5.4 Transporte floemático de asimilados y su regulación

5.4.1 Carga floemática de asimilados

5.4.2 Mecanismos del transporte floemático de asimilados

5.4.3 Descarga floemática y almacenamiento de asimilados en demandas de uso y  de almacenamiento

5.4.1 Carga floemática de asimilados

En hojas jóvenes en expansión, la mayoría ó todos de los asimilados producidos durante la fotosíntesis (fotosintatos) son requeridos para el crecimiento y suministro de energía. Por lo tanto, en sus etapas iniciales de crecimiento las hojas fotosintetizantes, así como los tejidos no fotosintetizantes, actúan como demandas y requieren asimilados suplidos por una fuente vía floema. Las principales fuentes de asimilados son las hojas completamente expandidas.

El primer paso para suministrar a las hojas jóvenes con asimilados desde las hojas fuente es el transporte a corta distancia de asimilados desde las células foliares individuales hacia los haces vasculares, seguido por su carga floemática. Por lo general los azúcares representan hasta el 80-90% de los asimilados exportados por el floema desde las hojas fuente. Se muestra una composición típica de la savia floemática en la Tabla 3.8. En la mayoría de especies vegetales la sacarosa es el azúcar dominante en la savia floemática, pero en algunas especies vegetales se presentan el trisacárido rafinosa (galactosa + fructosa + glucosa) y alcoholes de azúcar como el manitol y sorbitol. Los centros preferenciales para la carga floemática de azúcares son las venas menores de una hoja fuente como se muestra en la Fig. 5.9, donde se infiltro sacarosa marcada con ¹⁴C en la hoja.

Fig. 5.9 Autoradiograma de la carga floemática de [¹⁴C] sacarosa dentro del tejido de una hoja fuente de fríjol. Concentración de sacarosa, 1 mм; periodo de acumulación, 30 min. Áreas blancas = venas menores de ¹⁴C . (A partir de Giaquinta & Geigerm 1977.)

Dependiendo de la especie vegetal, hora del día, y también del centro de recolección, la concentración de sacarosa en la savia floemática está en el rango de 200-1000 mм. A fin de conseguir estas altas concentraciones, se requiere un paso de carga desde las células foliares hacia las células del tubo criboso y acompañantes de las venas menores. En base a un rango de aproximaciones experimentales como la aplicación de inhibidores ó estudios de toma a diferentes pH externos, se postuló un cotransporte protón-sacarosa- De acuerdo con este modelo, una ATPasa bombeadora de protones en la membrana plasmática de las células del tubo criboso crean una abrupto gradiente potencial transmembranal así como una gradiente de pH entre el lumen del tubo criboso (“simplasto”) y el apoplasto (Fig. 5.10). Este gradiente actúa como fuerza conductora para el transporte de sacarosa desde el apoplasto hacía los tubos cribosos en forma de cotransporte protón-sacarosa (simporte) mediado por una proteína específica de transporte. Este modelo sigue el mismo principio que se ha descrito en la Fig. 2.9 para el cotransporte protón-anión en la membrana plasmática de células radicales.

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Fig. 5.10 Modelo para la carga floemática de sacarosa mediada por el cotransporte protón–sacarosa, y para el uniporte de potasio y aminoácidos. (En base a Baker, 1978; Giaquinta, 1980.)

Un rango de evidencias apoya este modelo. Se ha encontrado en los tubos cribosos un potencial negativo de –155 mм, y el pH de la savia floemática está entre 7.5 y 8.5 comparando con 5.5–6-5 en el apoplasto de células foliares. Un incremento en el pH del apoplasto inhibe notablemente la carga de sacarosa en los tubos cribosos. Estudios con vesículas de membrana plasmática de hojas de remolacha azucarera traen evidencias adicionales para el cotransporte protón–sacarosa demostrando, por ejemplo, una alcalinización del medio externo inducida por la sacarosa y una estequiometría en el transporte protón : sacarosa de 1:1. Y finalmente, en plantas transgénicas de tomate y papa con alta actividad invertasa ácida en el apoplasto (que hidroliza la sacarosa para forma hexosas) se disminuye drásticamente la carga floemática de sacarosa y se acumulan en las hojas la sacarosa y otros carbohidratos.

Este concepto de carga apoplástica de la sacarosa hacia los tubos cribosos requiere de la liberación de sacarosa desde el mesófilo en particular (ó desde células de la vaina del haz en plantas C₄) hacia el apoplasto. No se conoce mucho acerca de las concentraciones de sacarosa en el apoplasto foliar; se han encontrado en hojas de remolacha azucarera concentraciones cercanas a 20 mм y en hojas de maíz cercanas a 7 mM .

Se ha cuestionado por varias razones a la carga apoplástica como un principio universal en plantas superiores, particularmente por Van Bel (1989,1993). Por ejemplo, en varias especies vegetales, particularmente las que translocan rafinosa (e.g., Cucumis), se presentan abundantes conexiones citoplásmicas (plasmodesmos) a lo largo de la posible vía de solutos desde el mesófilo hacia las células del tubo criboso y acompañantes. Sin embargo, una carga simplástica plantea la pregunta acerca del funcionamiento de los plasmodesmos en la formación del abrupto gradiente de concentración del azúcar entre las células foliares y los tubos cribosos. Aunque pueden existir ambos, carga floemática apoplástica y simplástica de azúcares y presentarse simultáneamente en una especie vegetal dada, la evidencia experimental para la existencia de carga apoplástica es mucho más concebible, por lo menos para sacarosa. Puede ser que ambas vías son importantes a lo largo de la ruta de los azucares desde las células foliares individuales hacia los tubos cribosos, simplástica para la región del complejo tubo criboso–célula acompañante y su liberación en el apoplasto para la carga floemática.

Comparando con las concentraciones de azúcares, las concentraciones de aminoácidos en la savia floemática son usualmente mucho menores, pero aún en el rango de 50-200 mм. De este modo, la carga de aminoácidos puede ser de similar importancia. Se han presentado resultados que apoyan la idea de un cotransporte protón-aminoácido similar a aquel para sacarosa por Baker et al (1980) mostrando que la carga y transporte floemático de aminoácidos es también fuertemente deprimido al elevar el pH externo (Tabla 5.1). La tasa de carga y transporte de aminoácidos también depende del tipo de catión presente en la solución externa, siendo mucho más estimulante el K⁺ que el Na⁺. También está bien establecido que la carga floemática de sacarosa es realzada por el potasio, a menos que excesivas concentraciones externas de potasio conduzcan a la despolarización del potencial de membrana y de este modo al deterioro del cotransporte protón-sacarosa. Sin embargo, no es claro si la estimulación por potasio es un efecto directo en el mecanismo de carga (e.g., mantenimiento del gradiente transmembranal del pH) ó indirecto vía un incremento en el potencial osmótico de la savia floemática y, de este modo, en la tasa de flujo másico en los tubos cribosos (Sección 5.4.2).

La carga floemática de aminoácidos floema es bastante selectiva, en ricino, por ejemplo, la glutamina es cargada mucho más preferentemente que el glutamato ó la arginina. En ricino, la carga de aminoácidos es también notoriamente deprimida por la simultánea carga de sacarosa, y viceversa. En hojas de maíz, la asparragina es el aminoácido preferentemente cargado en el floema donde su concentración es cerca de ocho veces mayor que en el citosol de las células foliares. Sin embargo, por lo general el transporte cuesta arriba de sacarosa hacia los tubos cribosos es mucho más pronunciado que para la mayoría de los aminoácidos. Se da un ejemplo de esto en la Tabla 5.2.

La sacarosa fue preferentemente cargada en el floema comparando con los aminoácidos, como se refleja por la relación aminoácidos/sacarosa citosólica cercana a uno comparando con cerca de 0.2 en la savia floemática (Tabla 5.2). Aunque se ha mostrado que en algunos casos la concentración de aminoácidos individuales es notoriamente mayor en la savia floemática que en el citosol y puede presentarse transferencia mediada por carriers hacia los tubos cribosos, en general el transporte floemático de aminoácidos parece depender de la carga de sacarosa y del flujo másico en el floema. De este modo, por lo menos en cebada, la carga floemática de aminoácidos sigue presumiblemente el concepto de un uniporte, similar a lo que pasa con potasio (Fig. 5.10).

5.4.2 Mecanismos del transporte floemático de asimilados

Se han discutido en el Capitulo 3 los principios del transporte en los tubos cribosos, la anatomía del floema, y la dirección del transporte (desde la fuente  hacia la demanda) en conexión con el transporte a larga distancia de nutrientes minerales. En pocas palabras, de acuerdo a la hipótesis del flujo por presión los solutos son cargados en los tubos cribosos foliares y el agua es chupada hacia los tubos cribosos creando una presión interna positiva. Ya que la sacarosa y otros azúcares son los solutos activos osmóticamente dominantes en los tubos cribosos foliares, los caudales son determinados principalmente por la carga floemática de fotosintatos (incluyendo aminoácidos) en la fuente y su descarga en la demanda. La disponibilidad de agua en las hojas fuente es también un factor importante para los caudales en los tubos cribosos, y la carga floemática asociada con el transporte lateral foliar de agua hacia el floema.

De los nutrientes minerales, el potasio está usualmente presente en mayores concentraciones en la savia floemática (Sección 3.3). De este modo, el potasio contribuye sustancialmente a los caudales en los tubos cribosos como se muestra en la Tabla 5.3 para ricino. En plantas bien suplidas con potasio, todos la concentración de potasio y el potencial osmótico de la savia floemática, y particularmente el caudal (tasa de exudación), son superiores contra plantas suplidas con un nivel menor de potasio. La concentración de sacarosa en la savia floemática más ó menos permanece sin afectarse, y un alto suministro de potasio incrementa por un factor de ~2 la tasa de transporte floemático de sacarosa. Puede haber varias razones para este realce del caudal por el potasio, incluyendo superiores tasas de síntesis de sacarosa, realce de la carga floemática (Fig. 5.10), ó efectos osmóticos directos del potasio dentro de los tubos cribosos.

A lo largo de la vía entre la fuente y la demanda, puede cambiar considerablemente por varías razones la concentración y composición de la savia floemática. Los fotosintatos pueden filtrarse desde los tubos cribosos y su recuperación se vuelve importante para conducir el flujo por presión y alimentar la demanda. A lo largo de la vía la recuperación de sacarosa es mediada por el mismo mecanismo (cotransporte sacarosa-protón) de la carga floemática en el tejido fuente. La filtración (ó descarga) a lo largo de la vía también puede cumplir varías funciones como el suministro de sacarosa como fuente de energía para los tejidos circundantes, almacenamiento transitorio de almidón ó fructanos en tejidos caulinares de pastos (Sección 5.7.1) y la regulación de la composición de solutos en los tubos cribosos de acuerdo a la demanda. En soya, por ejemplo, se encontró que la concentración de sacarosa disminuye desde 336 mм en hojas hasta 155 mм en raíces como demanda en crecimiento (de uso), y con una correspondiente disminución en el potencial de presión desde 0.60 hasta 0.18 mPa, .i.e., no hay compensación de solutos osmóticamente activos en el floema. En contraste, en plantas de arroz la concentración de solutos en la savia floemática se incrementa desde las hojas fuente hacia la espiga como una demanda de almacenamiento (Tabla 5.4). Este incremento se debe a la sacarosa mientras que disminuye marcadamente  la concentración de potasio. A pesar de una similar concentración total de aminoácidos (Tabla 5.4), la composición difirió y hacia la demanda la proporción de glutamina y arginina se incrementó a expensas de la de glutamato y asparragina.

El cambio en la relación sacarosa/potasio en la savia floemática (Tabla 5.4) refleja la demanda. En cereales, los granos en desarrollo como órganos de almacenamiento de almidón con un bajo contenido de agua, es alta la demanda por sacarosa pero es baja para potasio, particularmente en las últimas etapas del llenado del grano. De acuerdo con esto, en pedúnculos de espigas de trigo la contribución del potasio al potencial osmótico total de la savia del floema disminuye desde 8% a 2% en cinco semanas después de la antesis. El incremento en la relación sacarosa/potasio (Tabla 5.4) es más probablemente el resultado de la movilización de carbohidratos (almidón, fructanos) en el tejido caulinar y la subsiguiente carga floemática de sacarosa. De este modo, el potasio es reemplazado en el floema en una considerable proporción por la sacarosa y presumiblemente transferido hacia las vacuolas del tejido caulinar, demostrando, que el turgor de los tubos cribosos en particular puede ser regulado a lo largo de la vía desde la fuente a la demanda, y que el potasio juega un rol importante en está regulación. A lo largo de la vía el potasio puede por lo tanto no solo cumplir funciones en la carga floemática de sacarosa sino también representar un medio de regulación fina dentro de la regulación gruesa del flujo de solutos conducido por presión desde la fuente a la demanda.

Tal rol del potasio es muy probablemente una función específica en la conducción del flujo acoplado metabólicamente de solutos a través de los poros de las placas cribosas. Como se describió arriba, los efectos inhibidores de temperaturas de heladas ó anoxia aplicados a lo largo de la vía (e.g., tallos, pecíolos) sobre los caudales floemáticos son muy probablemente una indicación de componentes adicionales en la regulación del turgor en tubos cribosos a lo largo de la vía de un en general transporte de solutos conducido por presión.

5.4.3 Descarga floemática y almacenamiento de asimilados en demandas de uso y  de almacenamiento

La liberación de solutos desde los tubos cribosos hacia el tejido circundante en los centros de demanda está fuertemente regulada por la fuerza de la demanda. La fuerza de la demanda es la capacidad del tejido ú órgano de acumular ó metabolizar fotosintatos y por lo tanto de crear ó mantener un gradiente de concentración de solutos entre los tubos cribosos y las células circundantes en la demanda. Pueden crearse gradientes de concentración para la sacarosa y otros azúcares mediante el consumo de sacarosa durante el crecimiento (demanda en crecimiento ó de uso) y el almacenamiento de fotosintatos (demanda de almacenamiento), por ejemplo como sacarosa (e.g., remolacha azucarera) ó como almidón (e.g., granos de cereales y tubérculos). Para una parte dada vegetal (e.g., ápice caulinar) ú órgano (e.g., grano de trigo, fruto de tomate), la fuerza de la demanda está relacionada con la tasa de crecimiento, la capacidad de almacenamiento (e.g., número de células de almacenamiento), la tasa de transporte desde el floema hacia las células de almacenamiento individuales, ó la tasa de conversión de fotosintatos (e.g., azúcares a almidón, aminoácidos a proteínas). Por lo tanto la fuerza de la demanda y, de este modo, la descarga floemática están estrechamente relacionados con la actividad metabólica del tejido ú órgano demanda.

Se ejercen retroregulaciones negativas en la descarga floemática por las altas concentraciones de sacarosa en una demanda de uso como raíces en crecimiento. En semillas y granos en la descarga floemática interviene un componente sensible al turgor; la descarga no solo es inhibida por las altas concentraciones apoplásticas de sacarosa sino también por otros osmóticos que se filtren lentamente como el manitol.

Se discute controversialmente si la descarga floemática per se es un proceso activo ó pasivo, con argumentos a favor y en contra de un proceso activo. Parece estar involucrada la fitohormona ácido abscísico (ABA) en la descarga de sacarosa, aún a bajas concentraciones de ABA se incrementa la tasa de eflujo de sacarosa desde el tejido floemático. La inducción de un localizado incremento en permeabilidad membranal de las células floemáticas del huésped parece ser el mecanismo por el que los parásitos caulinares como Cuscuta europea actúan como demanda, adquiriendo los asimilados y nutrientes minerales que requieren para su crecimiento. Existe un mecanismo particular de descarga floemática en Mimosa pudica donde las respuestas seismonásticas del movimiento foliar se basan en un potencial de acción que surge desde la hoja tocada, que viaja a través del floema (1- 10 cm s^–1) y que conduce a la descarga floemática en la región externa del pulvínulo, i.e., el complejo celular motor.

Las demandas de uso como hojas y raíces jóvenes se caracterizan por altas actividades apoplásticas de invertasa ácida. Esta enzima hidroliza la sacarosa para formar hexosas, y mantiene por lo tanto una baja concentración apoplástica de sacarosa (ver también Sección 5.4.1). Por lo tanto se ha considerado a la hidrólisis de sacarosa mediada por invertasa ácida como un importante factor en la realzada descarga floemática en estos tipos de demandas, una perspectiva que recientemente se ha cuestionado. La evidencia sólida para una predominante descarga simplástica del floema en demandas de uso, y también en varias demandas de almacenamiento, proviene de estudios con microscopio electrónico sobre la abundancia de plasmodesmos que conectan elementos cribosos con la mayoría de tipo celulares en tejidos demanda como hojas en crecimiento ó tubérculos de papa. La descarga simplástica del floema puede no requerir energía.

En demandas de almacenamiento de almidón, la sacarosa tiene que ser hidrolizada en hexosas en el citosol de las células de almacenamiento, ya que a través de la envoltura de los amiloplastos solo se transportan hexosas como la glucosa-1-fosfato para ejercer como sustrato para la síntesis de almidón. En el tejido caulinar de la caña de azúcar que actúa como demanda de almacenamiento de sacarosa, la vía simplástica parece ser el principal medio de descarga floemática mientras que en la raíz de almacenamiento de remolacha azucarera, parecen estar involucradas ambas vías simplástica y apoplástica después de descarga floemática  de sacarosa. Por lo tanto, en remolacha azucarera cualquiera sacarosa (vía simplástica) ó hexosas (vía apoplástica) pueden entrar al citosol de las células de almacenamiento individuales. No es claro si la sacarosa es transportada directamente desde el citosol (alto pH) hacia las vacuolas de almacenamiento (bajo pH) vía antiporte protón-sacarosa ó requiere del rompimiento por la sacarosa sintasa y la subsiguiente síntesis por la sacarosa fosfato sintasa.

En células de almacenamiento la concentración vacuolar de sacarosa puede exceder los 500 mм que es cerca de 10 veces superior a la citosólica. Independientemente del mecanismo involucrado la paso activo de acumulación vacuolar de sacarosa este está localizado en el tonoplasto. En células de almacenamiento radicales de remolacha azucarera se estimula por el potasio la acumulación de sacarosa (Fig. 5.11). El sodio tiene un aún mayor efecto estimulante sobre la acumulación de sacarosa. Los centros de acumulación están presumiblemente localizados en el tonoplasto y operan, cualquiera por activación de las bombas de protones de la membrana ó por el mantenimiento del alto pH citosólico requerido para compensar los protones del antiporte protón-sacarosa.

Fig. 5.11 Efecto de la concentración de potasio sobre las tasas de toma de sacarosa por rodajas de raíces de almacenamiento de remolacha azucarera. Concentración de sacarosa, 40 mм. (A partir de Saftner & Wyse, 1980.)

Se muestra  en la Tabla 5.5 un ejemplo del rol directo de los nutrientes minerales en el transporte de sacarosa hacia las vacuolas. La acumulación de sacarosa depende del magnesio y además es estimulada por el potasio. Esto apoya fuertemente la perspectiva, de que la bomba de protones dependiente de magnesio de la membrana también interviene causalmente en el transporte de sacarosa hacia las vacuolas de células de almacenamiento. Es un fenómeno bien conocido la activación de Mg•ATPasas por el potasio en el transporte iónico en la membrana plasmática de células radicales (Sección 2.4). Sin embargo, en el tonoplasto, el potasio solo estimula la Mg •PP_iasa, y no la Mg •ATPasa (Tabla 2.9), indicando la intervención de una bomba de protones energizada por el PP_i.

Comparando con la descarga de azúcares hay poca información sobre la descarga de aminoácidos y su transferencia a células individuales en el tejido demanda. Para cualquier demanda dada por razones anatómicas los roles de las vías apoplástica y simplástica en la transferencia de aminoácidos son muy probablemente comparables a sus roles en la transferencia de azúcares. Después de la descarga en raíces como demandas de uso, se recircula en el xilema una considerable proporción de aminoácidos no requeridos para el crecimiento, una característica que se presenta solo ocasionalmente para azúcares (Sección 3.2).

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