Reproducción vegetal para niños

En botánica, la reproducción vegetal se refiere a las diferentes maneras en que las plantas se multiplican.

Plantas como los musgos, los helechos y las plantas superiores tienen muchas formas de crecer y funcionar. En todas ellas, existen dos tipos principales de reproducción: la que combina material genético de dos partes y la que no. La mayoría de las plantas producen esporas para dispersarse y sobrevivir en distintas condiciones.

Las esporas son como pequeñas unidades de vida que permiten a algunas plantas dispersarse. Contienen toda la información genética necesaria para que nazca una nueva planta. Estas esporas pueden formarse de ambas maneras de reproducción y en estructuras muy variadas.

La reproducción que combina material genético puede involucrar a una sola planta o a dos. Si son dos, deben ser de "tipos de combinación" diferentes. Algunas plantas solo tienen dos tipos, mientras que otras tienen miles.

En algunos helechos, las estructuras que producen las células de combinación (gametofitos) pueden generar tanto óvulos como espermatozoides. En otros, solo producen un tipo de célula. En las plantas con semilla, las partes que producen polen y óvulos pueden estar en la misma flor, en flores diferentes de la misma planta, o en plantas completamente distintas.

Esta variedad en la forma en que se distribuyen las estructuras que forman las células de combinación influye en cómo se unen las células de plantas diferentes. Esto, a su vez, afecta la diversidad genética de las plantas.

Ciclo de vida de las plantas: Generaciones y cromosomas

La mayoría de las plantas tienen un ciclo de vida especial llamado alternancia de generaciones. Esto significa que alternan regularmente entre dos tipos de células que se reproducen de forma diferente. Estas generaciones son como individuos separados, a menudo con apariencias muy distintas. Generalmente, esta alternancia de generaciones va de la mano con una alternancia de fases nucleares, lo que significa cambios en el número de juegos de cromosomas.

Podemos entender esto mejor con el ciclo de vida de un helecho. La planta de helecho que vemos es un esporófito diploide (tiene dos juegos de cromosomas, que se representa como 2n). Este esporófito produce meiosporas haploides (con un solo juego de cromosomas, n) mediante un proceso llamado meiosis. Estas esporas no crecen directamente en otro helecho grande, sino en una pequeña estructura plana y haploide llamada protalo. En el protalo se forman las células de combinación haploides (gametos) por mitosis, y esta estructura se llama gametofito. Cuando dos gametos diferentes se unen, el número de cromosomas 2n se restablece, formando una nueva generación de esporofitos. Así, el gametofito haploide (que produce gametos) se alterna regularmente con el esporófito diploide (que se reproduce por meiosporas). Las células de una generación siempre producen la otra.

Reproducción que combina material genético

Meiosporas: Células especiales

Las meiosporas son células (n) que se forman después de la meiosis.

Microesporas: Se producen en las partes masculinas de la planta. Cuando maduran, forman los granos de polen. Cada grano de polen tiene una célula con dos núcleos (n): uno generativo y uno vegetativo. Durante la unión de las células, el núcleo vegetativo forma un tubo polínico por mitosis, creando un camino hacia el ovario. Mientras tanto, el núcleo generativo se divide por mitosis en dos anterozoides, que son las células de combinación masculinas.
Megaesporas: Son las precursoras de las células de combinación femeninas. Los óvulos inmaduros en el ovario (2n) realizan la meiosis para formar las megaesporas (n). Al madurar, estas forman los sacos embrionarios, que son los gametofitos femeninos. Dentro del saco embrionario hay 6 células (n), incluyendo la oósfera (la célula de combinación femenina). También hay dos núcleos polares. La oósfera se une con un anterozoide para formar un embrión, y un núcleo polar se une con el otro anterozoide para formar el endosperma (un tejido de reserva energética). El otro núcleo polar desaparece.

Gametos: Células reproductoras

Los gametos son las células reproductoras de algunos seres vivos.

Cigotos: El inicio de una nueva vida

El cigoto se forma después de la unión de las células y es como el "huevo" inicial de una nueva planta.

Reproducción que combina material genético en diferentes grupos de plantas y hongos

Hongos

Asco y ascosporas de Hypocrea virens.

La mayoría de los hongos producen esporas para dispersarse y sobrevivir en condiciones difíciles. Las esporas son la unidad de reproducción y dispersión de los hongos, y contienen toda la información genética para un nuevo individuo. Los hongos tienen dos formas de reproducción: la que combina material genético y la que no. A veces, ambas formas coexisten en el mismo organismo. Los hongos que se reproducen combinando material genético se llaman "hongos perfectos", y los que solo lo hacen sin combinar material genético se llaman "hongos imperfectos".

Estructuras de reproducción que combinan material genético de un basidiomicete. Micelio (azul), basidiocarpo (rosa) y basidiosporas (gris).

Zigosporas de Rhizopus.

Las esporas que combinan material genético en los hongos son más resistentes al calor y suelen esperar para germinar hasta que se activan (por ejemplo, con calor suave o una sustancia química). La forma en que se forman estas esporas y cómo se produce la reproducción que combina material genético varía mucho entre los diferentes grupos de hongos. Por ejemplo, en los zigomicetes se hace a través de unas hifas especiales llamadas gametangios; en los ascomicetes, a través de células en forma de saco llamadas asco; y en los basidiomicetes, mediante células especializadas llamadas basidios.

En general, dos núcleos haploides de dos células o gametos se unen para formar una célula diploide. Esta célula, por meiosis, da lugar a cuatro núcleos haploides. En este proceso, suele haber una mezcla de información genética. Si los hongos tienen núcleos compatibles en el mismo micelio que pueden unirse, se llaman "homotálicos". Si necesitan núcleos de micelios diferentes, se llaman "heterotálicos".

En los ascomicetes, las ascas suelen contener ocho ascosporas, producidas por una división celular meiótica seguida, en la mayoría de los casos, por una mitosis. Las ascosporas son inmóviles y generalmente de una sola célula.

Normalmente, el micelio haploide de los basidiomicetes se fusiona, y luego los núcleos compatibles se mueven al micelio del otro individuo, formando un "dicarionte" (un micelio con dos núcleos diferentes). Un micelio con un solo núcleo haploide se llama "monocarionte". La unión de los dos núcleos en el dicarionte puede tardar semanas o años. En ciertas épocas, los dicariontes producen basidios, que son células especializadas donde los núcleos haploides compatibles se fusionan para formar núcleos diploides. Inmediatamente, estos núcleos sufren meiosis para producir cuatro núcleos haploides, cada uno de los cuales se convierte en una basidiospora externa. En la mayoría de los basidiomicetes, estas esporas se dispersan para formar nuevos micelios haploides.

Los "tipos de combinación" son mecanismos que controlan qué hongos pueden unirse para reproducirse. Como los gametos en estos organismos no difieren en tamaño, no se les llama "masculinos" o "femeninos". En su lugar, se designan con números, letras o signos como "+" y "-". La unión solo puede ocurrir entre gametos de diferente tipo de combinación. Los ascomicetes suelen tener solo dos tipos, mientras que los basidiomicetes pueden tener miles.

Musgos

Ciclo de vida de un musgo típico (Polytrichum commune).

Esporófitos rojos creciendo sobre los gametófitos verdes en un musgo.

Al igual que los hongos, los musgos tienen un solo conjunto de cromosomas durante la mayor parte de su vida, viviendo como gametofitos haploides. Solo durante la etapa de esporófito tienen un conjunto completo de cromosomas.

Las esporas haploides germinan y forman un protonema, que es una masa de filamentos o una estructura plana. Del protonema crece el gametofito ("portador de gametos"), que se diferencia en pequeños tallos y hojas. En los extremos de estos tallos o ramas se desarrollan los órganos de reproducción de los musgos. Los órganos femeninos se llaman arquegonios y los masculinos anteridios. El arquegonio tiene un cuello por donde se desliza el gameto masculino.

Los musgos pueden ser dioicos (órganos masculinos y femeninos en plantas gametofitas diferentes) o monoicos (en la misma planta). Los espermatozoides de los musgos tienen dos flagelos que les ayudan a moverse. Sin agua, la unión de las células no puede ocurrir. En presencia de agua, el gameto masculino nada desde el anteridio hasta el arquegonio, y ocurre la unión, lo que produce un esporófito diploide. Después de la unión, el esporófito inmaduro se mueve a través del conducto del arquegonio. El esporófito tarda entre tres y seis meses en madurar. El cuerpo del esporófito tiene un tallo largo llamado seta y una cápsula con una cubierta llamada opérculo. La cápsula y el opérculo están protegidos por una caliptra haploide, que son los restos del conducto del arquegonio. La caliptra generalmente se cae cuando la cápsula madura. Dentro de la cápsula, las células que producen esporas sufren meiosis para formar esporas haploides, y así el ciclo se repite.

Helechos

Diagrama del ciclo de vida de un helecho.

Esporangio de un helecho.

Gametófito de un helecho.

A diferencia de los hongos y los musgos, la parte más visible de los helechos es el esporófito diploide. En las hojas (frondes) aparecen los esporangios, donde ocurre la meiosis y se forman las esporas haploides. Estas esporas inician la generación gametofítica. Los esporangios pueden estar dispersos o agrupados en soros. Las esporas se nutren de los tejidos internos del esporangio. Cuando la pared del esporangio se rompe, las esporas se liberan y son dispersadas por el viento. Donde caen, se desarrolla el gametofito. El gametofito debe estar unido al suelo para que ocurra la unión de las células, ya que esta depende del agua. El gametofito de los helechos se llama "protalo", y suele ser una estructura pequeña, de menos de un cm de diámetro, que absorbe agua por todo su cuerpo, especialmente por los rizoides. El gametofito de los helechos vive de forma independiente, no depende del esporófito para su nutrición y crecimiento, y generalmente produce su propio alimento.

En el gametofito se desarrollan las estructuras reproductoras multicelulares: arquegonios, que darán las células de combinación femeninas inmóviles, y los anteridios, que producirán células de combinación masculinas móviles con flagelos, llamadas anterozoides. Los anteridios aparecen en la parte posterior del protalo, entre los rizoides. Los arquegonios aparecen en la parte superior del gametofito. Cuando la ovocélula se une, se forma el cigoto, que por sucesivas divisiones mitóticas, y nutrido por el gametofito femenino, dará el embrión primitivo. El embrión sigue desarrollándose hasta ser adulto sin detenerse.

Angiospermas: Plantas con flor

La forma en que las plantas con flor se reproducen implica una alternancia entre el esporófito (la planta misma, diploide) y el gametófito (el grano de polen y el saco embrionario, ambos haploides). La meiosis que ocurre en las flores permite la mezcla y reducción del número de cromosomas, dando lugar a la formación de las esporas.

El saco embrionario está formado por 8 núcleos haploides y siete células: la ovocélula, dos sinérgidas, una célula central con dos núcleos, y tres antípodas. Por otro lado, las micrósporas desarrollan los granos de polen mediante un proceso llamado microgametogénesis. El polen maduro suele tener tres células haploides (n), dos de las cuales son las células de combinación masculinas. La otra, llamada célula vegetativa, ayuda al crecimiento del tubo polínico.

La formación de la semilla en las plantas que se reproducen combinando material genético implica un proceso único en las angiospermas llamado doble fecundación: una célula de combinación masculina (n) se une con la ovocélula (n) para formar el cigoto (2n). De este cigoto se desarrolla el embrión. La célula central del saco embrionario, con sus dos núcleos polares (n + n), se une con la otra célula de combinación masculina del grano de polen para formar el endosperma. La unión de dos células de combinación haploides, que provienen de la mezcla al azar del material genético durante la meiosis, da como resultado descendientes con diversidad genética. En resumen, en la reproducción que combina material genético, la meiosis y la unión de células producen una mezcla de los caracteres de ambos "padres", creando nueva variabilidad genética.

Alogamia: Unión entre diferentes plantas

Diagrama del ciclo de vida de una angiosperma.

Tubos polínicos germinando a partir de granos de polen de Lilium.

La alogamia es un tipo de reproducción que combina material genético en plantas que consiste en la polinización cruzada y la unión de células entre individuos genéticamente diferentes. Este tipo de reproducción favorece la producción de individuos con nueva información genética, lo que genera una constante variabilidad genética en las poblaciones. Existen mecanismos que impiden o reducen la auto-unión en las angiospermas, como la autoincompatibilidad, la heterostilia, la hercogamia y la dioecia. Por otro lado, hay mecanismos que favorecen la transferencia del polen de una planta a los pistilos de otras plantas, a través de la polinización.

Polinización cruzada

La polinización es el proceso de transferir el polen desde los estambres hasta el estigma (la parte receptiva de las flores) en las angiospermas. Allí, el polen germina y se une con los óvulos de la flor, haciendo posible la producción de semillas y frutos.

El polen puede ser transportado por agentes físicos como el viento (plantas anemófilas), el agua (especies hidrófilas), o por un polinizador animal (plantas zoófilas). Las características de las flores y su polen suelen ser muy diferentes según el agente polinizador. Las plantas zoófilas deben atraer a los animales con colores y olores, y recompensarlos con alimento o refugio. Los diferentes tipos de polinizadores requieren distintos atractivos, por lo que las flores zoófilas han evolucionado en una gran variedad de tipos, agrupados en síndromes florales. La belleza de las flores es el resultado de su coevolución con insectos u otros animales polinizadores.

Cuando la polinización ocurre por la relación entre una planta y un animal, estas relaciones son principalmente de tipo mutualista. Esto significa que ambos participantes se benefician. A diferencia de las relaciones obligatorias (propiamente simbióticas), las relaciones de polinización casi siempre son opcionales y muy flexibles: si un polinizador o una planta desaparece, no necesariamente causa la extinción del otro, ya que cada uno tiene alternativas. Hay algunos casos muy interesantes de relaciones simbióticas, como la avispa de los higos y la polilla de la yuca.

Autoincompatibilidad: Evitando la auto-unión

La unión de células en las Angiospermas es un proceso complejo. El esquema muestra cómo los granos de polen (p) llegan al estigma de la flor (n) y germinan, emitiendo un tubo polínico (ps). El tubo polínico crece dentro del estilo (g) y atraviesa el micrópilo (mi). Dentro del óvulo, se dirige hacia el saco embrionario (e) para liberar los núcleos generativos que se unen con la oósfera (la célula central de las 3 señaladas como (ei)) y con los núcleos polares (ek), produciendo así la doble fecundación característica de las angiospermas. La autoincompatibilidad impide que los tubos polínicos crezcan en algún punto de su camino hacia la oósfera.

La autoincompatibilidad (AI) es la incapacidad de una planta hermafrodita para producir semillas por auto-polinización, incluso si tiene células de combinación viables. Es una estrategia para promover la unión entre individuos no relacionados, lo que crea nueva variabilidad genética.

Durante la evolución de las angiospermas, la AI ha aparecido varias veces en diferentes grupos de plantas. Más de 100 familias botánicas, como las solanáceas, poáceas, asteráceas, brasicáceas, rosáceas y fabáceas, tienen especies autoincompatibles. Se estima que el 39% de las especies de angiospermas son AI. Esta amplia distribución sugiere que existen varios mecanismos genéticos diferentes que regulan la AI, dependiendo de la familia.

Sin embargo, en todos los casos se observa lo mismo: los granos de polen que llegan al estigma de la misma planta (o de plantas genéticamente relacionadas) no pueden unirse, ya que detienen su desarrollo en alguna etapa del proceso (germinación del polen, crecimiento de los tubos polínicos en los pistilos o unión con la oósfera). Como resultado, no se producen semillas después de la auto-polinización. Esta detención del crecimiento de los tubos polínicos dentro de los pistilos implica, por un lado, que el pistilo reconoce cuáles son los tubos polínicos de la misma planta y cuáles son de otras. Por otro lado, después de este reconocimiento, el desarrollo de los tubos polínicos propios (o de plantas relacionadas) debe ser interrumpido. Ambos fenómenos, el reconocimiento y la interrupción del crecimiento, han sido muy estudiados.

Existen tres sistemas de AI bien conocidos a nivel molecular: el de las solanáceas y rosáceas; el de la amapola (Papaver); y el de Brassica. En dos de estos sistemas, se conocen los genes que producen las proteínas de reconocimiento polen-pistilo, lo que ha demostrado que las proteínas del pistilo y del polen involucradas en el reconocimiento son diferentes entre sí, y que la AI es un mecanismo de "llave-cerradura" a nivel molecular.

Hercogamia: Separación física

La hercogamia es un término que describe la separación física de las anteras y estigmas en la misma flor. Esto reduce o impide directamente la auto-polinización y la autogamia. En otras palabras, la hercogamia es un mecanismo que promueve la unión entre diferentes plantas y, por lo tanto, la alogamia en las angiospermas. El adjetivo "hercógama" se refiere a la flor, planta o especie que presenta esta condición.

Según la posición de las anteras y los estigmas, hay diferentes tipos de hercogamia.

Dioecia: Plantas separadas por tipo de combinación

La androesterilidad es la condición en la que las plantas hermafroditas o bisexuales no pueden producir anteras, polen o células de combinación masculinas funcionales.

Prácticamente todas las especies de plantas, tanto cultivadas como silvestres, han mostrado individuos androestériles, y esta condición es heredable. La androesterilidad aparece esporádicamente en plantas, tanto en especies que se unen con otras (alogamia) como en las que se auto-unen (autogamia), debido a genes mutantes (generalmente recesivos), factores del citoplasma o una combinación de ambos. La androesterilidad puede manifestarse como polen que no se desarrolla, anteras que no se abren para liberar el polen, o anteras que se transforman en pistilos, entre otros muchos casos. La androesterilidad es muy útil en la mejora de plantas, porque simplifica la formación de híbridos y elimina el laborioso proceso de quitar las anteras a mano. En las líneas androestériles, las flores no producen anteras funcionales y, por lo tanto, no puede haber auto-polinización; solo serán polinizadas por la línea o líneas que se usen como "padre" masculino.

Autogamia: Auto-unión

La autogamia es el modo de reproducción que combina material genético que consiste en la unión de células de combinación femeninas y masculinas producidas por el mismo individuo. La polinización con el polen producido por la misma flor o la misma planta es necesaria, pero no suficiente, para que ocurra la autogamia. El polen debe ser capaz de germinar en el estigma, crecer en el estilo y realizar la doble fecundación. La autogamia es muy común en malezas, plantas pioneras y especies de islas, que necesitan que los individuos aislados produzcan frutos y semillas. En las especies autógamas, las flores suelen ser pequeñas, con piezas florales poco llamativas, producen poco polen y no tienen fragancia ni néctar.

Desde el punto de vista genético, una planta autógama obligada será homocigótica para la mayoría de sus genes, es decir, tendrá los mismos alelos en cada locus. Los descendientes de esta planta serán genéticamente idénticos entre sí y a la planta original. La principal ventaja adaptativa de este modo de reproducción es que permite la multiplicación de individuos muy bien adaptados a un nicho ecológico específico. Su desventaja es que las poblaciones formadas por un único tipo genético tienen menos capacidad de adaptación; es decir, una capacidad reducida para enfrentar los cambios del ambiente.

Por estas razones, la mayoría de las especies autógamas son facultativas, lo que significa que son principalmente autógamas, pero pueden producir semillas mediante polinización con otros individuos no emparentados. En otras palabras, la autogamia en estas especies coexiste con la alogamia en un equilibrio adaptativo.

La autogamia es más ventajosa en especies pioneras, de islas o malezas. En estos casos, las poblaciones deben establecerse a partir de un único individuo aislado de cualquier otro de su especie. Si el individuo pionero fuera de una especie alógama, no podría dejar descendientes, ya que no hay posibilidad de que se una con otro individuo de la misma especie. Si, en cambio, fuera autógamo, podría producir descendientes y permitir que una población de su especie se establezca en un nuevo lugar o nicho ecológico.

El paso de la alogamia a la autogamia es una de las tendencias evolutivas más comunes en las plantas. Esto se debe a que la autogamia permite la producción de semillas cuando los polinizadores o los posibles compañeros para la unión son escasos. Esta explicación, llamada "hipótesis del aseguramiento reproductivo", es la más antigua y aceptada para la evolución de la autogamia. Sin embargo, los beneficios de la alogamia pueden reducirse o anularse en especies con fuerte depresión endogámica. Es decir, si los óvulos que podrían haberse usado para unirse con otra planta se auto-unen, la descendencia tendrá menor eficacia biológica. Los rasgos o cambios en la forma de la flor o en el desarrollo que reducen la posible pérdida de óvulos por auto-unión, pero que al mismo tiempo permiten la reproducción de la planta, son favorecidos por la selección natural. Los mecanismos para retrasar la auto-unión son variados. La protoginia, por ejemplo, describe la condición en la que los estigmas están listos antes de que las anteras de la misma flor se abran. El tiempo que pasa hasta que las anteras liberan el polen permite las uniones con otras plantas de la misma especie. Si no hubiera unión cruzada, la producción de semillas se asegura por la auto-unión, una vez que las anteras liberan el polen de la misma flor.