Bases fisiológicas y moleculares de la reproducción sexual y asexual en el gametofito de helechos

Abstract

Numerosos organismos verdes, desde algas a angiospermas, han sido propuestos como organismos modelo para llevar a cabo estudios en campos de conocimiento como la fisiología, la bioquímica, la genética o la biología del desarrollo. Entre las características que pueden hacer a los candidatos adecuados para tales fines están el tener tiempos de generación cortos, pequeño tamaño, alta progenie, facilidad para el cruce y ser relativamente fáciles de manipular en condiciones de laboratorio, invernadero o campo. Algunos de los taxones empleados pertenecen a grupos vegetales primitivos, como el helecho acuático Ceratopteris richardii y el musgo Physcomitrella patens, y se han mostrado como interesantes fuentes de información acerca del genoma vegetal (Chatterjee and Roux 2000; Shaefer 2002; Pryer et al., 2003; Salmi et al., 2005). El gametofito de pteridófitos presenta, además de las características citadas, una gran simplicidad morfológica y ausencia de conexiones con la planta madre, y es la fase del ciclo encargada de la reproducción, ya sea mediante la formación y fusión de células sexuales o gametos, o bien mediante un proceso apogámico, por el cual se forma un embrión sin la intervención de las células sexuales. Es por esto por lo que ha sido elegido como sistema experimental para estudios de reproducción tanto sexual como asexual. La expresión sexual en plantas tiene un gran interés por importantes razones económicas ya que, por ejemplo, los fenotipos sexuales de especies de cosecha dictan cómo se mejoran y cultivan las especies. Estudios recientes sobre los mecanismos que rigen la expresión sexual, especialmente realizados en especies de interés comercial, han demostrado la existencia de diferentes factores genéticos y epigenéticos, gobernando la expresión sexual, que van desde los cromosomas en especies como Marchantia polymorpha y Silene latifolia hasta los reguladores del desarrollo en Zea mays y Cucumis sativa (Tanurdzic y Banks 2004). Cuando el gametofito se reproduce por mecanismos sexuales, tiene lugar la formación de órganos sexuales: femeninos o arquegonios y masculinos o anteridios, en distintas secuencias cronológicas. Una de dichas secuencias implica la formación, primero, de los órganos femeninos, teniendo lugar con posterioridad la formación de los órganos masculinos. Esta secuencia suele coincidir con la presencia de un sistema anteridiógeno controlando la expresión sexual. Así, en muchas especies de helechos homospóreos el fenotipo sexual masculino se dice que está epigenéticamente determinado por feromonas denominadas anteridiógenos, inductoras de la formación de órganos sexuales masculinos y represoras de los femeninos (Yamane 1998). En ausencia de estas sustancias, tradicionalmente relacionadas con las giberelinas, el gametofito es hermafrodita (Ceratopteris) o femenino (Blechnum), y éste, una vez alcanzada la madurez, producirá y secretará activamente la feromona al medio de cultivo, que actuará sobre los gametofitos en desarrollo, induciendo en ellos la masculinidad. Este mecanismo contribuye a generar variablidad genética, promoviendo los cruzamientos entre distintos gametofitos y evitándose así la autofecundación. En Blechnum spicant se ha descrito la presencia de dicho sistema anteridiógeno, si bien no está clara su naturaleza química exacta y ha sido usado como modelo para el estudio de este tipo de reproducción. Desde el punto de vista fisiológico se estudia tanto la capacidad de producción de estas sustancias por parte del gametofito, como su respuesta a las mismas y a otros reguladores del desarrollo, así como el aislamiento de sustancias con capacidad anteridiógena con el objetivo de identificar las mismas. La expresión proteica diferencial entre gametofitos creciendo en ausencia y en presencia de sustancias con acción anteridiógena es un planteamiento novedoso para el estudio de este tipo de reproducción, que es abordado por primera vez en este trabajo.. La formación de un embrión de forma asexual, a partir de células gametofíticas distintas de la ovocélula, es un caso relativamente frecuente de apomixis en pteridofitos, que se denomina apogamia porque no deriva el nuevo embrión de la ovocélula sino de otras células. Debido a su alto impacto en la agricultura, la investigación en esta línea ha incrementado sustancialmente en los últimos años (Grossniklauss et al., 2001). Dryopteris affinis ssp affinis es un helecho diploide con un ciclo vital apomíctico. Se ha utilizado como modelo experimental para determinar la influencia de reguladores de desarrollo en la apogamia y para analizar las posibles variaciones que se presentan en el desarrollo del embrión tanto en niveles de reguladores de desarrollo como en expresión diferencial de proteínas. El objetivo final es intentar determinar cuáles son las principales rutas metabólicas que intervienen en este proceso y compararlas con las presentes en grupos vegetales superiores.