Otras moléculas implicadas en la transducción de la señal de frío

Algunas hormonas vegetales, incluyendo el ABA, las poliaminas, el ácido giberélico (GA), el óxido nítrico (NO), los brasinoesteroides (BR) y el etileno (ET), también actúan como intermediarios en la señalización del frío (Figura 19.1).

Figura 19.1. Representación esquemática que muestra el papel de las hormonas vegetales en la respuesta a las bajas temperaturas. Los brasinoesteroides (BR), el óxido nítrico (NO), el etileno (ET), el ABA y las poliaminas actúan como reguladores positivos. Las giberelinas (GA) actúan como reguladores negativos. El ácido salicílico (SA) puede actuar como regulador positivo (cereales, plátano) o negativo (Arabidopsis). Las puntas de flecha y las líneas finales indican regulación positiva y negativa, respectivamente.

Los niveles de ABA aumentan en las plantas expuestas a bajas temperaturas y el tratamiento exógeno con ABA mejora la tolerancia a la congelación (Chen y Gusta, 1983; Lang et al., 1989). En Cicer arietinum y en el trigo, se ha observado que el aumento de la tolerancia a la congelación inducido por tratamientos exógenos de ABA está mediado por cambios en la composición de la membrana plasmática (es decir, aumento de esteroles, ácidos grasos insaturados, etc.; Bakht et al., 2006). Además, los mutantes deficientes e insensibles al ABA tienen una menor capacidad de aclimatación al frío, lo que indica que el ABA es esencial para una completa aclimatación al frío (Heino et al., 1990; Gilmour y Thomashow, 1991; Llorente et al., 2000). Además, el ABA está implicado en la tolerancia constitutiva de Arabidopsis a la congelación (Llorente et al., 2000). Algunos componentes de la vía de señalización del ABA también han sido implicados en la regulación de la respuesta al frío. ABI3, un activador transcripcional que regula la expresión génica inducida por ABA y diferentes procesos vegetativos mediados por ABA en Arabidopsis, aumenta la expresión de genes inducibles por el frío y la tolerancia a la congelación (Tamminen et al., 2001). Un mutante de trigo hipersensible al ABA, aba27, muestra una mayor tolerancia constitutiva a la congelación y una mayor expresión de genes sensibles al ABA tanto en condiciones de control como de baja temperatura (Kobayashi et al., 2008a). Todos estos resultados manifiestan un papel complejo de la vía de señalización del ABA en la respuesta a las bajas temperaturas. Trabajos recientes han informado de la identificación de receptores de ABA (Ma et al., 2009; Park et al., 2009a), aunque su implicación en la respuesta al frío aún está por determinar.

Las poliaminas se acumulan en las plantas en condiciones de baja temperatura (Lee et al., 1995; Shen et al., 2000; Kim et al., 2002b; Pillai et al., 2004; Cuevas et al., 2008; Kovacs et al., 2010). Son compuestos que, por sus propiedades bioquímicas, son capaces de interactuar con macromoléculas como el ADN, el ARN, las proteínas o los fosfolípidos, regulando su estructura y función (Galston y Sawhney, 1990). Kim y sus colegas (2002b) informaron que la exposición al frío aumenta la acumulación de putrescina en las hojas de tomate. Este aumento parece tener un papel protector y está controlado negativamente por el ABA (Kim et al., 2002b). Hummel y sus colegas (2004) describieron que la tolerancia al frío de Pringlea antiscorbutica está asociada a la acumulación y mantenimiento de poliaminas. Además, la sobreexpresión de CaPF1, un gen que codifica una proteína relacionada con la tolerancia a la congelación del pimiento, en el pino aumenta la tolerancia a la congelación debido a una alta acumulación de poliaminas (Tang et al., 2007). Recientemente, Cuevas y colaboradores (2008) obtuvieron evidencia genética sobre la implicación de las poliaminas en la regulación de la aclimatación al frío mediante la modulación de la biosíntesis de ABA y la expresión génica. Caracterizaron la tolerancia a la congelación de dos mutantes defectuosos en la biosíntesis de poliaminas, adc1 y adc2, y encontraron que ambos tienen una capacidad reducida de aclimatación al frío en comparación con el tipo salvaje. Los bajos niveles de poliaminas en los mutantes adc1 y adc2 se correlacionan con los bajos niveles de acumulación de ABA inducida por el frío debido a una menor inducción de los genes biosintéticos de ABA en respuesta a la baja temperatura, señalando que las poliaminas regulan positivamente la acumulación de ABA bajo baja temperatura (Cuevas et al., 2008).

La sobreexpresión en el tabaco de GhDREB1, un gen del algodón que codifica un factor de transcripción, aumenta la tolerancia a las bajas temperaturas, aunque el crecimiento y el tiempo de floración se retrasaron (Shan et al., 2007). La expresión de GhDREB1 en el algodón es inducida por la baja temperatura pero inhibida por el GA, lo que revela una posible implicación de este gen en la regulación del crecimiento a través del GA (Shan et al., 2007). Recientemente, se han publicado pruebas genéticas que demuestran una reducción de la función de la GA cuando las plantas están expuestas a bajas temperaturas (Achard et al., 2008). Se ha propuesto que la reducción del crecimiento de las plantas se debe principalmente a la acumulación de DELLA, una familia de proteínas que actúa como reguladora negativa de los procesos vegetales que responden a la GA (Achard et al., 2008). Además, la acumulación de DELLAs también parece contribuir a la mayor tolerancia a la congelación que está mediada por la expresión de CBF1, aunque a través de una vía que es independiente del CBF-regulón (Achard et al., 2008).

También se han descrito resultados que revelan un importante papel del NO en la respuesta de las plantas a las bajas temperaturas. En el guisante, se ha informado de que la baja temperatura aumenta la actividad de la NO sintasa (NOS) y la S-nitrosoglutatión reductasa (GSNOR), dos enzimas implicadas en la biosíntesis del NO (Corpas et al., 2008). En Arabidopsis, los niveles de NO aumentan en condiciones de frío como consecuencia de la inducción de la actividad de la nitrato reductasa (NR) (Zhao et al., 2009). Además, los mutantes dobles para NR1 y NR2 (nia1nia2), que son incapaces de acumular NO tras la exposición al frío, muestran una capacidad de aclimatación al frío reducida en comparación con las plantas de tipo salvaje (Zhao et al., 2009). El análisis molecular de los mutantes nia1nia2 reveló que la inducción por frío de P5CS1 y la represión de ProDH, y por tanto la acumulación de prolina, es mucho menor en estas plantas que en las de tipo salvaje, lo que explicaría su menor capacidad de aclimatación al frío (Zhao et al., 2009).

Los brasinoesteroides son una clase de esteroides implicados en el control de una amplia gama de respuestas de las plantas (Sasse, 2003). Los resultados obtenidos en trabajos recientes apoyan un posible papel de los BR en la señalización del frío. Las plántulas de Arabidopsis y Brassica napus tratadas con BR exógena muestran una mayor tolerancia a las bajas temperaturas que depende de los cambios en la expresión génica inducida por el frío (Kagale et al., 2007). Xia y sus colegas (2009) encontraron que los BRs también regulan positivamente la tolerancia a las bajas temperaturas en el pepino, controlando la actividad de la NADPH oxidasa y la acumulación de H2O2.

La exposición a bajas temperaturas induce la producción de ET en especies como la judía (Field, 1981), el tomate (Ciardi et al., 1997), o el centeno de invierno (Yu et al., 2001). Además, la aplicación de ET exógena a las plantas de rododendro aumenta su tolerancia a la congelación (Harber y Fuchigami, 1989), y las plantas de centeno de invierno expuestas al frío muestran mayores niveles de ET que controlan la acumulación de proteínas anticongelantes en las hojas y aumentan la tolerancia de la planta a la congelación (Yu et al., 2001). La sobreexpresión constitutiva en el tabaco del gen JERF3 del tomate, que codifica un factor de transcripción relacionado con la señalización de ET, aumenta la tolerancia a la congelación al inducir la expresión de genes que codifican enzimas antioxidantes con la consiguiente reducción de ROS (Wu et al., 2008). Además, la expresión antisentido en tomate y tabaco de TERF2/LeERF2, un gen de tomate que codifica un factor de transcripción inducible por ET, inhibe la producción de ET y reduce la tolerancia a la congelación. Por el contrario, la sobreexpresión de TERF2/LeERF2 en tabaco y tomate aumenta la tolerancia a la congelación mediante la activación de la expresión génica inducida por el frío (Zhang y Huang, 2010). Como se ha descrito anteriormente, la implicación de la ET en la señalización del frío parece estar clara y todavía se sabe muy poco sobre los mecanismos que median su función.

Sustanciales trabajos han informado de los posibles efectos valiosos del tratamiento con ácido salicílico (SA) sobre la tolerancia al frío y/o a la congelación en los cereales (Janda et al, 1999; Kang y Saltveit, 2002; Szalai et al., 2000; Tasgin et al., 2003; Saltveit y Hepler, 2004), judía (Ding et al., 2002), pepino (Kang y Saltveit, 2002), tomate (Ding et al., 2002), plátano (Kang et al., 2007) y lila persa (Bernard et al., 2002). El papel de la SA en la tolerancia de las plantas a las bajas temperaturas parece estar relacionado con diferentes respuestas protectoras, como el aumento de la actividad de las enzimas antioxidantes (Janda et al., 1999; Kang y Saltveit, 2002) y la potenciación de la actividad de nucleación del hielo en el apoplasto (Tasgin et al., 2003). En contraposición con estos datos, resultados recientes indican que el SA es un regulador negativo de la aclimatación al frío en Arabidopsis (Miura y Ohta, 2010). Dos mutantes que acumulan SA, siz1 y acd6, tienen una menor capacidad de aclimatación al frío y son más sensibles al estrés por frío, principalmente debido a una menor expresión de CBF3 y el correspondiente regulón (Miura y Ohta, 2010). La restauración de la acumulación de SA a los niveles de tipo salvaje suprime la sensibilidad de estos mutantes a las temperaturas de enfriamiento y congelación (Miura y Ohta, 2010).