lejana del espectro, y se activa uno u otro sistema de fotosensor. Los fotorreceptores sensibles a los rayos rojo y rojo lejano se denominan fitocromos. También hay al menos 5 tipos de fotorreceptores que son sensibles a la luz azul.
El fitocromo permite que la planta responda a la exposición a los rayos rojo y rojo lejano.
Los fitocromos son compuestos proteicos que contienen un pigmento (cromóforo).
El cromóforo es un tetrapirrol lineal llamado fitocromomobilina .
La apoproteína fitocromo se sintetiza en forma de FK (rojo fitocromo). En el proceso de unión del cromóforo, la holoproteína se vuelve sensible a la luz. Bajo la influencia de la luz roja, se convierte en una forma biológicamente activa Fdk (fitocromo rojo lejano). La forma Fdk bajo la influencia de la luz roja lejana vuelve a entrar en el estado Fk.
Los genes de la mayoría de las plantas permiten la síntesis de varias variedades de fitocromos. Diferentes fitocromos responden a diferentes influencias, pero, a pesar de esto, en ausencia de un fitocromo, otro puede realizar sus funciones, por lo que el sistema de fotorreceptores de la planta tiene un cierto grado de redundancia.
Arabidobsis tiene 5 fitocromos: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE.
El análisis molecular de fitocromos y genes similares a fitocromos en plantas superiores (helechos, musgos, algas) y bacterias fotosintéticas ha demostrado que los fotocromos se derivan de los fotorreceptores de procariotas , precursores de plantas.
Las plantas tienen varios fotorreceptores que son sensibles a la parte azul del espectro (b-fotorreceptores), que realizan funciones completamente diferentes a las de los fotorreceptores de la parte roja del espectro.
Sobre la base de los resultados de los experimentos con el espectro de acción, los mutantes y el análisis molecular, se demostró que las plantas superiores tienen al menos 4, y posiblemente 5, b-fotorreceptores diferentes.
Los primeros receptores b, cuya presencia se pudo determinar en muchos organismos, fueron los criptocromos . Estas proteínas contienen cromóforos del grupo de las flavinas . Los criptocromos se aislaron de la fotoliasa de ADN microbiano , una enzima diseñada para reparar una molécula de ADN dañada por la radiación ultravioleta.
También se han encontrado criptocromos en plantas. Controlan el alargamiento del tallo, el crecimiento de las hojas, los ritmos circadianos y la floración.
Además de la luz azul, los criptocromos también perciben el ultravioleta cercano (UV-A).
El fototropismo de las plantas está controlado por el fotorreceptor fototropina. También contiene flavina como cromóforo. Actualmente solo se conoce una fototropina, NPH1. Además de la luz azul, la fototropina también percibe el ultravioleta cercano (UV-A).
Experimentos recientes han demostrado que el cuarto fotorreceptor b contiene un cromóforo basado en carotenoide . Este fotorreceptor controla la apertura de los estomas , sin embargo, el gen y la proteína correspondientes aún no han sido identificados.
Las restantes reacciones a la radiación en la parte azul del espectro, que no se pueden reducir a la reacción de criptocromo, fototropina y carotenoides, testifican a favor de la existencia de otro receptor.
Inmediatamente después del descubrimiento de los criptocromos en las plantas, varios laboratorios encontraron genes homólogos y fotorreceptores en varios otros organismos, incluidos humanos, ratones y dípteros. Parece que en los mamíferos y los dípteros, los criptocromos están involucrados en los mecanismos del reloj biológico.
Sobre la base de experimentos con radiación UV, se ha demostrado la presencia de fotorreceptores UV.