celda de vigilancia

Las células guardianas son células especializadas en la epidermis de las hojas, tallos y otros órganos de las plantas terrestres que se utilizan para controlar el intercambio de gases. Se producen en pares con un espacio entre ellas que forma un estoma . Los estomas son más grandes cuando hay agua disponible y las células guardianas se vuelven turgentes , y se cierran cuando la disponibilidad de agua es críticamente baja y las células guardianas se vuelven flácidas. La fotosíntesis depende de la difusión de dióxido de carbono (CO₂ ₎ del aire a través de los estomas hacia los tejidos del mesófilo . El oxígeno (O₂ ₎ , producido como subproducto de la fotosíntesis, sale de la planta a través de los estomas. Cuando los estomas están abiertos, se pierde agua por evaporación y debe reponerse a través de la corriente de transpiración , siendo absorbida por las raíces. Las plantas deben equilibrar la cantidad de CO₂ _absorbida del aire con la pérdida de agua a través de los estomas, y esto se logra mediante el control activo y pasivo de la presión de turgencia de las células guardianas y el tamaño de los estomas. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

Las células guardianas rodean cada estoma . Ayudan a regular la tasa de transpiración abriendo y cerrando los estomas. La luz es el principal desencadenante de su apertura o cierre. Las células guardianas tienen forma de frijol, con un lado interno más grueso (es decir, el lado más cercano al poro) y un lado externo más delgado. Cuando el agua entra en la célula, el lado delgado se abomba hacia afuera más que el lado más grueso. De esta manera, la célula guardiana se curva hacia afuera y el estoma se abre.

Las células guardianas contienen proteínas fototropinas que son serina y treonina quinasas con actividad fotorreceptora de luz azul . Las fototropinas contienen dos dominios sensor de luz, oxígeno y voltaje (LOV) y forman parte de la superfamilia del dominio PAS . ^{[ 5 ]} Las fototropinas desencadenan muchas respuestas como el fototropismo, el movimiento de los cloroplastos y la expansión de las hojas, así como la apertura de los estomas. ^{[ 5 ]} No se sabía mucho sobre cómo funcionaban estos fotorreceptores antes de alrededor de 1998. El mecanismo por el cual funcionan las fototropinas se dilucidó a través de experimentos con haba ( Vicia faba ). La inmunodetección y el Western blot lejano mostraron que la luz azul excita la fototropina 1 y la fototropina 2, lo que hace que la proteína fosfatasa 1 inicie una cascada de fosforilación, que activa la H ⁺ -ATPasa, una bomba responsable de bombear iones H ⁺ fuera de la célula. ^{[ 3 ]} La H ⁺ -ATPasa fosforilada permite la unión de una proteína 14-3-3 a un dominio autoinhibitorio de la H ⁺ -ATPasa en el extremo C. ^{[ 6 ]} La serina y la treonina se fosforilan dentro de la proteína, lo que induce la actividad de la H ⁺ -ATPasa. ^{[ 5 ]} El mismo experimento también encontró que, tras la fosforilación, una proteína 14-3-3 se unía a las fototropinas antes de que la H ⁺ -ATPasa hubiera sido fosforilada. ^{[ 5 ]} En un experimento similar, los investigadores concluyeron que la unión de la proteína 14-3-3 al sitio de fosforilación es esencial para la activación de la actividad de la H ⁺ -ATPasa de la membrana plasmática. ^{[ 6 ]} Esto se hizo añadiendo fosfopéptidos como P-950, que inhibe la unión de la proteína 14-3-3, a la H ⁺ -ATPasa fosforilada y observando la secuencia de aminoácidos . Al bombearse los protones hacia el exterior, se genera un potencial eléctrico negativo a través de la membrana plasmática. Esta hiperpolarización de la membrana permite la acumulación de iones de potasio (K ⁺ ) y cloruro (Cl− ⁾ cargados , lo que a su vez aumenta la concentración de solutos y provoca una disminución del potencial hídrico . El potencial hídrico negativo permite que se produzca la ósmosis en la célula guardiana, de modo que el agua entra y la célula se vuelve turgente.

La apertura y el cierre del estoma están mediados por cambios en la presión de turgencia de las dos células oclusivas. La presión de turgencia de las células oclusivas está controlada por el movimiento de grandes cantidades de iones y azúcares hacia dentro y hacia fuera de estas células. Las células oclusivas tienen paredes celulares de grosor variable (su región interna, adyacente al estoma, es más gruesa y está altamente cutinizada) ^{[ 7 ]} y microfibras de celulosa orientadas de forma diferente, lo que provoca que se curven hacia afuera cuando están turgentes, lo que a su vez provoca la apertura de los estomas. Los estomas se cierran cuando hay una pérdida osmótica de agua, que se produce por la pérdida de K ⁺ a las células vecinas, principalmente iones de potasio (K ^{+ ). [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

El estrés hídrico (sequía y estrés salino) es uno de los principales problemas ambientales que causan graves pérdidas en la agricultura y en la naturaleza. La tolerancia a la sequía de las plantas está mediada por varios mecanismos que actúan conjuntamente, incluyendo la estabilización y protección de la planta contra el daño causado por la desecación y también el control de la cantidad de agua que las plantas pierden a través de los estomas durante la sequía. Una hormona vegetal, el ácido abscísico (ABA), se produce en respuesta a la sequía. Se ha identificado un tipo principal de receptor de ABA. ^{[ 11 ] [ 12 ]} La hormona vegetal ABA provoca el cierre de los estomas en respuesta a la sequía, lo que reduce la pérdida de agua de la planta por transpiración a la atmósfera y permite a las plantas evitar o ralentizar la pérdida de agua durante las sequías. Dado que las células guardianas controlan la pérdida de agua de las plantas, la investigación sobre cómo se regula la apertura y el cierre de los estomas podría conducir al desarrollo de plantas con una mejor evitación o ralentización de la desecación y una mayor eficiencia en el uso del agua . ^{[ 1 ]}

El ABA es el desencadenante del cierre de los estomas. Para ello, activa la liberación de aniones e iones de potasio. Este influjo de aniones provoca una despolarización de la membrana plasmática. Esta despolarización desencadena la salida de iones de potasio de la célula debido al desequilibrio en el potencial de membrana. Este cambio repentino en las concentraciones de iones provoca la contracción de la célula guardiana, lo que a su vez causa el cierre de los estomas y disminuye la cantidad de agua perdida. Según su investigación, todo esto constituye una reacción en cadena. El aumento de ABA provoca un aumento en la concentración de iones de calcio. Aunque al principio pensaron que era una coincidencia, posteriormente descubrieron que este aumento de calcio es importante. Encontraron que los iones Ca2+ participan en la activación de los canales aniónicos, lo que permite el flujo de aniones hacia la célula guardiana. También participan en la inhibición de la ATPasa de protones, impidiendo así la despolarización de la membrana. Para respaldar su hipótesis de que el calcio era responsable de todos estos cambios en la célula, realizaron un experimento con proteínas que inhibían la producción de iones de calcio. Si suponían que el calcio era importante en estos procesos, observarían que con los inhibidores se reducirían los siguientes fenómenos. Su suposición era correcta y, al usar los inhibidores, observaron que la ATPasa de protones funcionaba mejor para equilibrar la despolarización. También descubrieron que el flujo de aniones hacia las células guardianas era menor. Esto es importante para que los iones fluyan hacia la célula guardiana. Estos dos factores son cruciales para que la abertura estomática se cierre, evitando así la pérdida de agua de la planta. ^{[ 13 ]}

La captación de iones en las células guardianas provoca la apertura estomática: La apertura de los poros de intercambio de gases requiere la captación de iones de potasio en las células guardianas. Se han identificado canales y bombas de potasio y se ha demostrado que funcionan en la captación de iones y la apertura de las aberturas estomáticas. ^{[ 1 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} La liberación de iones de las células guardianas provoca el cierre del poro estomático: Se han identificado otros canales iónicos que median la liberación de iones de las células guardianas, lo que resulta en el eflujo osmótico de agua de las células guardianas debido a la ósmosis , la contracción de las células guardianas y el cierre de los poros estomáticos (Figuras 1 y 2). Los canales especializados de eflujo de potasio participan en la mediación de la liberación de potasio de las células guardianas. ^{[ 16 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Los canales aniónicos se identificaron como controladores importantes del cierre estomático. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Los canales aniónicos tienen varias funciones principales en el control del cierre estomático: ^{[ 26 ]} (a) Permiten la liberación de aniones, como cloruro y malato de las células guardianas, lo cual es necesario para el cierre estomático. (b) Los canales aniónicos se activan por señales que causan el cierre estomático, por ejemplo, por calcio intracelular y ABA. ^{[ 26 ] [ 29 ] [ 32 ]} La liberación resultante de aniones cargados negativamente de las células guardianas produce un cambio eléctrico de la membrana hacia voltajes más positivos ( despolarización ) en la superficie intracelular de la membrana plasmática de la célula guardiana . Esta despolarización eléctrica de las células guardianas conduce a la activación de los canales de potasio hacia el exterior y a la liberación de potasio a través de estos canales. Se han caracterizado al menos dos tipos principales de canales aniónicos en la membrana plasmática: canales aniónicos de tipo S y canales aniónicos de tipo R. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 28 ] [ 33 ]]}

Las vacuolas son grandes orgánulos de almacenamiento intracelular en las células vegetales. Además de los canales iónicos en la membrana plasmática, los canales iónicos vacuolares tienen funciones importantes en la regulación de la apertura y el cierre de los estomas porque las vacuolas pueden ocupar hasta el 90% del volumen de las células guardianas. Por lo tanto, la mayoría de los iones se liberan de las vacuolas cuando los estomas están cerrados. ^{[ 34 ]} Los canales de K ⁺ vacuolares (VK) y los canales vacuolares rápidos pueden mediar la liberación de K ⁺ de las vacuolas. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] Los canales de K +} vacuolares (VK) se activan por el aumento de la concentración intracelular de calcio. ^{[ 35 ]} Otro tipo de canal activado por calcio es el canal vacuolar lento (SV). ^{[ 38 ]} Se ha demostrado que los canales SV funcionan como canales catiónicos permeables a los iones Ca2 ⁺ , ^{[ 35 ]} pero sus funciones exactas aún no se conocen en las plantas. ^{[ 39 ]}

Las células guardianas controlan el intercambio de gases e iones a través de la apertura y el cierre. El K+ es un ion que fluye tanto hacia dentro como hacia fuera de la célula, lo que provoca el desarrollo de una carga positiva. El malato es uno de los principales aniones utilizados para contrarrestar esta carga positiva, y se mueve a través del canal iónico AtALMT6. ^{[ 40 ]} AtALMT6 es un transportador de malato activado por aluminio que se encuentra en las células guardianas, específicamente en las vacuolas. Se descubrió que este canal de transporte causa un influjo o eflujo de malato dependiendo de las concentraciones de calcio. ^{[ 40 ]} En un estudio de Meyer et al., se realizaron experimentos de patch-clamp en vacuolas de mesófilo de Arabidopsis rdr6-11 (WT) y Arabidopsis que sobreexpresaban AtALMT6- GFP . ^{[ 40 ]} Se encontró en estos experimentos que en el WT solo había pequeñas corrientes cuando se introducían iones de calcio, mientras que en el mutante AtALMT6-GFP se observó una enorme corriente rectificadora de entrada. ^{[ 40 ]} Cuando el transportador se elimina de las vacuolas de las células guardianas hay una reducción significativa en la corriente de flujo de malato. La corriente pasa de una enorme corriente de entrada a no muy diferente de la del WT, y Meyer et al. hipotetizaron que esto se debe a concentraciones residuales de malato en la vacuola. ^{[ 40 ]} También hay una respuesta similar en los mutantes knockout a la sequía que en el WT. No se observó ninguna diferencia fenotípica entre los mutantes knockout, el tipo silvestre o los mutantes AtALMT6-GFP, y la causa exacta de esto no se conoce completamente. ^{[ 40 ]}

Las células guardianas perciben y procesan estímulos ambientales y endógenos como la luz, la humedad, la concentración de CO₂ _, la temperatura, la sequía y las hormonas vegetales para desencadenar respuestas celulares que resultan en la apertura o el cierre de los estomas. Estas vías de transducción de señales determinan, por ejemplo, la rapidez con la que una planta perderá agua durante un período de sequía. Las células guardianas se han convertido en un modelo para la señalización de células individuales. Utilizando Arabidopsis thaliana , la investigación del procesamiento de señales en células guardianas individuales se ha abierto al poder de la genética . ^{[ 29 ]} Se han identificado proteínas citosólicas y nucleares y mensajeros químicos que funcionan en los movimientos estomáticos que median la transducción de señales ambientales, controlando así la absorción de CO₂ _en las plantas y la pérdida de agua de la planta. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} La investigación sobre los mecanismos de transducción de señales de las células guardianas está produciendo una comprensión de cómo las plantas pueden mejorar su respuesta al estrés por sequía al reducir la pérdida de agua de la planta. ^{[ 1 ] [ 41 ] [ 42 ]} Las células guardianas también proporcionan un excelente modelo para estudios básicos sobre cómo una célula integra numerosos tipos de señales de entrada para producir una respuesta (apertura o cierre estomático). Estas respuestas requieren la coordinación de numerosos procesos biológicos celulares en las células guardianas, incluyendo la recepción de señales, la regulación de canales y bombas iónicas, el tráfico de membranas , la transcripción , las reorganizaciones del citoesqueleto y más. Un desafío para la investigación futura es asignar las funciones de algunas de las proteínas identificadas a estos diversos procesos biológicos celulares.

Durante el desarrollo de las hojas de las plantas, las células guardianas especializadas se diferencian a partir de las "células madre guardianas". ^{[ 43 ] [ 44 ]} La densidad de los estomas en las hojas está regulada por señales ambientales, incluyendo el aumento de la concentración atmosférica de CO ₂ , que reduce la densidad de estomas en la superficie de las hojas en muchas especies de plantas mediante mecanismos actualmente desconocidos. La genética del desarrollo estomático puede estudiarse directamente mediante la observación de la epidermis de la hoja con un microscopio. Se han identificado varias proteínas de control importantes que funcionan en una vía que media el desarrollo de las células guardianas y los estomas. ^{[ 35 ] [ 44 ]}