Las vacuolas vegetales y la regulación de la apertura de estomas (I) | Scitable

Figura 1: Las vacuolas de las células vegetales. Proteínas vacuolares se sintetizan y se procesan en el retículo endoplásmico (ER), y se transfieren a vacuolas a través de diversas rutas, por ejemplo, directamente, a través de aparato de Golgi (G), o por medio de un compartimento prevacuolar (PVC). Delgadas provacuolas se forman por brotes y fusión de vesículas procedentes de la red trans del Golgi. Con la progresión de la expansión celular, provacuolas gradualmente se fusionan unas con otras y forman una vacuola prominente más grande. © 2004 Nature Publishing Group Brandizzi, F. & Hawes, C. Un largo y sinuoso camino. EMBO reports 5, 245-249 (2004)

Por: Zhong Ma, Ph.D. (Biología Dept., Truman State University) © 2010 Nature Education  Cita:  Ma, Z.  (2010). Vacuolas vegetales y Regulación de apertura de los estomas,  Nature

¿Cómo respiran las plantas a través de los estomas? Unos elementos reguladores clave de estomas son las vacuolas de las plantas, orgánulos llenos de líquido unidos por una sola membrana llamada tonoplasto.

Abstract

Las vacuolas de las plantas son orgánulos ubicuos que son esenciales para múltiples aspectos de crecimiento de las plantas, su mantenimiento y el desarrollo. Su papel clave en los movimientos de los estomas resalta su importancia en el intercambio de gases para las plantas. Los científicos están desarrollando activamente los mecanismos exactos que controlan la fusión vacuolar, que soporta los movimientos de los estomas, así como otras funciones celulares de las plantas. Además de su papel en el control del intercambio gaseoso fotosintético, las vacuolas también albergan compuestos que pueden ayudar a proteger fotosistemas en los cloroplastos de los daños causados ​​por el exceso de luz. Las vacuolas son compartimentos importantes en el metabolismo de las células vegetales.
Una vacuola intacta es necesaria para las funciones de muchas plantas. Los científicos están trabajando para identificar y caracterizar un grupo grande y diverso de los transportadores de membrana en el tonoplasto. Se preguntan: ¿Cuál es su estructura molecular? ¿Qué es lo que hacen?¿Cómo podrían estar relacionados? Entender las respuestas a estas preguntas es importante, ya que muestran cómo las vacuolas son un componente integral de las complejas redes celulares. Con los datos mencionados, las vacuolas son cruciales para las células vegetales, ya que permiten los mecanismos de intercambio de gases que optimizan las condiciones metabólicas en el citosol, y permiten que una planta para reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes.

Artículo (I)

Al igual que los animales, las plantas respiran. El intercambio de gases dentro y fuera de una hoja de la planta se produce en el envés de las hojas, y el proceso se regula con precisión. ¿Cuáles son los gases que se intercambian en la superficie de las hojas? El proceso bioquímico para la producción de energía principal en las plantas es la fotosíntesis, un proceso que, iniciado por la energía del sol, convierte CO 2 y el agua en moléculas de energía (carbohidratos) para la planta y evacúa O 2 a la atmósfera. En este proceso, las hojas toman CO 2 de la atmósfera y liberan O 2 de nuevo al aire. ¿Cómo realizan las plantas estas actividades de intercambio de gases entre las células de las hojas y el medio ambiente al aire libre? Los científicos descubrieron que un orgánulo singular, la vacuola, juega un papel crítico en la regulación de la entrega de CO 2 para la realización de fotosíntesis en los cloroplastos.
Las vacuolas de plantas son orgánulos llenos de líquido rodeados por una membrana única llamada tonoplasto, y contienen una amplia gama de iones inorgánicos y moléculas. Los científicos han identificado al menos dos tipos de vacuolas en las plantas. Los dos tipos principales son las vacuolas de almacenamiento de proteínas de pH neutro, y las vacuolas líticas de pH ácido, que son equivalentes en su función a los lisosomas en las células de los mamíferos (Figura 1).

Los cambios en el tamaño de las vacuolas están correlacionados con los movimientos estomáticos

Durante la fotosíntesis, las hojas toman en la atmósfera CO 2 y la liberan de O 2 a través de los estomas, poros microscópicos  de la epidermis foliar (singular = stoma). Un par de células de guarda u oclusivas rodea cada estoma, y estas células controlan la apertura y el cierre del poro estomático entre ellas. Las células oclusivas o guarda regulan esta apertura y cierre en respuesta a una amplia variedad de señales ambientales, tales como ritmos día /noche, disponibilidad de CO 2 y la temperatura. ¿Por qué las plantas gastan energía en la apertura y cierre de estos estomas, cuando podrían dejarlos permanentemente abiertos, y dejan que el CO 2 fluya libremente? La razón principal es que los estomas también regulan el paso de moléculas de agua. Si los estomas estuvieran constantemente abiertos, las plantas perderían demasiada agua por la evaporación de la superficie de la hoja, un proceso llamado transpiración.

Una característica especial de células de guarda es que pueden aumentar o disminuir su volumen, cambiando así su forma. Esta es la base para la apertura y cierre de un estoma, conocido como movimiento estomático, que controla el intercambio de gases necesario para la fotosíntesis y limita la pérdida de agua. ¿Cómo las células guardianas cambian su volumen para controlar la apertura y el cierre? Lo hacen mediante el cambio de la presión osmótica de las vacuolas, que pueden ganar o perder agua, y por lo tanto aumentar o disminuir su tamaño. Tales cambios en el volumen vacuolar son bastante rápidos y espectaculares. Esto puede ser problemático, ya que, a diferencia de un globo en rápida expansión, las membranas biológicas son más limitadas en su elasticidad y no permiten un estiramiento excesivo. ¿Cómo entonces el tonoplasto aumenta su superficie de modo que la vacuola se pueda expandir rápidamente (Fig. 2)? Los científicos todavía saben muy poco acerca de este proceso dinámico, y están buscando activamente un mecanismo que posiblemente ofrece repuestos (almacenes) de membrana para la tonoplasto para dar cabida a un cambio de volumen rápido.

Figura 2: La expresión de la proteína verde fluorescente (GFP) fusionada con una proteína tonoplasto AtCLCa, que muestra el límite de tonoplasto.El límite de tonoplasto en protoplastos se etiqueta en verde. Izquierda, con sistemas de escaneo Imagen de microscopía confocal de fluorescencia de GFP, centro, imagen transmitida microscopía de luz, imagen derecha, resultante de la fusión de imágenes de la izquierda y el centro. Las barras de escala = 16 micras.

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