Secretos de las semillas
Alejandra A. Covarrubias Robles e Inti A. Arroyo Mosso
Foto: revista ¿Cómo ves?
El sueño de los inocentes
Paseas por la playa o por un paisaje yermo y te encuentras unas semillas. Te parece curioso: ¿de dónde vendrán? Decides guardarlas por curiosidad y un buen día se te ocurre ponerlas sobre un algodoncito húmedo, a ver qué pasa. Para tu sorpresa una se abre y del interior surgen un tallo y unas primeras hojitas. Quién sabe cuánto tiempo llevaban allí; tal vez pasaron por temperaturas muy altas o por crueles heladas, tal vez las llevó el mar, posiblemente les tocaron sequías… ¿Cómo puede ser que, después de todo eso, baste un poco de humedad para que germine como si nada una plantita bebé?
A veces podemos conocer la antigüedad de las semillas y nos llevamos sorpresas. Un ejemplo fascinante proviene de Masada, una fortaleza en el desierto de Judea, Israel. En el invierno del año 73 d. C., tras un asedio romano, los rebeldes judíos que se refugiaban allí prefirieron acabar con su vida que rendirse. Antes de morir los rebeldes quemaron sus pertenencias, herramientas y cosechas, las cuales quedaron apiladas en un montoncito. Mucho tiempo después unos arqueólogos que excavaban en el sitio encontraron, entre otros objetos, semillas de dátil (el fruto de una palmera que se cultivaba en Judea y era muy apreciada en los tiempos de Cleopatra y el rey David). Cuando analizaron las semillas en un laboratorio con técnicas de datación basadas en su contenido de carbono radiactivo descubrieron que se cosecharon hace dos mil años.
El biólogo conservacionista Thor Hanson re-lata en su libro El triunfo de las semillas que la experta en agricultura Elaine Solowey recibió tres de las semillas de Masada y, sin muchas esperanzas, decidió plantarlas. Primero las puso en cuarentena para eliminar patógenos u otros organismos que pudieran interferir con su germinación. Luego las colocó en un ambiente húmedo por 24 horas en presencia de una hormona que promueve la germinación, y las trató por varias horas con diferentes soluciones estimulantes del crecimiento a 35º C. Después las sembró en un suelo estéril. Para su asombro, una germinó y creció hasta convertirse en una palma que en 2015 ya estaba en floración y produciendo polen. Hasta donde sabemos es la semilla más antigua que se ha hecho germinar con éxito.
Palma de la semilla Matusalén, de casi dos mil años de antigüedad. Foto cortesía de Guy Eisner
El germen de la vida (y la muerte)
Toma un frijol o un garbanzo o un cacahuate, sostenlo y obsérvalo con cuidado. ¿Estas cosas están vivas? ¿No es una idea inquietante? ¿Y qué hace que puedan sobrevivir tanto tiempo almacenadas o tiradas en el suelo?
Aunque parecen secas e inertes todas las semillas tienen adentro un embrión en estado latente. Durante este estado se detiene el metabolismo del embrión (el conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células para mantener la vida) y todos sus procesos quedan en pausa hasta que reciba la humedad necesaria para despertar y comenzar a crecer.
Las semillas son el secreto mejor guardado de un grupo de plantas llamadas espermatofitas, que son las plantas con semilla (hay muchas otras plantas que se reproducen sin ellas, por ejemplo dividiéndose o mediante esporas). Las semillas, con su capacidad de permanecer largo tiempo en estado latente, son una ventaja adaptativa que les permitió a estas plantas dominar la flora de la época. Con el tiempo desarrollaron además estrategias sorprendentes para resistir condiciones extremas. Así conquistaron casi todas las regiones de este planeta. Algunas pueden sobrevivir incendios, heladas, sequías prolongadas e incluso el paso por el tracto digestivo de los animales. Otras, conocidas como pirófitas, requieren el calor del fuego para activarse, de modo que sólo pueden germinar tras un incendio.
Para saber la edad de las semillas se usa un método llamado datación por radiocarbono, que puede usarse en materiales orgánicos de hasta 50 000 o 60 000 años de antigüedad. El método consiste en medir la cantidad de carbono 14 en la muestra. El carbono 14 (C14) es una variante radiactiva del elemento carbono. El C14 —que naturalmente se encuentra en el ambiente— se incorpora en todos los organismos vivos a lo largo de su vida y deja de hacerlo cuando el organismo muere. A partir de ese momento, la cantidad de C14 en los restos empieza a disminuir, a medida que los átomos radiactivos se van desintegrando. Sabemos que una muestra de C14 se reduce a la mitad cada 5 700 años (lo que se conoce como vida media del material radiactivo). Si cada 5 700 años se desintegra la mitad del C14 original, midiendo el que queda y comparándolo con el que tendría un organismo vivo se puede calcular cuántas vidas medias del C14 han transcurrido, lo que arroja una estimación del tiempo transcurrido desde la muerte.
Además de ser unas increíbles cápsulas de tiempo para embriones de plantas, las semillas han sido esenciales en la historia de la humanidad. Granos como el maíz, el trigo, el arroz y la cebada han sustentado civilizaciones enteras, y las leguminosas, como el frijol, el garbanzo o las lentejas, siguen siendo fundamentales para nutrirnos, gracias a las proteínas, almidones y aceites que se acumulan durante el desarrollo y la maduración de la semilla en la planta. Además de alimento para el ganado y las aves domésticas, con ellas obtenemos harinas para hacer pan y tortillas. En muchas gastronomías del mundo son importantes las harinas de garbanzo, lentejas, almendra, arroz y más.
Las semillas a veces nos dan vida y a veces nos matan. Han evolucionado para defenderse del ataque de muchos organismos que, como nosotros, también quieren comérselas; para ello han desarrollado sustancias tóxicas que o matan o disuaden a sus depredadores, incluidos nosotros. Un caso famoso de muerte por semillas es el del asesinato, en 1978, del periodista búlgaro Georgi Márkov, que fue envenenado mediante un perdigón contaminado con ricina. Esta sustancia se extrae de la semilla del ricino, un arbusto originario de África, y es el veneno perfecto para eliminar silenciosamente a un enemigo porque es muy letal y hasta ahora no se conoce un antídoto.
Alejandro Arroyo-Mosso
Viaje a la semilla
Para que se forme una semilla dentro de la planta primero debe ser fertilizada. Luego se forman el embrión, el endospermo (que es el tejido que almacena los nutrientes que necesitará la plántula cuando germine) y la cubierta de la semilla o testa. En la última etapa de este proceso las partes maduran hasta que alcanzan una fase en la que todos los procesos se detienen. La semilla pierde agua poco a poco, toda su actividad metabólica se inactiva y queda latente. Este proceso de desecación es obligatorio: si no ocurre, el embrión no germinará con éxito. Es increíble que haya evolucionado un proceso que exige poner al borde de la muerte el único medio de reproducción sexual de las plantas con semillas. La pregunta es cómo puede el embrión soportar tal embate y aun así generar una planta vigorosa.
Este proceso está controlado por señales ambientales, como la pérdida de agua que ocurre inicialmente al separarse la semilla de la planta madre, y por proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas que les indican a las células de la semilla cuándo inducir la desecación que permite a la semilla madurar. Al mismo tiempo las semillas producen otro conjunto de macromoléculas que conforman equipos protectores que evitan el daño causado por la falta de agua. El agua es esencial en todos los organismos porque, entre otras cosas, permite que exista dentro de la célula un entorno en el que se pueden realizar todas las reacciones químicas que la hacen funcionar. ¿Cuáles son las consecuencias de un estado de desecación? Daños en las estructuras de las paredes celulares y de las membranas y en la integridad de los organelos, como los cloroplastos, las mitocondrias y los núcleos. También provoca que se pierda una estructura que hace funcionar la mayoría de las proteínas y que dejen de funcionar el arn, los ribosomas y muchas otras moléculas esenciales.
Embriogénesis y desarrollo de semillas
Suena catastrófico para cualquier célula, pero las semillas tienen formas de tolerar un estado de extrema deshidratación (hasta dejarlas con entre 10 y 1 % de agua, según la especie). Y no sólo esto: la semilla también debe contrarrestar el deterioro provocado durante la rehidratación. Aún no conocemos muchos de los mecanismos implicados en esta tolerancia, pero a lo largo de muchos años varios grupos de investigación, entre ellos el nuestro, han logrado obtener respuestas a las preguntas que suscita este extraordinario fenómeno.
Hoy sabemos que antes y durante el proceso de deshidratación la semilla se protege acumulando principalmente proteínas, arn mensajero y azúcares que le permiten mantener la integridad de las paredes y membranas, así como de las proteínas y de las moléculas de adn y arn. Entre estos protectores se encuentran unas proteínas llamadas chaperonas, que previenen que se pierdan las estructuras funcionales en las proteínas o que ayudan a recuperarlas. También se sintetizan enzimas y compuestos antioxidantes que ayudan a eliminar los daños provocados por el oxígeno en proteínas, ácidos nucleicos y componentes de membranas, entre otras moléculas esenciales para el funcionamiento de la célula.
Unas proteínas muy interesantes, que se acumulan en grandes cantidades en la fase de desecación y se degradan durante la germinación, son las que se conocen como proteínas abundantes de la embriogénesis tardía (comúnmente llamadas proteínas lea, del inglés late embryogenesis abundant). Las lea tienen una estructura muy flexible que se debe a su composición de aminoácidos. Son lo que se conoce como proteínas intrínsecamente desordenadas (ver “El desorden y la vida”, en ¿Cómo ves?, núm. 310). Su flexibilidad les permite adoptar diferentes formas, cada una de las cuales puede realizar distintas funciones o interactuar con varias moléculas. Se ha propuesto que estas proteínas intrínsecamente desordenadas se unen a azúcares, algunos iones y otras macromoléculas que, al disminuir la cantidad de agua, harían que el interior de la célula se vuelva tan viscoso que alcanza un estado físico llamado estado vítreo, porque tiene algunas propiedades similares a las del vidrio. Existen evidencias de que las semillas que no logran formar un estado vítreo robusto tienen baja tolerancia a la desecación, una germinación deficiente y plántulas menos vigorosas.Las proteínas lea ayudan a que otras proteínas no pierdan su forma ni su función cuando hay muy poca agua. Pensamos que estas proteínas pueden unirse entre sí y con otras proteínas o macromoléculas para organizar la poca agua disponible y formar pequeños “condensados” parecidos a granulitos de gelatina. En estos condensados los componentes de la célula quedan protegidos hasta que regresa el agua y se van reactivando poco a poco. Podrían ser el paso previo a la formación de un estado vítreo, como si la gelatina se fuera haciendo más dura hasta quedar prácticamente sólida, logrando con ello que las moléculas que se resguardan ahí se mantengan en un estado latente, listas para reanimarse y realizar sus funciones y así “revivir” a las células. A pesar de su resistencia las semillas no son inmortales y también envejecen, y con el tiempo pierden la capacidad de germinar. La formación del estado vítreo y la tolerancia a la desecación que adquiere la semilla durante su maduración le permiten mantenerse viable por más tiempo. Cuando alguna de estas propiedades es deficiente la semilla germina menos eficientemente o es menos vigorosa. Por eso este proceso es muy importante para los agricultores y para los ecólogos, entre ellos los que mantienen los bancos de semillas en donde se resguardan miles de especies, algunas de ellas en peligro de extinción.
Las semillas ortodoxas se secan hasta perder más de 90 % de agua. La pérdida gradual de agua causa un incremento en la concentración de todos los componentes celulares. Bajo estas condiciones algunas biomoléculas tienen la capacidad de formar estructuras conocidas como organelos sin membrana o biocondensados. En estas estructuras se forma una red molecular en la que están involucrados proteínas, arn y moléculas pequeñas. Dependiendo de las condiciones intracelulares, estos condensados pueden ensamblarse o desensamblarse y formar estructuras con viscosidades diferentes, en algunas de las cuales se pueden generar fibras o estados cercanos al sólido, como el que se forma en la semilla, conocido como estado vitreo.
Las semillas son cápsulas de vida, testigos del pasado y promesas del futuro. Y cada vez que una germina se reactiva un ciclo que ha dado origen a los bosques, los cultivos y paisajes enteros a lo largo de cientos de millones de años. La próxima vez que tengas una semilla en la mano recuerda que está seca pero viva, y allí adentro hay una planta que espera el momento adecuado para despertar. El enigma de cómo puede sobrevivir en tal sequedad aún no ha sido resuelto del todo.
En nuestro laboratorio nos hemos enfocado en el estudio de algunas de estas proteínas. Investigamos la respuesta de sus genes a diferentes condiciones de escasez hídrica y exploramos sus características estructurales y los cambios que ocurren cuando hay poca agua. Para ello aislamos sus genes y los expresamos en bacterias, lo que nos permite purificar cantidades suficientes para determinar su estructura. También trabajamos con plantas que no producen ninguna de estas proteínas, para observar qué pasa con sus semillas y durante su crecimiento. Estos estudios muestran que las proteínas que investigamos mantienen el vigor de las semillas, retrasan su envejecimiento y favorecen una germinación eficiente.
- Daniel Pellicer Roig, “Los guardianes de la biodiversidad: Un viaje al núcleo de la Bóveda Global de Semillas de Svalbard”, National Geographic España, 22 de mayo de 2024, en: https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/guardianes-biodiversidad-viaje-nucleo-boveda-global-semillas-svalbard_22340.
- Tamara Núñez, “¿Qué son las especies pirófitas?: Una historia de resiliencia y adaptaciones al fuego”, Ladera Sur, 17 de enero de 2023, en: https://laderasur.com/articulo/que-son-las-especies-pirofitas-una-historia-de-resiliencia-y-adaptaciones-al-fuego/?srsltid=AfmBOoqbu5PyY9CdRbLrM5qea7V2n46tuNs0GmVvrgNvDFXbZxt0EXQJ.
Alejandra A. Covarrubias Robles es doctora en genética molecular, investigadora titular C del Instituto de Biotecnología de la unam e investigadora emérita del Sistema Nacional de Investigadoras e Investigadores (snii). Su trayectoria se ha centrado en comprender cómo las plantas se ajustan y adaptan a condiciones de baja disponibilidad de agua.
Inti A. Arroyo Mosso es candidato a doctor en ciencias bioquímicas y técnico académico en el Instituto de Biotecnología de la unam. Su investigación se ha enfocado en el análisis estructural y funcional de proteínas clave para la tolerancia a la desecación en semillas.
