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Embriogénesis

En las plantas, el término embriogénesis cubre el desarrollo desde el momento de la fertilización hasta que se produce la latencia. El plan corporal básico del esporófito se establece durante la embriogénesis; sin embargo, este plan se reitera y se elabora después de romper la latencia. Los principales retos de la embriogénesis son

Establecer el plan corporal básico. El patrón radial produce tres sistemas de tejidos, y el patrón axial establece el eje apical-basal (brote-raíz).

Reservar el tejido meristemático para la elaboración postembrionaria de la estructura corporal (hojas, raíces, flores, etc.).

Establecer una reserva de alimento accesible para el embrión en germinación hasta que se convierta en autotrófico.

La embriogénesis es similar en todas las angiospermas en cuanto al establecimiento del plan corporal básico (Steeves y Sussex 1989) (ver Figura 20.15). Sin embargo, existen diferencias en la elaboración del patrón, incluyendo diferencias en la precisión de los patrones de división celular, el grado de desarrollo del endospermo, el desarrollo del cotiledón y el grado de desarrollo del meristemo del brote (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figura 20.15

Embriogénesis de angiospermas. Se muestra una dicotiledónea representativa; una monocotiledónea desarrollaría un solo cotiledón. Aunque existen patrones básicos de embriogénesis en las angiospermas, hay una enorme variación morfológica entre las especies.

La polaridad se establece en la primera división celular tras la fecundación. El establecimiento de la polaridad se ha investigado utilizando algas pardas como sistema modelo (Belanger y Quatrano 2000). Los cigotos de estas plantas son independientes de otros tejidos y se pueden manipular. La división celular inicial da lugar a una célula más pequeña, que formará el rizoide (homólogo de la raíz) y anclará el resto de la planta, y a una célula más grande, que dará lugar al talo (cuerpo principal del esporófito). El punto de entrada del esperma fija la posición del extremo del rizoide del eje apical-basal. Este eje es perpendicular al plano de la primera división celular. La F-actina se acumula en el polo rizoide (Kropf et al. 1999). Sin embargo, la luz o la gravedad pueden anular esta fijación del eje y establecer una nueva posición para la división celular (Figura 20.13; Alessa y Kropf 1999). Una vez establecido el eje apical-basal, las vesículas secretoras se dirigen al polo rizoide del cigoto (Figura 20.14). Estas vesículas contienen material para el crecimiento del rizoide, con una pared celular de distinta composición macromolecular. La secreción dirigida también puede ayudar a orientar el primer plano de la división celular. El mantenimiento del destino del rizoide frente al talo en las primeras fases del desarrollo depende de la información de las paredes celulares (Brownlee y Berger 1995). La información de la pared celular también parece ser importante en las angiospermas (revisado en Scheres y Benfey 1999).

Figura 20.13

Formación del eje en el alga parda Pelvetia compressa. (A) Primero se forma una mancha de F-actina (naranja) en el punto de entrada del esperma (la mancha azul marca el pronúcleo del esperma). (B) Más tarde, la luz se dirigió en la dirección de la flecha. El eje inducido por el esperma (más…)

Figura 20.14

División celular asimétrica en algas pardas. Curso temporal de 8 a 25 horas después de la fecundación, mostrando células de algas teñidas con un colorante de membrana vital para visualizar las vesículas secretoras, que aparecen primero, y la placa celular, que comienza a aparecer alrededor de (more…)

El plan corporal básico de las angiospermas establecido durante la embriogénesis también comienza con una división celular asimétrica*, dando lugar a una célula terminal y a una célula basal (figura 20.15). La célula terminal da lugar al embrión propiamente dicho. La célula basal se forma cerca del micrópilo y da lugar al suspensor. La hipófisis se encuentra en la interfaz entre el suspensor y el embrión propiamente dicho. En muchas especies da lugar a algunas de las células de la raíz. (Las células del suspensor se dividen para formar un órgano filamentoso o esférico que degenera posteriormente en la embriogénesis). Tanto en las gimnospermas como en las angiospermas, el suspensor orienta la superficie de absorción del embrión hacia su fuente de alimento; en las angiospermas, también parece servir como conducto de nutrientes para el embrión en desarrollo. El cultivo de embriones aislados de judías escarlata con y sin el suspensor ha demostrado la necesidad de un suspensor hasta la fase de corazón en las dicotiledóneas (Figura 20.16; Yeung y Sussex 1979). Los embriones cultivados con un suspensor tienen el doble de probabilidades de sobrevivir que los cultivados sin un suspensor adherido en esta fase. El suspensor puede ser una fuente de hormonas. En la judía escarlata, los embriones más jóvenes sin suspensor pueden sobrevivir en el cultivo si se les suministra la hormona del crecimiento ácido giberélico (Cionini et al. 1976).

Figura 20.16

Función del suspensor en la embriogénesis de las dicotiledóneas. El cultivo de embriones de judía corredora escarlata con y sin sus suspensores ha demostrado que el suspensor es esencial en la fase de corazón, pero no después. (Según Yeung y Sussex 1979.)

Como el establecimiento de la polaridad apical-basal es uno de los logros clave de la embriogénesis, es útil considerar por qué el suspensor y el embrión propiamente dicho desarrollan morfologías únicas. En este sentido, el estudio de los mutantes del embrión en maíz y Arabidopsis ha sido especialmente útil. Las investigaciones de los mutantes del suspensor (sus1,sus2 y raspberry1) de Arabidopsis han proporcionado pruebas genéticas de que el suspensor tiene la capacidad de desarrollar estructuras similares a las del embrión (Figura 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). En estos mutantes, las anormalidades en el embrión propio aparecen antes de las anormalidades en el suspensor.† Experimentos anteriores en los que se eliminó el embrión propio también demostraron que los suspensores podían desarrollarse como embriones (Haccius 1963). Una señal del embrión propio al suspensor puede ser importante para mantener la identidad del suspensor y bloquear el desarrollo del suspensor como embrión. Los análisis moleculares de estos y otros genes están proporcionando información sobre los mecanismos de comunicación entre el suspensor y el embrión propio.

Figura 20.17

El gen SUS suprime el desarrollo embrionario en el suspensor. (A) Embrión de tipo salvaje y suspensor. (B) Mutante sus con el suspensor desarrollándose como un embrión (flecha). (C) Modelo que muestra cómo el embrión propio suprime el desarrollo embrionario en el suspensor (más…)

Los genes de efecto materno desempeñan un papel clave en el establecimiento del patrón embrionario en los animales (véase el capítulo 9). El papel de los genes extracigóticos en la embriogénesis de las plantas está menos claro, y la cuestión se complica por al menos tres fuentes potenciales de influencia: el tejido esporofítico, el tejido gametofítico y el endospermo poliploide. Todos estos tejidos están en estrecha relación con el óvulo/cigoto (Ray 1998). El desarrollo del endospermo también podría verse afectado por los genes maternos. Se han identificado genes de efecto maternal esporofíticos y gametofíticos en Arabidopsis, y es probable que el genoma del endospermo también influya en el cigoto. El primer gen de efecto materno identificado, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), debe expresarse en el esporofito para el desarrollo embrionario normal (Ray et al. 1996). Dos factores de transcripción (FBP7 y FBP11) son necesarios en el esporofito de petunia para el desarrollo normal del endospermo (Columbo et al. 1997). Un gen de efecto materno de la gametofita femenina, MEDEA (en honor a la Medea de Eurípides, que mató a sus propios hijos), tiene dominios proteicos similares a los de un gen de efecto materno de Drosophila (Grossniklaus et al. 1998). Curiosamente, MEDEA pertenece al grupo de genes Polycomb (véase el capítulo 9), cuyos productos alteran la cromatina, directa o indirectamente, y afectan a la transcripción. MEDEA afecta a un gen impreso (véase el capítulo 5) que es expresado por el gameto femenino y por los alelos heredados maternalmente en el cigoto, pero no por los alelos heredados paternalmente (Vielle-Calzada et al. 1999). La importancia de los genes de efecto materno en el establecimiento del plan corporal del esporofito sigue siendo una pregunta sin respuesta.

Los patrones radiales y axiales se desarrollan a medida que la división y la diferenciación celular continúan (Figura 20.18; véase también Bowman 1994 para las micrografías de luz detalladas de la embriogénesis de Arabidopsis). Las células del embrión propiamente dicho se dividen en planos transversales y longitudinales para formar un embrión de estadio globular con varios niveles de células. Superficialmente, este estadio tiene cierto parecido con el clivaje en los animales, pero la proporción nuclear/citoplasmática no aumenta necesariamente. La forma emergente del embrión depende de la regulación de los planos de división y expansión celular, ya que las células no son capaces de moverse y remodelar el embrión. Los planos de división celular en la capa externa de células se restringen y esta capa, llamada protodermo, se distingue. El patrón radial surge en la fase globular cuando se inician los tres sistemas de tejidos (dérmico, terrestre y vascular) de la planta. El tejido dérmico (epidermis) se formará a partir del protodermo y contribuirá a las capas protectoras externas de la planta. El tejido del suelo (corteza y médula) se forma a partir del meristemo del suelo, que se encuentra debajo del protodermo. El procambium, que se forma en el núcleo del embrión, dará lugar al tejido vascular (xilema y floema), que funcionará como soporte y transporte. La diferenciación de cada sistema de tejidos es al menos parcialmente independiente. Por ejemplo, en el mutante keule de Arabidopsis, el sistema dérmico es defectuoso mientras que los sistemas de tejidos internos se desarrollan normalmente (Mayer et al. 1991).

Figura 20.18

Patrones radiales y axiales. (A) El patrón radial en las angiospermas comienza en el estadio globular y da lugar al establecimiento de tres sistemas de tejidos. (B) El patrón axial (eje brote-raíz) se establece en el estadio de corazón.

La forma globular del embrión se pierde cuando comienzan a formarse los cotiledones («primeras hojas»). Las dicotiledóneas tienen dos cotiledones, que dan al embrión un aspecto acorazonado mientras se forman. El plan corporal axial es evidente en esta fase de desarrollo del corazón. Las hormonas (específicamente, las auxinas) pueden mediar en la transición de la simetría radial a la bilateral (Liu et al. 1993). En las monocotiledóneas, como el maíz, sólo emerge un único cotiledón.

En muchas plantas, los cotiledones ayudan a nutrir la planta convirtiéndose en fotosintéticos después de la germinación (aunque los de algunas especies nunca emergen del suelo). En algunos casos -los guisantes, por ejemplo- la reserva de alimentos del endospermo se agota antes de la germinación, y los cotiledones sirven como fuente de nutrientes para la plántula que germina.‡ Incluso en presencia de un endospermo persistente (como en el maíz), los cotiledones almacenan reservas de alimentos como almidón, lípidos y proteínas. En muchas monocotiledóneas, el cotiledón se convierte en un gran órgano presionado contra el endospermo y ayuda a la transferencia de nutrientes a la plántula. Los cotiledones erguidos pueden dar al embrión una forma de torpedo. En algunas plantas, los cotiledones crecen lo suficiente como para tener que doblarse para encajar en los confines de la cubierta de la semilla. El embrión parece entonces un bastón. En este punto, el suspensor está degenerando.

El meristemo apical del brote y el meristemo apical de la raíz son grupos de células madre que persistirán en la planta postembrionaria y darán lugar a la mayor parte del cuerpo del esporófito. El meristemo de la raíz se deriva parcialmente de la hipófisis en algunas especies. Todas las demás partes del cuerpo del esporofito derivan del embrión propiamente dicho. Las pruebas genéticas indican que la formación de los meristemos de brotes y raíces se regula de forma independiente. Esta independencia queda demostrada por el mutante dek23 del maíz y el mutante sin meristemo de raíz (STM) de Arabidopsis, los cuales forman un meristemo de raíz pero no inician un meristemo de brote (Clark y Sheridan 1986; Barton y Poethig 1993). El gen STM, que ha sido clonado, se expresa en el estadio globular tardío, antes de que se formen los cotiledones. También se han identificado genes que afectan específicamente al desarrollo del eje radicular durante la embriogénesis. Las mutaciones del gen HOBBIT en Arabidopsis (Willemsen et al. 1998), por ejemplo, afectan a los derivados de la hipófisis y eliminan la función del meristemo de la raíz.

El meristemo apical del brote iniciará las hojas tras la germinación y, en última instancia, la transición al desarrollo reproductivo. En Arabidopsis, los cotiledones se producen a partir del tejido embrionario general, no del meristemo del brote (Barton y Poethig 1993). En muchas angiospermas, algunas hojas se inician durante la embriogénesis. En el caso de Arabidopsis, el análisis clonal apunta a la presencia de hojas en el embrión maduro, aunque no estén morfológicamente bien desarrolladas (Irish y Sussex 1992). El análisis clonal ha demostrado que los cotiledones y las dos primeras hojas verdaderas del algodón derivan de tejido embrionario y no de un meristemo organizado (Christianson 1986).

Los experimentos de análisis clonal proporcionan información sobre los destinos celulares, pero no indican necesariamente si las células están o no determinadas para un destino concreto. Se ha demostrado que las células, los tejidos y los órganos están determinados cuando tienen el mismo destino in situ, en aislamiento y en una nueva posición en el organismo (véase McDaniel et al. 1992 para más información sobre los estados de desarrollo en las plantas). El análisis clonal ha demostrado que las células que se dividen en el plano equivocado y se «mueven» a una capa de tejido diferente suelen diferenciarse según su nueva posición. La posición, más que el origen clonal, parece ser el factor crítico en la formación del patrón embrionario, lo que sugiere algún tipo de comunicación célula-célula (Laux y Jurgens 1994). Los experimentos de microcirugía en embriones somáticos de zanahoria demuestran que trozos aislados de embrión pueden sustituir a menudo el complemento que falta (Schiavone y Racusen 1990; Scheres y Heidstra 1999). Un cotiledón extraído del ápice del brote será reemplazado. Los brotes embrionarios aislados pueden regenerar una nueva raíz; el tejido radicular aislado regenera cotiledones, pero es menos probable que regenere el eje del brote. Aunque la mayoría de las células embrionarias son pluripotentes y pueden generar órganos como cotiledones y hojas, sólo los meristemos conservan esta capacidad en el cuerpo vegetal postembrionario.