Title: Unidad 6
Course: Biología Cultiva 3 BGU

Procesos biológicos en vegetales

▲ Los complicados procesos bioquímicos y fisiológicos que se desarrollan en las plantas son la base de la vida en el planeta.

A lo largo de esta unidad revisaremos por qué las plantas son el sostén del resto de formas de vida en la Tierra y de qué manera son capaces de sustentar todas las cadenas alimenticias al transformar la luz solar en alimento. Comprenderemos las bases bioquímicas de la fotosíntesis y de la respiración celular, además de las estrategias de las que los vegetales se valen para poder cumplir sus procesos vitales.

También estudiaremos cómo los vegetales realizan el transporte de sus fluidos, la excreción de desechos, su crecimiento e incluso la necesidad básica de reproducirse y propagar su especie en tiempo y espacio. Por último, revisaremos de qué manera la biotecnología aprovecha esas funciones para beneficio del ser humano en la agricultura y la medicina.

  Objetivos

- O.CN.B.5.2. Desarrollar la curiosidad intelectual para comprender los principales conceptos, modelos, teorías y leyes relacionadas con los sistemas biológicos a diferentes escalas, desde los procesos subcelulares hasta la dinámica de los ecosistemas, y los procesos por los cuales los seres vivos persisten y cambian a lo largo del tiempo, para actuar con respeto hacia nosotros y la naturaleza.
- O.CN.B.5.3. Integrar los conceptos de las ciencias biológicas para comprender la interdependencia de los seres humanos con la biodiversidad, y evaluar de forma crítica y responsable la aplicación de los avances científicos y tecnológicos en un contexto histórico-social, para encontrar soluciones innovadoras a problemas contemporáneos relacionados, respetando nuestras culturas, valores y tradiciones.
- O.CN.B.5.5. Planificar y llevar a cabo investigaciones de campo, de laboratorio, de gestión o de otros tipos, que incluyan la exigencia de un trabajo en equipo, la recolección y análisis de datos cuantitativos y cualitativos; la interpretación de evidencias; la evaluación de los resultados de manera crítica, creativa y reflexiva, para la comunicación de los hallazgos, resultados, argumentos y conclusiones con honestidad.

Fotosíntesis y respiración celular I

CN.B.5.2.6. Explorar y comparar la fotosíntesis y la respiración celular como procesos complementarios en función de reactivos, productos y flujos de energía a nivel celular.

● Fotosíntesis y respiración celular I

Saberes previos

¿Cuál es la diferencia entre la forma de alimentarse que tiene una planta y la que tiene un animal?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué pasaría en el planeta si se apaga la luz del sol?

El Sol, principio de vida

Son pocas las excepciones de los seres que no dependen de una u otra forma del Sol. Para la mayoría de nosotros, representa calor para realizar nuestros procesos metabólicos, luz para poder ver y, sobre todo, alimento. Y es que, a pesar de que no todos contenemos los elementos necesarios para sintetizar nuestra propia comida, al menos nos alimentamos de quienes sí lo hacen. Los seres que fabrican su propio alimento se llaman autótrofos y en este grupo están los organismos capaces de hacer fotosíntesis: plantas, algas y cianobacterias, además de las bacterias quimiosintéticas.

▲ Esquema del proceso de fotosíntesis: la luz solar transforma el CO_2 y el agua en azúcares, y libera oxígeno a la atmósfera.

A fin de producir la energía que necesitan para vivir, las bacterias quimiosintéticas se han adaptado para aprovechar el CO_2, el sulfuro de hidrógeno (H_2S) y el amoníaco (NH_3) que abundan en los desfogues de los volcanes submarinos, a elevadísimas temperaturas. Los organismos fotosintéticos, por su parte, necesitan de la luz solar, pues toman su energía para desencadenar una serie de reacciones químicas que terminan con la producción de glucosa y la liberación de oxígeno. Estos seres autótrofos consumen la energía producida en sus propios procesos metabólicos, pero también la almacenan en sus estructuras, por lo que sirven de alimento para aquellos organismos que no pueden fabricar su propio alimento (los llamados heterótrofos) y se convierten, de esta manera, en la base de las cadenas alimenticias de todos los ecosistemas del planeta.

Todo sucede en los cloroplastos

En las células eucariotas de las plantas y de las algas existe un promedio de entre 60 y 80 cloroplastos, que son las organelas donde se hace la fotosíntesis.

▲ Estructura interna de un cloroplasto.

Cada cloroplasto tiene dos membranas que lo protegen. Allí dentro hay unas estructuras en forma de vesícula que se apilan unas sobre otras y que reciben el nombre de tilacoides. Las tilacoides alojan varios pigmentos, entre los cuales predomina la clorofila, que es la responsable de conferir a los organismos fotosintéticos el color verde y que es fundamental en la fotosíntesis, como veremos adelante. El conjunto de las tilacoides se conoce como grana y está embebido en una matriz líquida (que contiene muchas enzimas que intervienen en la síntesis de la glucosa), que se conoce con el nombre de estroma.

En contraste, las cianobacterias, al ser organismos procariotas, no tienen cloroplastos, por lo que la fotosíntesis se realiza en su citoplasma y está mediada por ficobilinas, los pigmentos que reemplazan a la clorofila.

La fotosíntesis y sus dos fases

La fotosíntesis (fotos = luz y síntesis = composición) es un proceso anabólico que transforma energía lumínica en energía química, al combinar CO_2 con agua y sintetizar glucosa, liberando O_2 como producto secundario. También se la define como el proceso de síntesis de moléculas orgánicas, a partir de otras inorgánicas. Se trata de un proceso complejo, que requiere de la intervención de varios pigmentos (el más importante, la clorofila) y también de moléculas portadoras de electrones. Sucede en dos fases y su fórmula reducida es:

Cabe anotar que el agua que interviene en esta reacción es la absorbida por las raíces de la planta y que el CO_2 ingresa por unos poros especiales situados en la superficie inferior de las hojas, llamados estomas. Los estomas se abren para dejar entrar el CO_2 de la atmósfera, y también para dejar salir el oxígeno que se libera tras la fotosíntesis.

▲ Esquema de cómo suceden las reacciones dependientes de la luz, dentro de las membranas tilacoides.

Fase dependiente de la luz

Se denomina así a la primera fase que comprende la fotosíntesis porque es la que se realiza en presencia de luz solar. Su objetivo es almacenar la energía que se utilizará en la segunda fase, para sintetizar glucosa. Para ello se requiere la mediación de dos moléculas que aceptan momentáneamente los electrones que provienen de la ruptura de las moléculas de agua (fotólisis). Estos aceptores terminan llamándose ATP (adenosín trifosfato) y el NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato), luego de pasar por el siguiente proceso:

TIC

Observa este video explicativo del ciclo de Calvin:

www.mayedu.ec/bio3/p158

Responde: ¿en qué momento se usan el ATP y el NADPH?

En las membranas de las tilacoides se encuentran conjuntos de proteínas y pigmentos (clorofila A y B, carotenoides) que se llaman fotosistemas I y II (PSI y PSII por sus siglas en inglés). Cuando los fotosistemas absorben luz solar, estimulan a la clorofila para que libere electrones muy energéticos, los cuales pasan a una cadena transportadora de electrones y finalmente transforman al ADP en ATP y al NADP en NADPH, aceptando los hidrógenos que se han liberado tras la fotólisis y generando moléculas de O_2 libre. Tanto el ATP como el NADPH hacen el papel de baterías, acumulando la energía que se necesitará en la siguiente fase de la fotosíntesis.

Interdisciplinariedad

Biotecnología y diseño industrial

El diseñador holandés Mike Thompson diseñó en 2010 la lámpara Latro que funciona produciendo electricidad a partir de la fotosíntesis que realizan las algas que están en un contenedor transparente. La lámpara se activa después de que se sopla dentro del contenedor y se lo expone a la luz solar, luego de lo cual envía la electricidad a una batería que la almacena.

Fase independiente de la luz

Esta fase sucede en el estroma, hacia donde salen el ATP y el NADPH que proporcionarán la energía necesaria para la síntesis de la glucosa (C_6H_12O_6) a partir del CO_2. En este caso, intervienen una gran cantidad de enzimas, entre las que se destaca la llamada rubisco, que se encarga de catalizar la reacción que transforma el CO_2 en la molécula intermedia que es el azúcar de tres carbones llamada ribulosa di fosfato (RuBP por sus siglas en inglés). A partir de este azúcar se formará la glucosa, en el proceso que se conoce con el nombre de ciclo de Calvin.

Fotosíntesis y respiración celular II

CN.B.5.2.6. Explorar y comparar la fotosíntesis y la respiración celular como procesos complementarios en función de reactivos, productos y flujos de energía a nivel celular.

● Fotosíntesis y respiración celular II

Saberes previos

¿Cómo es que una planta fabrica su propio alimento?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué pasaría con el planeta si los vegetales dejan de producir oxígeno?

▲ La fase dependiente de la luz de la fotosíntesis produce oxígeno, parte del cual será posteriormente utilizado para la producción de energía.

▲ Enterobacterias como Escherichia coli y Salmonella (la responsable de la fiebre tifoidea) son ejemplos de organismos anaeróbicos.

La respiración celular;

La respiración celular es el proceso metabólico por el que el mayor porcentaje de los seres que pueblan el planeta obtiene la energía necesaria para realizar sus funciones vitales. Se trata de una serie de reacciones químicas con las que se sintetiza, principalmente, ATP (adenosín trifosfato), a partir de los azúcares anabolizados durante la fotosíntesis (en los seres fotoautótrofos). También de la glucosa que fue obtenida tras la digestión de los alimentos (en los seres heterótrofos).

Para que estas reacciones sucedan, normalmente se requiere de la presencia de oxígeno. Los seres que no requieren de oxígeno para metabolizar su ATP se llaman anaerobios, como por ejemplo las bacterias que viven en el tracto digestivo de los animales.

El papel de las mitocondrias

Así como la fotosíntesis se realiza en los cloroplastos, la respiración celular requiere de las organelas llamadas mitocondrias. Una célula eucariótica típica puede contener un promedio de dos mil mitocondrias que le proporcionan la energía necesaria para todos sus procesos metabólicos.

▲ Estructura interna de una mitocondria.

Una peculiaridad de esta organela es la presencia del ADN mitocondrial, una cadena pequeña (en los humanos contiene algo más de
16 569 pares de bases), que se dispone en forma circular, como el ADN de las bacterias. Otras características que comparte con el genoma procariota es que tiene pocos intrones y pocas secuencias repetitivas que no codifican. Además, se reproduce de forma similar a la fisión binaria de las bacterias. Sus pocos genes están relacionados con la producción de las proteínas necesarias para la respiración celular.

El ADN mitocondrial ha sido muy estudiado, ya que gracias a su alta tasa de mutación (diez veces más que el ADN nuclear), permite establecer el parentesco entre varios individuos. El ADN mitocondrial se hereda de la madre, pero no del padre, pues las mitocondrias del espermatozoide quedan fuera del óvulo fecundado.

TIC

Observa el video "Viaje desde África: ADN mitocondrial":
​www.mayedu.ec/bio3/p161

Responde: ¿quién es la Eva africana?

El proceso de la respiración celular

La fórmula general resumida de las reacciones químicas que ocurren durante la respiración celular es la siguiente:

Notarás que es la reacción inversa a la fotosíntesis, en la que se produce energía (las 38 moléculas de ATP) en lugar de necesitarla (como se necesita la luz solar para que la fotosíntesis ocurra). En otras palabras, nuestro alimento se transforma en ATP y este es la energía que se gasta en todas las reacciones metabólicas (inclusive en la fotosíntesis). Revisemos de qué manera el ATP acumula energía.

Cuando la molécula menos energética que se llama adenosín difosfato (ADP) se junta a un fosfato inorgánico (Pi) para formar ATP, gracias al suministro de energía (por ejemplo, el de la luz solar), el enlace que se forma guarda 7,3 Kcal/mol. Al momento en que este enlace se hidrolisa, esa energía se libera y puede ser usada para impulsar cualquier reacción metabólica.

La respiración celular involucra los siguientes procesos:

1. Glucólisis: el sufijo lisis significa “ruptura” de alguna molécula. Es la reacción catabólica que transforma a una molécula de glucosa en dos de ácido pirúvico (o piruvato, cuando está en forma de ion), con la producción de cuatro moléculas de ATP y dos moléculas del aceptor de energía NADH. La glucólisis sucede en el citoplasma, todavía no requiere de oxígeno y es catalizada por un complejo de enzimas llamado piruvato-deshidrogenasa.
2. Formación del acetil CoA y ciclo de Krebs: después de que se han formado dos moléculas de piruvato, estas se difunden a través de la membrana de la mitocondria y si no hay suficiente oxígeno, entrarán en la ruta metabólica de la fermentación (que veremos más adelante). Si la célula ha sido suficientemente oxigenada, cada piruvato pierde un CO_2 y se une a una coenzima A, formando una molécula de dos carbones, llamada Acetil Coenzima A. En el proceso, se forma una molécula de NADH.
Ahora empieza el ciclo del ácido cítrico, también conocido como ciclo de Krebs. Son ocho pasos en los que por cada Acetil CoA se forma una molécula de ATP, dos de CO_2 y las siguientes aceptoras de energía: tres NADH y un FADH _2 (flavín adenín dinucleótido).
▲ Principales reacciones del ciclo de ácido cítrico.
3. Cadena transportadora de electrones: las moléculas aceptoras de energía pasan al espacio intramembranoso de la mitocondria, donde se transformarán en 32 o 34 moléculas de ATP y agua. En total se han producido entre 36 y 38 moléculas de ATP, por cada molécula de glucosa.

Interdisciplinariedad

Microbiología y gastronomía

Desde tiempos inmemoriales, el ser humano ha cultivado levaduras y bacterias que fermentan la glucosa para producir vegetales agrios, generar gases que leudan las masas hechas con almidones, y obtener alcoholes.

1. En caso de que no haya suficiente oxígeno dentro de la mitocondria, la ruta metabólica que sigue el piruvato es lo que se conoce como fermentación, que no sucede dentro de la mitocondria y cuyo resultado será el ácido láctico, el vinagre o el etanol. Energéticamente no es rentable, pues por cada molécula de glucosa que interviene, se producen solamente dos ATP.

▲ Moléculas que se forman por la fermentación de glucosa.

Sistemas de transporte en las plantas I

CN.B.5.3.7. Examinar la estructura y función de los sistemas de transporte en las plantas, y describir la provisión de nutrientes y la excreción de desechos.

● Sistemas de transporte en las plantas I

Saberes previos

¿Recuerdas qué es la savia bruta y la savia elaborada?

Desequilibrio cognitivo

Sin un corazón que bombee los líquidos internos, ¿cómo logran los árboles recibir nutrientes en todos sus órganos?

La fisiología de las plantas

Se ha estudiado cómo las plantas resuelven la necesidad de alimentarse y de obtener energía para vivir, pero esa es solo una pequeña parte de todas las necesidades fisiológicas que estos fascinantes organismos deben resolver. En los próximos temas iremos desentrañando, al menos de manera general, cómo es que las plantas transportan la materia prima para la fotosíntesis y luego los azúcares elaborados; también estudiaremos cómo se deshacen de sus desechos, y cómo se reproducen y crecen.

Así como hay cientos de miles de especies, también hay muchas estrategias para satisfacer sus necesidades vitales y para adaptarse a la inmensa variedad de hábitats y de circunstancias.

El transporte de sustancias en la plantas

La materia prima para que la fotosíntesis se realice, por estímulo de la luz solar, son las moléculas de CO_2 y de H_2O. El CO_2 entra a las plantas directamente de la atmósfera, por unos pequeños poros que se conocen como estomas, los cuales se encuentran en el envés de las hojas. Desde allí, este gas se difunde a través de las paredes de los tejidos celulares, para llegar a todas las células que realizan fotosíntesis. El oxígeno que se produjo durante la fase dependiente de la luz también se difunde hacia los estomas, lugar por el cual sale de la planta.

▲ Las orquídeas han desarrollado un tejido especial que cubre sus raíces aéreas (llamado velamen), que les permite captar el vapor de agua de la atmósfera.

▲ En los estomas se hace el intercambio de gases en las plantas.

Obtener agua no es tan fácil, sobre todo si pensamos que hay árboles que suelen alcanzar grandes dimensiones. Para su transporte, desde las raíces hasta todos los órganos de la planta, se requiere de un sistema de conducción, similar al sistema circulatorio de los animales.

El tejido vascular de las plantas

En el reino de las plantas hay especies más sencillas, que no alcanzan grandes dimensiones y que, por lo tanto, no requieren de un sistema de transporte, pues tanto el agua como las sustancias elaboradas por el organismo se difunden a través de las células sin mayor problema. Es el caso de musgos y hepáticas.

▲ Musgos y hepáticas, al ser plantas no vasculares, dependen de ambientes húmedos para poder cumplir con sus procesos fisiológicos.

El resto de especies ha desarrollado un sistema vascular compuesto por dos tipos de tejidos.

1. El xilema: formado también por células muertas, para así hacer más eficiente la conducción del agua y de los minerales, desde las raíces hacia todos los órganos de la planta. Consta de las células conocidas como “elementos del vaso”, que tienen un gran diámetro y, al apilarse unas sobre otras, forman tubos casi continuos (separados por delgadas membranas con perforaciones, que en algunos tramos desaparecen para facilitar su función). Otro tipo de células son las traqueidas, las cuales también forman tubos bastante más delgados que los vasos, y que se comunican mediante poros, los cuales facilitan la difusión del agua y de los minerales. El xilema deriva de células de un tejido de sostén llamado esclerénquima, cuyas paredes celulares están cubiertas de lignina, una proteína que les confiere grosor y rigidez.
2. El floema: es un tejido de células maduras vivas, que conduce agua, azúcares, aminoácidos y hormonas elaboradas por la planta. De igual manera, está conformado por dos tipos de células: los elementos del tubo criboso y las células acompañantes.
Las primeras son células que han perdido casi todo su contenido citoplasmático para facilitar la conducción, por lo que para sobrevivir necesitan que las células acompañantes les provean nutrientes y proteínas mediante los plasmodesmos que las unen.

▲ Corte transversal del tallo de una calabaza, donde se pueden distinguir células de floema (1), vasos del xilema (2), y traqueidas (3).

En los extremos superior e inferior de elementos del tubo criboso apilados, se forman las placas cribosas, que son delgadas membranas cubiertas de poros, por donde circulan las sustancias elaboradas por la planta.

▲ Esquema de cómo se disponen las células que forman el floema.

Las propiedades del agua que facilitan su conducción

El agua puede recorrer grandes distancias dentro de una planta debido a las peculiaridades del tejido conductor, pero también gracias a las propiedades físicas y químicas del agua. Si, por un lado, la mayor parte de reacciones metabólicas requieren la intervención del agua, en algún punto del proceso (como en la fotosíntesis y la respiración celular), su capacidad de regular los cambios de temperatura también la hace imprescindible para permitir la adaptación de los seres a su medio (para cambiar un solo grado de temperatura del agua, ya sea para incrementarla o disminuirla, se requieren grandes cantidades de energía). Sin embargo, las propiedades que ayudan a su recorrido de grandes distancias a  través del sistema vascular son:

▲ La ligera carga negativa del oxígeno atrae al hidrógeno de las moléculas vecinas.

TIC

Entra a este video llamado “Movimiento del agua por las plantas + 3 mini-experimentos”:

www.mayedu.ec/bio3/p166

Responde: ¿cuál es el papel de la transpiración y de la ósmosis en el transporte de líquidos a través de las plantas?

1. La cohesión: es la capacidad de las moléculas de agua de mantenerse unidas mediante puentes de hidrógeno, los cuales no tienen la fuerza de un enlace químico, pero sí tienen fuerza de atracción, producida por la ligera polaridad que se presenta por la desigualdad de los átomos de hidrógeno y oxígeno.
2. La adhesión: también producto de los puentes de hidrógeno, hace que el agua se pegue a las paredes de los tubos, los cuales, si tienen el grosor adecuado, facilitan el movimiento ascendente por el fenómeno de capilaridad.

Interdisciplinariedad

Fisiología vegetal e hidroponía

El conocer cómo funcionan los órganos de los vegetales ha facilitado el ensayo con nuevos métodos de cultivo, como, por ejemplo, la hidroponía. Esta técnica busca el óptimo desarrollo de la planta en un sustrato líquido, al que se le añaden minerales, por lo que pueden obtenerse alimentos incluso en sitios donde se ha perdido el suelo.

Sistemas de transporte en las plantas II

CN.B.5.3.7. Examinar la estructura y función de los sistemas de transporte en las plantas, y describir la provisión de nutrientes y la excreción de desechos.

● Sistemas de transporte en las plantas II

Saberes previos

¿De qué manera las plantas excretan sus desechos?

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo puede protegerse una planta frente a los peligros?

El transporte de desechos

Al igual que en el resto de seres vivos, el metabolismo vegetal genera sustancias que ya no tienen utilidad para el organismo y que deben ser eliminadas. Con esta finalidad, han desarrollado varios mecanismos que revisaremos a continuación.

1. Los estomas: tienen un papel protagónico en la provisión de CO_2 para la fotosíntesis, pero también en la eliminación del O_2 , producido durante la fase dependiente de la luz; del CO_2 , producto de la respiración celular; y del vapor de agua, que se pierde por la transpiración. Los estomas forman parte del tejido epidérmico de las hojas y se ubican en su cara inferior (el envés). Están constituidos por dos células oclusivas, cuyo nivel de turgencia determina que se abra o se cierre un orificio en medio de ellas, llamado ostiolo, como se observa en la imagen adjunta.

▲ Recolección del látex que produce el árbol de caucho (Hevea brasiliensis ).

▲ Esquema que muestra de qué manera el estoma se abre, cuando sus células asociadas pierden turgencia.

1. Las lenticelas: son poros que atraviesan la epidermis de las ramas, tallos y troncos de las plantas leñosas. Tienen la apariencia de una lente (de ahí la razón de su nombre) y son visibles a simple vista. Pueden distribuirse a lo largo o ancho de los tallos, y su función, al igual que la de los estomas, es el intercambio de gases.

▲ a) Estomas abiertos, vistos a través del microscopio. b) En esta corteza de abedul se pueden observar algunas lenticelas transversales.

1. Glándulas especializadas de excreción: un ejemplo son las glándulas salinas que ayudan a las plantas halófitas a deshacerse del exceso de sal, como en el caso de los mangles, en los cuales se ubican en la base de la hoja.

Estructuras de secreción

Muchas familias de plantas se caracterizan por la secreción de sustancias que no son desechos y cumplen diversas funciones: protección, atracción de polinizadores, disuasión de posibles predadores, impedimento de infecciones cuando se produce una herida. A continuación revisaremos algunos ejemplos.

▲ Los murciélagos son importantes polinizadores de las selvas húmedas tropicales.

1. Los nectarios: son glándulas o células que producen un líquido azucarado que atrae insectos, aves o mamíferos. Al libar el néctar, los granos de polen se adhieren a estos animales y se transportan de flor en flor, permitiendo la polinización cruzada, es decir, facilitando que la fecundación se realice con el material genético de otro individuo. El rol ecológico de los polinizadores es fundamental, pues estos incrementan el éxito de la fecundación y favorecen la variabilidad genética.
2. Células mucilaginosas: el mucílago es una sustancia viscosa y pegajosa que cumple varias funciones, como facilitar que las semillas de linaza y de chía germinen con mayor facilidad, que la cofia (tejido protector del extremo de la raíz) penetre con facilidad por el suelo, o que las presas de las plantas carnívoras sean atraídas y se queden pegadas, mientras son digeridas.
3. Células oleíferas: muchas plantas producen aceites esenciales olorosos que tienen propiedades que evitan la infección por bacterias u hongos, además de atraer a polinizadores y ahuyentar potenciales plagas. Muchos de estos aceites esenciales son extraídos por el ser humano debido a sus propiedades medicinales o cosméticas. Se ubican, especialmente, en hojas y troncos.

TIC

Observa el video: "Proceso de elaboración del caucho":

www.mayedu.ec/bio3/p170

Responde: ¿en qué momento y con qué frecuencia se extrae el látex del caucho?

▲ Las droseras, o rocío de sol, son plantas carnívoras que atraen a los insectos con el mucílago que secretan al final de sus tricomas (los vellitos que recubren sus hojas).

▲ Las propiedades de las resinas han sido usadas para fabricar perfumes, inciensos y barnices.

▲ El chichico o bebeleche (Saguinus fuscicollis) suele alimentarse de frutas y semillas, pero también lame el látex y la resina de algunas especies.

1. Células taníferas: producen taninos, que son compuestos de sabor amargo, olor astringente y color castaño, que disuaden a los herbívoros de consumir las plantas que los producen o de ingerir los frutos inmaduros, cuyas semillas no están listas para germinar.
2. Cavidades lisígenas: se llaman así porque son espacios que se forman por la lisis (destrucción) de células, que luego se llenan de aceites o gomas. Los frutos de los cítricos contienen estas cavidades.
3. Conductos esquizógenos: al igual que los lisígenos, secretan sustancias hacia el interior de la planta, pero su formación es diferente. En lugar de que se destruya toda la célula, solo se desintegran las paredes que comunican unas células con otras, formando conductos distribuidos en algunos órganos de las plantas. Las resinas son compuestos fabricados especialmente por las coníferas (pinos, araucarias y cipreses) que ayudan a cicatrizar y proteger de infecciones a la planta.
4. Los laticíferos: secretan un tipo especial de líquido de apariencia lechosa, aunque también puede ser amarillo o transparente. Los laticíferos pueden estar formados por una sola célula muy larga o formar canales de varias células interconectadas. El látex contiene grasas, resinas, hidratos de carbono, ceras, mucílago, sales minerales y cristales. Su función es cicatrizante y, en varios casos, disuasiva. Las propiedades del látex de la sangre de drago(Croton spp.) o del lechero (Euphorbia laurifolia) son aplicadas en la medicina.

Interdisciplinariedad

Taninos y curtiembre

Los taninos de varias especies vegetales han sido usados desde tiempos inmemoriales para impedir que las pieles se pudran y para darles color. En el Ecuador, la planta silvestre más usada con este fin es el guarango (Caesalpinia spinosa), una especie que crece en los valles interandinos. El establecer cultivos de esta especie tiene varias ventajas, pues, además de los taninos, se pueden utilizar otros productos que ofrece, mientras suelos empobrecidos y degradados se vuelven productivos.

Regulación del crecimiento y desarrollo vegetal I

CN.B.5.3.8. Describir los mecanismos de regulación del crecimiento y desarrollo vegetal, experimentar e interpretar las variaciones del crecimiento y del desarrollo por la acción de las hormonas vegetales y la influencia de factores externos.

● Regulación del crecimiento y desarrollo vegetal I

Saberes previos

¿Qué factores pueden favorecer el crecimiento de un vegetal?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué necesita una semilla para transformarse en árbol?

Tejidos vegetales de crecimiento

Cuando los animales llegan a la edad adulta, generalmente su crecimiento se detiene, entonces empiezan a envejecer hasta cuando acaba su ciclo de vida.

Las plantas, en contraste, están en constante desarrollo y conservan la capacidad de reproducirse, tanto sexual como asexualmente (en la mayoría de los casos), por el resto de su vida. Para que esto suceda, han desarrollado un eficiente mecanismo de división celular que se encuentra en sus raíces, en las yemas de los tallos y, en el caso de los árboles, en los tejidos internos de sus troncos, dentro del tejido meristemático. A continuación, analizaremos las características de este tejido en el grupo taxonómico de las angiospermas (plantas con flores), pues son las más evolucionadas y las más comunes.

▲ Semillas que se abren paso para buscar su lugar bajo el Sol y empezar su ciclo de vida.

Las células que pertenecen al tejido meristemático están en constante mitosis, por lo que son células pequeñas, con un núcleo grande y paredes celulares delgadas. Cuando recién se dividen, las células meristemáticas son indiferenciadas y tienen dos destinos: seguirse multiplicando para permitir el crecimiento, o diferenciarse en células de otro tejido, con lo cual pierden la capacidad de seguir reproduciéndose.

Por su ubicación, el tejido meristemático se clasifica en:

1. Meristema apical: también llamado meristema primario, es el tejido que se desarrolla a partir del embrión y se encarga del incremento en longitud (crecimiento primario).
Se ubica en los ápices de las plantas, es decir, en las regiones terminales como las puntas de las raíces y las yemas que están al final del tallo.

▲ El desarrollo de las plantas requiere la multiplicación constante de las células de sus yemas.

▲ Las capas más externas de la raíz están en constante división mitótica. Además, las células de la cofia secretan mucílago para facilitar su desplazamiento entre los obstáculos del suelo.

Debido a que las células meristemáticas son muy delicadas, están recubiertas por escamas llamadas brácteas o por la cofia, en el caso de la raíz.

1. Meristema lateral: es el responsable del crecimiento de tallos y hojas, pues se encuentra en las yemas que el meristema apical va dejando atrás, a medida que la planta crece, y que genera los nudos de las plantas. Su crecimiento incrementa el grosor de las plantas herbáceas y de los tallos leñosos, lo que se conoce como crecimiento secundario. En este caso, el meristema lateral puede ser de uno de los siguientes dos tipos. El primero es el cámbium vascular que consiste en un cilindro de células que se divide en dos sentidos; las células que quedan hacia el centro del tronco se transforman en xilema, mientras que las células que quedan por fuera del cámbium se transforman en floema. El segundo tipo de meristema lateral es el felógeno, otro cilindro que se ubica cerca de la epidermis (el tejido superficial protector). Las células resultantes de la división del felógeno que quedan hacia el área central forman la felodermis, un tejido que se constituye por células de relleno (parénquima). Por otra parte, las células que quedan hacia afuera del felógeno se llaman súber, un tejido de células muertas, cuyas paredes están recubiertas de suberina, una sustancia protectora que, junto al aire contenido al interior de las células, protege al árbol de la pérdida excesiva de agua o de los ataques de animales. El conjunto de súber, felógeno y felodermis se conoce como peridermis.

▲ El súber del árbol mediterráneo, llamado alcornoque (Quercus suber), es lo que constituye el corcho.

La madera de un árbol se forma por la acumulación y persistencia de células del xilema, producido durante varios años de crecimiento, porque las células de floema que mueren prácticamente se desintegran.

TIC

Observa este video que explica un método para controlar la forma de los bonsáis:

​www.mayedu.ec/bio3/p174

Responde: ¿qué se consigue con esta técnica y qué sucede a nivel de tejidos de la planta?

▲ Tronco en el que se notan claramente los anillos de crecimiento anual.

El xilema más antiguo se recubre de más lignina y toma una apariencia más oscura. En este momento pasa a llamarse duramen y su función es el sostén y, en algunos casos, almacenamiento de gomas, resinas o aceites. El xilema más reciente se llama albura, tiene una apariencia clara y transporta agua y sales minerales.

Interdisciplinariedad

La balsa y su comercio

El Ecuador es el mayor exportador de la madera de balsa, la cual, por sus propiedades únicas, es muy requerida para varios fines. De rápido crecimiento, esta madera es la más liviana de todas, resistente, con gran flotabilidad y fácil de moldear, por lo que se la usa en la fabricación de cajas para mantener en buen estado productos, en el aeromodelismo o en las tablas de surf.

En países con cuatro estaciones se distinguen las células vasculares que crecen en cada estación en los troncos, pues en primavera, al haber mayor disponibilidad de agua, las células del xilema son más grandes que aquellas que se producen en el seco verano. De este modo, se forman patrones anuales a manera de anillos, los cuales permiten calcular la edad de un árbol que ha sido cortado. En países tropicales, esto no es posible, pues las células del xilema son irregulares por todo el año y, por tanto, no se forman estos anillos.

Los tejidos del tallo

Los tejidos presentes en el tronco, de afuera hacia adentro, son:

1. La capa superficial protectora o epidermis, cuya función es la protección, pero que ha perdido la capacidad de multiplicarse. En plantas herbáceas, esto no es problema porque solo tienen crecimiento primario (hacia arriba), pero en plantas perennes, el crecimiento de los troncos va a hacer que la epidermis se rompa y sea reemplazada por el súber.
2. La peridermis, que está presente solo en plantas leñosas y cuya función es de protección.
3. El cámbium vascular, que hacia adentro produce xilema (la médula del tronco) y hacia afuera, floema. Se consideran como la corteza del tronco los tejidos externos que abarcan desde la epidermis hasta el floema.

Regulación del crecimiento y desarrollo vegetal II

CN.B.5.3.8. Describir los mecanismos de regulación del crecimiento y desarrollo vegetal, experimentar e interpretar las variaciones del crecimiento y del desarrollo por la acción de las hormonas vegetales y la influencia de factores externos.

● Regulación del crecimiento y desarrollo vegetal II

Saberes previos

¿Solamente los animales tienen hormonas?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué similitudes y diferencias identificas en el comportamiento de plantas y animales al momento de regular sus funciones vitales?

El papel de las hormonas vegetales

Las hormonas son mensajeras químicas que, en pequeñas cantidades, actúan sobre los tejidos u órganos de los seres vivos para regular su funcionamiento; por lo tanto, su papel en el crecimiento y desarrollo vegetal es protagónico. A continuación revisaremos el papel específico de las fitohormonas más importantes.

1. Regulación de la germinación: la semilla puede mantenerse latente durante mucho tiempo sin destruirse, hasta que las condiciones ambientales sean las adecuadas. Esta posibilidad está dada por la acción del ácido abscísico, una fitohormona que permite la tolerancia del embrión a la alta deshidratación. Cuando la temperatura o la humedad ambiental lavan este ácido, la germinación empieza a desarrollarse. En ese momento las hormonas giberelinas estimulan el rápido crecimiento del embrión, al liberar enzimas que ponen a su disposición los nutrientes del endosperma de la semilla.
Cuando esto sucede, el ápice radical empieza a multiplicarse rápidamente, rompe la cubierta seminal y se extiende, para anclarse en el suelo y empezar a captar la humedad y minerales necesarios para seguir creciendo.

▲ El banano se cosecha inmaduro, pero se somete a un baño de etileno, una fitohormona que controla su maduración hasta que llegue a su destino final.

▲ En el proceso de germinación, la disminución del ácido abscísico da la pauta para que las giberelinas liberen enzimas que permiten la nutrición y desarrollo del embrión.

▲ Si se logra un buen manejo de las podas de yemas apicales y raíces en un bonsái, no solo se puede conseguir un árbol enano, sino también flores y hasta frutos.

Por su parte, el hipocotilo aprovecha bien las reservas alimenticias del endosperma y genera rápidamente las primeras hojas, las cuales empezarán a fotosintetizar para iniciar la vida autótrofa.

1. El crecimiento: en este momento, la planta necesita estirarse rápidamente, para lo cual actúa la hormona auxina, que se produce a nivel de los meristemos apicales, tanto de las raíces como del vástago. Su papel es importante para determinar el fototropismo (crecimiento en dirección a la luz del Sol), el gravitropismo (el crecimiento de las raíces en dirección al centro de gravedad) y el tigmotropismo (crecimiento desigual de las células que permite que las plantas trepadoras puedan sostenerse por medio de sus zarcillos).
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Las auxinas también son responsables del fenómeno que se conoce como dominancia apical, que consiste en la inhibición del crecimiento de las yemas laterales (que originan nuevas ramas), mientras la planta no se haya estirado lo suficiente. Esta es la razón de las podas selectivas que hacen los agricultores, quienes crían bonsáis y esculpen arbustos.

TIC

Observa el video “Poda apical de la guayaba para aumentar su producción”:

www.mayedu.ec/bio3/p177

Responde: ¿qué ocurre con la planta si no se hace la poda apical?

▲ Distribución de las auxinas en la planta, en dependencia de cómo se recibe la luz solar.

Laboratorio casero

Enraizante para esquejes

El éxito de la reproducción vegetativa de plantas por esquejes (pedazos del tallo) depende, entre otras cosas, de su rapidez en producir raíces. Para acelerar este proceso, se puede utilizar un enraizante natural hecho con canela. Para ello, hierve 10 astillas largas de canela en un litro de agua por 20 minutos. Deja reposar la infusión por 24 horas. Luego la tamizas y está lista para ser usada directamente sobre la tierra donde tengas el esqueje, o mezclada con el agua en la que está remojado, hasta producir raíces.

▲ En este esquema se observa cómo las auxinas y el etileno trabajan de forma coordinada para mantener o permitir la caída de las hojas de una planta.

Interdisciplinariedad

El etileno y la industria

Procesos de polimerización del etileno producen el polietileno, el plástico más utilizado en el mundo.

1. Diferenciación de los órganos de las plantas: una vez que se consolida el crecimiento primario, el secundario (a lo ancho) empieza a desarrollarse. Las ramas se estiran, los troncos se ensanchan, se producen muchas hojas fotosintéticas para suministrar energía, y los haces vasculares están plenamente desarrollados. Las citocininas propician una rápida reproducción celular en las yemas laterales, mantienen vitales las hojas, y generan flores y frutos. Otra fitohormona, el etileno, favorece que las frutas maduren para atraer a los agentes dispersores, entre los que están los animales que se alimentan de ellas, o que llevan las semillas adheridas en su piel hacia otros lugares. Otra función del etileno es hacer que hojas, flores y frutas caigan del árbol cuando están maduras.
De esta manera, todas las estructuras de la planta están diferenciadas y listas para cumplir con su papel de perpetuar la especie, por medio de la reproducción.

Papel de los factores externos en el desarrollo de las plantas

▲ La temporada de verano en el bosque seco tropical estimula la caída de hojas para evitar la excesiva pérdida de agua por evapotranspiración.

Además del rol que juegan las hormonas en la germinación, crecimiento y desarrollo de las plantas, algunos factores ambientales también inciden en su fisiología. Por ejemplo, cambios en la disponibilidad de luz solar durante el otoño harán que las hojas pierdan clorofila y, por lo tanto, los pigmentos amarillos, rojos y castaños serán los que dominen.

En los bosques tropicales, la poca disponibilidad de agua durante el verano hará que las hojas caigan y sea tiempo de la dispersión de semillas llevadas por el viento. La correcta concentración de sales minerales y nutrientes que obtiene la planta del medio también incidirá en aprovechar todo el potencial genético con el que la planta cuenta para su desarrollo.

Reproducción de las plantas I

CN.B.5.3.9. Observar y analizar los procesos de reproducción de las plantas, elaborar modelos del desarrollo embrionario, e identificar el origen de las células y la diferenciación de las estructuras.

● Reproducción de las plantas I

Saberes previos

¿Qué formas de reproducción recuerdas en vegetales?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué es necesario todo el gasto de energía que se emplea en la producción de semillas?

La alternancia de generaciones en vegetales

Para facilitar la explicación de lo que se entiende por alternancia de generaciones, haremos referencia a lo que sucede en los animales, los cuales, después de que los gametos (generación haploide) se juntan para formar un cigoto (2n), inician una nueva forma de vida independiente, que desde la fase de embrión tendrá un contenido diploide. Los gametos, por sí solos, no tienen la capacidad de multiplicarse y son funcionales por periodos cortos. La generación haploide es pasajera y el individuo animal solo se desarrolla a partir de la generación diploide.

▲ Las plantas gastan una gran cantidad de energía en la producción de muchas semillas, para garantizar que, al menos unas cuantas, logren germinar.

En contraste, los vegetales, sobre todo aquellos que evolutivamente son más primitivos (como musgos, hepáticas, licopodios, equisetos y helechos), pueden generar formas de vida independientes, a partir de la generación haploide.

El ciclo empieza cuando la planta adulta (diploide), que se llama esporofito, en lugar de producir gametos, produce esporas (n) mediante meiosis. Las esporas son tan pequeñas que pueden dispersarse fácilmente por el viento y llegar a lugares muy distantes. Cuando las esporas germinan, producen estructuras, llamadas gametofitos (n), a veces muy pequeños y en otros casos conspicuos, que pueden perdurar algunos meses y son capaces de hacer fotosíntesis para sustentarse.

▲ En los helechos, el gametofito es conspicuo.

▲ El nuevo esporofito crecerá y formará nuevas esporas, las cuales se alojan en el envés de la hoja, hasta que puedan dispersarse con la ayuda del viento o del agua.

La función del gametofito es producir óvulos y espermatozoides, por medio de divisiones mitóticas, para lo cual dependen del agua ambiental que les permite nadar, encontrarse, fecundarse y generar un nuevo embrión. Dentro de un mismo gametofito se producirán los dos gametos, pero en épocas diferentes, con lo cual la planta favorece la fecundación cruzada y la variabilidad genética que se busca con la reproducción sexual.

El esporofito resultante crece a partir del gametofito donde se formó el cigoto. Cabe destacar que esta estrategia reproductiva, si bien ha permitido la supervivencia de musgos y helechos desde hace millones de años, todavía los mantiene dependientes de ambientes húmedos, pues en ausencia de agua, los gametos no pueden nadar y encontrarse.

Las plantas con semilla

Un gran salto evolutivo que permitió a las plantas ser más exitosas en la colonización de nuevos ambientes fue el desarrollo de la semilla, estructura reproductiva que se genera a partir de un óvulo maduro fecundado por el gameto masculino y que protege al embrión de las inclemencias del tiempo atmosférico y de la desecación. La semilla permite que el embrión permanezca latente, sin sufrir daños, por largos periodos de tiempo. Además, suministra alimento al embrión durante los primeros días de vida después de la germinación, mientras el vástago desarrolla su capacidad de hacer fotosíntesis.

▲ a) Conos reproductivos en cícada, una conífera considerada como un fósil viviente. b) Una flor de magnolia, la angiosperma que se considera como una de las más primitivas.

Existen dos tipos de plantas con semilla, bien representadas en los ecosistemas actuales: las gimnospermas (coníferas como los pinos y cipreses) y las angiospermas o plantas con flores.

TIC

Observa en este video el ciclo de vida de las coníferas:

www.mayedu.ec/bio3/p182

Responde: ¿en qué tipo de hábitats vive la mayor cantidad de coníferas?

En las plantas con semilla, el gametofito se ha reducido a pequeñas estructuras dependientes del esporofito (tal como sucede en los animales). Estos gametofitos constituyen el grano de polen (donde está alojado el espermatozoide), y los tejidos que rodean al óvulo, que originarán la protección del embrión en la semilla.

Reproducción en las gimnospermas

El término gimnosperma (“semilla desnuda”, en griego) hace referencia a que la semilla de estas plantas carece de estructuras protectoras (función que en las angiospermas es asumida por el fruto). Por esta razón, las semillas de las gimnospermas se alojan en conos reproductivos masculinos y femeninos que son la causa de que comúnmente se las conozca como coníferas.

Los conos masculinos, generalmente, son más pequeños y, a diferencia de lo que se muestra en el esquema, están ubicados bajo los femeninos, para así evitar la autofecundación, pues el principal agente polinizador en las gimnospermas es el viento. Una vez que un grano de polen ha logrado alcanzar un cono femenino, se ve atrapado por resinas y líquidos azucarados pegajosos y empieza a emitir un tubo polínico, por donde se movilizarán los espermatozoides hasta el óvulo para fecundarlo.

Interdisciplinariedad

La invención del papel
y el desarrollo de la cultura

El reemplazo de la seda y el bambú en China y el pergamino en Europa por papel hecho a partir de pulpa de madera, en diferentes épocas históricas, influyó en la consolidación de una cultura escrita por sobre la oral y en el desarrollo de la sociedad (Lasso, 2017).

Luego se formará la semilla, con la colaboración de tejidos que crecen dentro del óvulo, en un proceso que se detallará más adelante. Las semillas de las coníferas tienen estructuras parecidas a alas, que les permiten dispersarse con ayuda del viento.

▲ Ciclo de vida de un pino: se destaca de qué manera sucede la fecundación y la formación de semillas aladas.

Reproducción de las plantas II

CN.B.5.3.9. Observar y analizar los procesos de reproducción de las plantas, elaborar modelos del desarrollo embrionario, e identificar el origen de las células y la diferenciación de las estructuras.

Reproducción de las plantas II

Saberes previos

¿Cuáles son los tipos de reproducción en vegetales?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué las plantas con flor han desplazado a otros grupos botánicos?

La reproducción de las angiospermas

Las angiospermas son las plantas evolutivamente más complejas y al mismo tiempo mejor distribuidas en el planeta, en la actualidad. Su éxito por sobre los otros grupos botánicos se debe, entre otros factores, a su eficiencia al momento de reproducirse y al desarrollo de estrategias que les han permitido colonizar y adaptarse a las condiciones de casi todos los ambientes. Sus formas de vida son muy variadas y su presencia ha generado un impacto moderador del clima y nuevas posibilidades de encontrar alimento o refugio para numerosos organismos.

▲ Izquierda: las flores han tenido que desarrollar colores, fragancias y recompensas alimenticias para atraer a los potenciales polinizadores. Derecha: el lirio de agua del Amazonas (Victoria amazónica) pertenece a una de las familias de angiospermas más primitivas.

Existen registros fósiles de angiospermas a partir del Cretácico inferior (hace 130 millones de años), por lo que se cree que se originaron antes de ese periodo. Se piensa que las hojas modificadas que dieron origen a las estructuras florales tuvieron la función de envolver al polen y a las semillas, para protegerlos de los depredadores. Con el tiempo, se desarrollaron estrategias para atraer y recompensar a los animales que visitaban estas estructuras y llevaban el polen de un individuo a otro, facilitando la fecundación cruzada y la dispersión de la semilla que ahora contaba con la protección de un fruto.

TIC

Observa este video sobre la polinización de orquídeas y analiza las estrategias que han desarrollado estas plantas (que se consideran las más evolucionadas) para garantizar su fecundación:

www.mayedu.ec/bio3/p184

Características de la flor

El desarrollo de las flores fue un proceso progresivo que todavía está en perfeccionamiento, pero, en términos generales, las flores constan de las siguientes piezas florales:

1. El cáliz: formado por hojas de color verde, denominadas sépalos, los cuales forman una estructura de protección y sostén para el resto de la flor.
2. La corola: constituida por los pétalos, hojas que se han modificado al pigmentarse para atraer a los polinizadores. En el caso de flores con pétalos pequeños y poco llamativos, se presume que su principal agente polinizador es el viento.
3. El androceo: conformado por los estambres, que son las estructuras que protegen y generan los granos de polen, constituidos generalmente por un largo filamento y dos anteras.
4. El gineceo: formado por uno o más carpelos (pistilos), estructuras que protegen al óvulo y en las que se distinguen tres partes: el estigma, que es la porción terminal y tiene la función de atrapar a los granos de polen. Luego está el estilo que es un tubo alargado que se conecta con el tercer elemento: el ovario, donde se alojan los óvulos.

▲ Estructura de una flor hermafrodita o dioica.

Las flores tienen gran variedad de conformaciones y formas. Las hay unisexuales (o monoicas), es decir, que solo tienen estambres o pistilos, o dioicas. Pueden ser simples o compuestas. Desarrollan varias estrategias para asegurar la fecundación, como por ejemplo la producción de néctar o fragancias, formas o colores atractivos, que garanticen la reproducción de la planta.

La doble fecundación de las angiospermas

Otra característica de las angiospermas es lo que se conoce como doble fecundación. El gametofito masculino, que forma el grano de polen maduro, consta de una membrana externa llamada exina y de una interna (intina), las cuales protegen a un núcleo vegetativo y a otro generativo, ambos núcleos de contenido haploide.

▲ La forma de la exina varía en cada especie.

Por su parte, el gametofito femenino u óvulo está constituido por los tegumentos que protegen a siete células haploides, entre las cuales están la oósfera y dos núcleos del endosperma. Tras el reconocimiento que hace el estigma del grano de polen que pertenece a su especie, gracias a la forma particular de su exina, el líquido viscoso producido por el estigma hace que el polen se hinche y por uno de sus poros salga una prolongación que busca al óvulo. Esta estructura es el tubo polínico y se forma por acción del núcleo vegetativo.

▲ En el esquema se observa el proceso de fecundación en un carpelo de dos óvulos, al que han llegado dos granos de polen.

Al mismo tiempo, el núcleo generativo se divide por mitosis para producir dos anterozoides, uno de los cuales se une a la oósfera para generar el cigoto, mientras que el otro fecunda a los dos núcleos centrales del óvulo para formar lo que se conoce como endosperma (3n). Ha ocurrido la doble fecundación, a partir de la cual las estructuras del óvulo se transformarán en semilla, mientras que el ovario se convertirá en el fruto que la protege.

Nota curiosa. El café más caro del mundo proviene de Indonesia y obtiene sus cualidades después de que la fruta ha sido digerida parcialmente por un mamífero, y su semilla ha sido recolectada de sus excrementos.

Estructura de la semilla

Cada flor puede tener uno o muchísimos óvulos. Aquellos óvulos fecundados darán origen a una semilla, estructura que protege y nutre al embrión y le permite permanecer funcional, pese a las duras condiciones ambientales, antes de poder germinar. Los tegumentos del óvulo cubren a la semilla para darle protección y el endosperma contiene reservas alimenticias para el embrión (el cual esperará las condiciones adecuadas) y las hormonas que permiten su desarrollo.

▲ Diferencias entre las semillas monocotiledóneas y dicotiledóneas, los dos tipos en los que se clasifican las angiospermas.

El fruto

El fruto que se desarrolla a partir de un ovario con óvulos fecundados tiene la función de proteger a la semilla y, sobre todo, de facilitar su dispersión. Para ello cuenta con varias estrategias: al ser carnoso, dulce o aromático, atrae animales para que se lo coman y lleven sus semillas a un lugar lejano, donde no sean competencia para sus progenitores.

Los frutos también pueden ser secos, tener pelos o espinas, para adherirse al pelaje de sus dispersores; o tener la capacidad de flotar para ser arrastrados por los ríos; o ser muy ligeros para volar con el viento.

La biotecnología en la agricultura y medicina

CN.B.5.5.4. Indagar sobre el desarrollo de la biotecnología en el campo de la medicina y la agricultura, e interpretar su aplicación en el mejoramiento de la alimentación y la nutrición de las personas.

● La biotecnología en la agricultura y medicina

Saberes previos

¿Cómo se produce el queso?

Desequilibrio cognitivo

¿Puede la biotecnología ofrecer soluciones definitivas al hambre y a la enfermedad?

▲ Los avances científicos de las últimas décadas son impresionantes y, sin embargo, la humanidad está lejos de una vida ideal.

La producción masiva de alimentos

En páginas previas definimos el campo de acción de la biotecnología y se revisaron algunos métodos que tenían la finalidad de mejorar la producción y calidad de alimentos y medicinas, utilizando organismos genéticamente modificados, por citar un ejemplo.

En esta lección conoceremos hacia dónde se dirige la inversión en investigación biotecnológica, tomando en cuenta los desafíos contemporáneos en los campos de la alimentación y la salud.

El último informe de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) sobre el estado mundial de la alimentación da cuenta de las graves consecuencias que se esperan en los próximos años sobre la soberanía alimentaria, como consecuencia del cambio climático. Se explica que no solo se afectará el precio de los alimentos, sino también la cantidad producida debido a la alteración que sufrirán los cultivos y la producción de ganado y pesca, siendo los agricultores los más afectados (FAO, 2016). Es por esto que entre las recomendaciones para la mitigación y adaptación de los impactos producidos por el cambio climático, la FAO propone el desarrollo y un mayor acceso a aquellas tecnologías que generen una producción más eficiente.

Ante esto, la biotecnología brinda herramientas para lograr más eficiencia y sostenibilidad en la producción masiva (como los monocultivos), para lo cual, además de las mejoras genéticas, los transgénicos, la propagación in vitro y los biofertilizantes –que explicamos antes–, está implementando otras estrategias que veremos a continuación.

▲ Dos métodos usados para obtener maíz transgénico, cuyos principios detallamos en la unidad 4.

▲ Se investigan activamente las propiedades químicas del ajo que repelen a ciertas plagas, con la esperanza de que se convierta en un eficiente biopesticida.

1. Los biopesticidas. Los monocultivos ofrecen las condiciones para que se desarrollen plagas que merman su productividad. Tradicionalmente se han utilizado químicos sintéticos para controlar el problema, pero estos son tóxicos para quienes consumen esas plantas, para quienes aplican el producto y para el agua, suelo y aire circundantes. Una alternativa es el desarrollo de controladores biológicos, es decir, plantas, insectos, hongos, virus o bacterias que frenen el desarrollo de las plagas sin causar daños a la salud de las personas ni del ambiente.
2. Resistencia al estrés causado por factores ambientales.
Muchas veces, los cultivos se dañan cuando hay cambios ambientales bruscos como, por ejemplo, el aumento de radiación solar o las repentinas heladas. En este último caso en específico, hay dos bacterias (Pseudomonas syringae y Erwinia herbicola), presentes en las plantas, que producen una proteína que facilita la formación de hielo en las células vegetales, lo cual produce su muerte. Los investigadores han logrado modificar el gen que produce esta proteína para conseguir que la planta sea más resistente a los fríos extremos.

▲ Actualmente se pueden disminuir los efectos de la fibrosis quística aplicando terapia génica.

1. Cereales que captan directamente el nitrógeno. Normalmente, las plantas leguminosas obtienen el nitrógeno necesario para su metabolismo gracias a la intervención de bacterias nitrificantes que viven en simbiosis dentro de sus raíces. Ya se ha logrado traspasar el gen de estas bacterias a algunos cereales para que hagan este trabajo sin necesitar de las bacterias.

Ejemplos de biotecnología aplicada a la medicina

La terapia génica es un campo con amplia investigación y en auge. Esta identifica el gen que produce una enfermedad y lo reemplaza por un gen saludable o incluye ese gen en las células para que produzca la proteína necesaria para evitar la enfermedad. Esta tecnología se aplica con éxito incluso en bebés que aún están en el vientre materno, evitando que al momento de su nacimiento presenten problemas.

▲ Bacterias fijadoras de nitrógeno dentro de la raíz de una leguminosa.

TIC

Entra a ver el siguiente reportaje que se llama “Nacimiento de bebé con ADN de tres padres en México” y analiza de qué manera la falta de regulaciones sobre este tipo de experimentos plantea una oportunidad y un peligro.

www.mayedu.ec/bio3/p190

El caso de los llamados bebés de tres padres que se han logrado obtener en Inglaterra y en México ha suscitado gran polémica. Se trata de un método que permite tener bebés sanos a padres que de otra manera perderían a sus hijos tras los primeros años de vida. El método, sin embargo, plantea algunos cuestionamientos éticos. Esta técnica se ha aplicado cuando la madre es transmisora de una alteración en el ADN mitocondrial que causa el síndrome de Leigh, en el cual el bebé nace con un daño neurológico que va progresando y causa su muerte. Las dos técnicas que se han empleado en este tipo de terapia se diferencian en que la primera produce dos cigotos diferentes, uno que surge de la fertilización de la madre con el esperma del padre; y otro que proviene del óvulo de una mujer donadora sana, fertilizado con el esperma del padre. Se extraen los núcleos de los dos cigotos, se inserta el núcleo de la madre en el cigoto obtenido con el óvulo de la donadora, y se lo implanta en el útero de la madre, con lo que el embrión puede continuar su desarrollo. En esta técnica el otro embrión creado se desecha.

La segunda técnica difiere de la anterior en el hecho de que no se trabaja con cigotos, sino más bien con los óvulos. Al óvulo de la donante se le quita el núcleo y se inserta el núcleo de la madre, con lo que luego de la fertilización in vitro con el esperma del padre, se obtiene un embrión normal. Esta técnica tiene menos reparos éticos, pues no se desecha ningún embrión que potencialmente podría generar un nuevo ser.

▲ Procedimiento usado para crear el llamado “bebé con ADN de tres padres”.

Estos y otros procedimientos que revisamos con anterioridad –como la obtención de proteínas, vacunas o la destrucción de células cancerígenas por medio de la nanotecnología– hacen que el ser humano que tiene los recursos económicos para acceder a estos tratamientos alargue su expectativa de vida, pero las consecuencias a largo plazo sobre la población en general están todavía por verse.

Interdisciplinariedad

Biotecnología y floricultura

El color azul de las rosas fue creado por biotecnología al extraer de la flor de pensamiento el gen que produce el pigmento azul (delfinidina), que no es natural en las rosas.

Laboratorio 6

Laboratorio 6

Efecto del etileno sobre el crecimiento de plántulas

Materiales

- 10 semillas secas de arveja
- 10 recipientes pequeños (vasos reciclados) para la siembra de las semillas
- Tierra abonada
- Una manzana
- Dos bolsas plásticas de color negro, grandes
- Agua

Objetivo

Verificar la acción de una hormona vegetal en la regulación del crecimiento, luego de la germinación.

Introducción

El etileno es la única hormona vegetal que a temperatura ambiente se presenta en forma de gas. Esta hormona es la responsable de la maduración de las frutas y su caída del árbol, pero también influye en el crecimiento, provocando lo que Neljubov, en 1901, denominó “la respuesta triple al etileno en las primeras fases del desarrollo de las plantas”. Debido a que la producción de etileno es constante en frutas llamadas climatéricas, como la manzana o el banano, su uso se facilita en prácticas de laboratorio como la que tenemos a continuación, y se presta a varias modificaciones experimentales.

Procedimiento

1. Colocar la tierra abonada en los recipientes reciclados y sembrar las semillas de arveja, enterrándolas a una distancia tres veces mayor que su diámetro, aproximadamente.
2. Humedecer la tierra.
3. Acomodar cinco recipientes dentro de una bolsa plástica, junto con la manzana, y hacer un nudo, cuidando de dejar dentro todo el aire que sea posible.
4. Guardar el resto de recipientes en la otra bolsa plástica y hacer el nudo, de la misma manera que se hizo anteriormente.
5. Dejar los recipientes en un lugar protegido y fresco.
6. Observar los resultados al cabo de una semana.
7. Registrar los resultados por medio de fotografías o dibujos.

▲ Imagen 1. Materiales necesarios para la práctica.

Resultados y conclusiones

Compara el crecimiento de las plántulas de muestra y las que estuvieron expuestas al etileno de la manzana. Consulta en qué consiste la triple respuesta al etileno planteada por Neljubov y determina si tus resultados concuerdan con esta teoría. Responde: ¿por qué piensas que se utiliza una manzana en lugar de otra fruta climatérica?

Bibliografía

Recuerda poner la bibliografía de las fuentes que consultes en formato APA.

Laboratorio 7

Laboratorio 7

Estructura de la flor

Materiales

- 2 flores que pertenezcan a seis especies diferentes (12 flores en total)
- Estiletes u hojas de afeitar
- Agujas de disección
- Tijeras
- Placas porta y cubreobjetos
- Agua
- Microscopio
- Lupa

Objetivo

Reconocer la diversidad de forma y disposición de las estructuras que conforman diferentes tipos de flores.

Introducción

La flor cumple con la función de reproducir sexualmente a las plantas angiospermas. En su estructura pueden estar presentes las cuatro piezas florales (cáliz, corola, androceo y gineceo) o carecer ya sea de androceo o de gineceo. También la disposición de las flores en la planta puede presentar muchas variaciones, pues hay flores simples o compuestas, con variedad de colores y estrategias para atraer a los polinizadores. En la presente práctica se compararán las piezas florales de varias muestras, identificando sus particularidades y relacionándolas con la estrategia reproductiva de la especie. Para ello, se puede recurrir a la información de respaldo que se encuentra en el portal: www.mayaedu.ec/bio3/p193

Procedimiento

▲ Disección de una planta en laboratorio.

1. Antes de abrir las flores, identificar sus piezas florales y determinar si son flores simples o compuestas, dioicas o monoicas. Usar la información de la página web para conocer su clasificación. Hacer los dibujos correspondientes.
2. Con la ayuda del estilete o de la hoja de afeitar, cortar el cáliz y la corola para poder observar la disposición del androceo y del gineceo. Hacer los dibujos correspondientes.
3. Determinar las estrategias reproductivas de la flor para atraer polinizadores (colores, presencia de nectarios, fragancias, etc.).
4. Poner en los portaobjetos granos de polen y óvulos de las diferentes flores y observar a través del microscopio. Hacer los dibujos correspondientes.

Resultados y conclusiones

En el informe, coloca los dibujos de cada flor y relaciona la presencia de las estructuras florales con su estrategia para asegurar la polinización. Determina su clasificación de acuerdo con sus piezas florales, forma del cáliz, corola, disposición del ovario, si es simple o pertenece a una inflorescencia.

Bibliografía

Recuerda anotar la bibliografía de las fuentes que consultes en formato APA.