Morphological characterization of floral differentation in tomato (Solanum lycopersicum L.)

Efraín Contreras-Magaña*; Hortencia Arroyo-Pozos; Juan Ayala-Arreola; Felipe Sánchez-Del-Castillo; Esaú del Carmen Moreno-Pérez

Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Fitotecnia. km 38.5 Carretera México-Texcoco. Chapingo, Texcoco, Estado de México, MÉXICO. C.P. 56230. Tel.: 01 (595) 952 1500 ext. 6313. Correo-e: cmefrain@yahoo.com (*Autor para correspondencia)

Recibido el 7 de febrero, 2012. ]]> Aceptado el 21 de julio, 2013.

Resumen

Con el propósito de elaborar un documento que dé a conocer las fases morfológicas de la diferenciación floral en tomate, se realizó un estudio microscópico en la Universidad Autónoma Chapingo, de octubre de 2010 a octubre de 2011. Se sembraron dos híbridos de tomate, 'Charleston' y 'Barbarian', de tipo bola y saladette, respectivamente. Éstos se germinaron en una cámara y al emitir los cotiledones se condujeron a un invernadero de cristal donde se mantuvieron hasta tener la segunda inflorescencia. Durante este periodo se realizaron los aislamientos, observaciones y toma de microfotografías de los meristemos y órganos florales. Con base en estas imágenes y otras reportadas por otros autores, se realizó la interpretación y descripción de cada una de las fases morfológicas del proceso de diferenciación floral. Se observó que en esta especie la diferenciación de vegetativo a reproductivo ocurre en el meristemo apical, y cuando se forma la primera inflorescencia una yema vegetativa axilar continúa con el crecimiento y retoma la dominancia apical. Después de formar tres fitómeros, aparece la segunda inflorescencia. La formación de las inflorescencias es de forma basípeta: cuando el meristemo cambia a reproductivo se divide en dos y aparecen dos primordios de flor, luego en la base aparecen más primordios consecutivamente hasta formar la inflorescencia completa. La aparición de los órganos florales es de forma centrípeta: primero el cáliz, luego la corola, después el androceo (filamento y anteras) y finalmente el gineceo (ovario, óvulos, estilo y estigma).

Palabras clave: Meristemo, floración, inflorescencia, morfología.

Abstract

In order to produce a document that identifies the morphological stages of floral differentiation in tomato, a microscopic study was conducted at Chapingo Autonomous University from October 2010 to October 2011. Two tomato varieties, Charleston and Barbarian, ball and salad types respectively, were planted to generate plant material. They were germinated in a special chamber and upon emitting cotyledons were taken to a glasshouse where they remained until having the second inflorescence. During this period, isolations, observations and photomicrographs were made of the meristems and floral organs. Based on these images and others reported by other authors, each of the morphological stages of the floral differentiation process were interpreted and described. It was observed in this species that vegetative to reproductive differentiation occurs in the apical meristem, and when the first inflorescence forms a vegetative axillary bud continues growth and retakes apical dominance. After forming three phytomers, the second inflorescence appears. The inflorescences form basipetally: i.e., when the meristem changes to reproductive it divides into two and two floral primordia appear, then on the base more primordia appear consecutively until the complete inflorescence is formed. The floral organs appear centripetally: first the calyx, then the corolla, later the androecium (filament and anthers) and finally the gynoecium (ovary, ovules, style and stigma).

keywords: Meristem, flowering, inflorescence, morphology.

El tomate (Solanum lycopersicum L.) es una de las especies agrícolas más importantes en la producción a nivel mundial y nacional, y por lo tanto también en la investigación. Sin embargo, son pocos y aislados los estudios respecto a la diferenciación floral en esta especie. Los primeros fueron realizados por Sawheney y Greyson (1972), quienes describen la iniciación de la inflorescencia y órganos florales con el uso de microscopio de luz. Posteriormente se hicieron estudios de desarrollo y características de los órganos florales en esta especie por Chandra Sekhar y Sawhney (1984) con microscopio electrónico de barrido. Con esta misma técnica, Contreras (2007) llevó a cabo otro trabajo sobre morfología del fenómeno. Hay varias aportaciones excelentes, pero aisladas, referentes a la floración de tomate (Wittwer y Aung 1969; Picken et al 1985; Atherton y Harris, 1986; Dieleman y Heuvelink 1992; Kinet y Peet 1997, Lozano et al. 2000; Lifschitz y Eshed, 2006). Sin embargo, en ninguno de los trabajos anteriores se presenta en forma detallada y completa la diferenciación desde sus inicios hasta la conformación y surgimiento de la inflorescencia en la planta. Se requiere saber con precisión cómo y cuándo ocurren las diferentes fases. De esta forma, se podrá influir con modificaciones al ambiente de producción del cultivo para afectar el fenómeno a favor de la producción. Autores como Calvert (1959), Charles Edwards et al. (1986) y Reinhart et al. (2003) mencionan que el proceso de diferenciación floral se va a desencadenar siempre y cuando haya un mínimo de carbohidratos disponibles y se verá afectado por el balance de los mismos durante el periodo en que está ocurriendo el fenómeno. Cuando este balance es bajo, la planta llega a abortar varios de los primordios de flor que se están diferenciando. Por el contrario, un alto balance de carbohidratos puede incrementar la cantidad de flores en comparación con los que se establecerían en cada inflorescencia bajo condiciones normales. Se ha demostrado que la diferenciación floral es un factor afectado fuertemente por el ambiente y que puede ser ampliamente modificado (Wittwer y Tubner, 1957; Atherton y Harris, 1986; Dieleman y Heuvelink 1992; Heuvelin, 2005), pero para poder afectarlo a favor de la planta, es necesario saber cómo y cuándo se presenta. Es por tal motivo que el presente estudio se realiza con el objetivo de describir en forma detallada las fases morfológicas que se llevan a cabo en el proceso de diferenciación floral de tomate, para tener la información concentrada en un solo documento que sea de utilidad a científicos, estudiantes y productores que se dedican al manejo de la especie.

MATERIALES Y MÉTODOS

El presente trabajo se llevó a cabo en el Departamento de Fitotecnia de la Universidad Autónoma Chapingo, en los invernaderos de posgrado y en laboratorios de Semillas, Fisiología de Frutales y Ecología, durante el periodo de octubre de 2010 a octubre de 2011.

Material vegetal

Se emplearon dos híbridos de tomate, uno de fruto tipo bola ('Charleston', de la compañía Syngenta) y otro de fruto tipo saladette ('Barbarian F1', de Harris Moran). Ambos materiales tienen la característica de emitir alrededor de siete flores por inflorescencia. Las plántulas se desarrollaron por 50 días hasta que la primera inflorescencia estuvo visible en la planta. El procedimiento de germinación se hizo conforme al protocolo descrito por Velasco y Nieto (2005).

Aislamiento del meristemo y observación en microscopía

En el estudio de la morfología de los meristemos florales se realizó el aislamiento, preparación y observación durante todo el proceso, hasta que se mostraron los órganos florales bien diferenciados. Debido al tamaño microscópico de estas estructuras su aislamiento se realizó con herramientas de filo y punta muy finos. La observación se hizo con el apoyo de un microscopio estereoscopio de luz. Las muestras de meristemos se colocaron en portaobjetos para remover los primordios de hoja y así permitir observar el proceso de diferenciación con diferentes muestras y en diferentes etapas fenológicas.

Toma de fotomicrografías

Manipulación de imágenes

Se realizó con los programas Photoshop CS5, Paint e Image Tool, con los cuales se asignó nombre a cada estructura, se definió la escala y se midió el tamaño del meristemo.

Descripción e interpretación de fotografías

Con las fotografías que se obtuvieron durante todo el proceso de diferenciación floral y con imágenes colectadas en diferentes trabajos que aisladamente se han llevado a cabo en diferentes partes del mundo, se interpretaron y describieron detalladamente los cambios de forma que se van dando en la estructura meristemática de la cual proviene la inflorescencia hasta la formación completa de la misma. Para darle mayor claridad al proceso de diferenciación, el trabajo se prolongó hasta que hubo ensanchamiento del ovario floral a causa de la fecundación del mismo y hubo indicios claros de la formación del fruto.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En las plantas de tomate la primera inflorescencia tuvo su origen a partir de la séptima hoja pinnada compuesta. Esto concuerda con lo observado por Dieleman y Heuvelink (1992), quienes mencionan que dependiendo de la variedad y de las condiciones ambientales a las que se someta la plántula, puede aparecer entre la sexta y la novena hoja.

Condición de fase vegetativa

Después de que se produjeron de cinco a seis hojas y de dos a tres primordios de hoja en la planta, se alcanza a observar el meristemo vegetativo, el cual es un domo convexo de células que alcanza un tamaño aproximado de 170 μm de diámetro (Figura 1A). Esta fase del proceso se lleva a cabo aproximadamente de 20 a 21 días después de la siembra. A medida que se aproxima el cambio hacia la condición reproductiva, el tamaño del meristemo vegetativo va en aumento y llega a alcanzar hasta 460 |m aproximadamente (Figura 1B). En la etapa final de la condición vegetativa se manifiesta un alargamiento de la estructura (Figura 1C) que la hace un tanto puntiaguda (Contreras, 2007). El cambio referido con anterioridad ocurre aproximadamente entre los 20 y 25 días después de la siembra. En esa condición los primordios de hoja contienen una gran cantidad de tricomas no glandulares. Estos están constituidos de varias células unidas en forma longitudinal. Al observar estas estructuras al microscopio tienen un aspecto transparente e incoloro (Figura 1A y B). En la Figura 1C se alcanzan a apreciar los planos de división celular. Estos conducen al alargamiento del meristemo hacia la punta del mismo. El incremento de tamaño es característico cuando va a cambiar de condición.

Durante la transición de estado vegetativo a reproductivo se observó un aplanamiento del domo (Figura 2A) y el inicio de la conformación de dos estructuras o protuberancias que son los primordios de flor (PF1 y PF2) (Figura 2B). Posteriormente en la base y al lado lateral del segundo primordio floral, surge la tercera protuberancia (PF1, PF2 y PF3) (Figura 2C) y así sucesivamente continúa la aparición de primordios florales hasta completar el número total que habrá de formar la inflorescencia. Es notorio que cada nuevo primordio surge en la base de donde aparecieron los anteriores.

Formación de una flor individual en el primer racimo floral

Aparición de perianto

La iniciación de la formación de sépalos se da con la aparición de una prolongación de células en un flanco del primordio floral (S1 en la Figura 3A). Luego de esta prolongación celular suceden otras que darán origen a los demás sépalos. Éstas van apareciendo de forma alternada y su desarrollo avanza helicoidalmente en el sentido de las manecillas del reloj hasta completar el número de sépalos que habrá de tener la flor (S1 a S5 en la Figura 3B). Esta fase del proceso se da aproximadamente de 22 a 24 días después de la siembra. Conforme se desarrollan los sépalos, se unen en la periferia del primordio de flor y adquieren una coloración verde intensa con tricomas sobre su superficie y con punta achatada (Figura 3C). Su desarrollo continúa hasta la antesis, donde se observa que la punta es picuda y el tamaño de los tricomas disminuye.

Al mismo tiempo que se van desarrollando los sépalos, comienza la formación de los pétalos, aproximadamente de 23 a 25 días después de la siembra. Éstos aparecen en forma verticilada (en un anillo). Todos surgen al mismo tiempo y se ubican justo en medio de los sépalos, pero de forma más interna que éstos (Figura 4A). Los pétalos son de color verde claro cuando aún son primordios de pétalo (PP en la Figura 4B) y se encuentran unidos. A medida que se desarrollan aumentan su tamaño, adquieren una coloración amarillenta y permanecen en una estructura gamopétala (Figura 4C) que caracteriza a la flor. Presentan pubescencia del mismo color tanto en la parte adaxial como en la abaxial. Al estar completamente desarrollados y en periodo de antesis su color es amarillo intenso y llamativo, éstos abren totalmente (Figura 4D).

Aparición de androceo

Posterior al desarrollo de sépalos y pétalos, en una posición más interna, se forman los estambres, aproximadamente de 24 a 26 días después de la siembra. Estos aparecen justo enfrente de donde surgieron los sépalos y en medio de las bases de los pétalos. También aparecen en forma verticilada (Figura 5A). De inicio se presentan como lóbulos y a medida que avanzan en desarrollo se dividen para dar paso a la formación de las anteras. Los estambres en las flores de tomate tienen filamentos muy cortos y en algunos casos son imperceptibles. Las anteras crecen desde la base de la estructura (Figura 5B) y a medida que se desarrollan tienen una apariencia glabra y llegan a crecer por encima del pistilo (Figura 5C). Se unen por sus costados a través de la generación de tricomas que se entretejen partiendo del centro de la antera hacia la base y la punta como si fuera un zíper. De esta manera se forma el cono estaminal. Éste envuelve al gineceo en una cámara que deja encerrado el estigma (Figura 5D).

Aparición del gineceo

La formación de las estructuras del órgano femenino de la flor da inicio posterior al comienzo de la formación de todos los demás órganos, entre los 25 y 27 días después de la siembra. En la Figura 6A se muestra la aparición de lo que será el ovario en la base. También se observan los carpelos del ovario (Cp). En los huecos centrales después del cierre quedarán envueltos los lóculos (Lc) donde se formarán los óvulos (Figura 6G y 6H). Se aprecia también el comienzo de la formación del estilo al momento del cierre de la estructura (Figura 6B), una prolongación del ovario (Figura 6C y 6D) que al finalizar en la punta remata con el estigma (Figura 6E y 6F). Este se constituye por un ensanchamiento que, en el caso de la flor de tomate, tiene la apariencia de una dona (Figura 6F).

La formación de la flor de tomate tiene su inicio desde que en el meristemo en diferenciación se separa una protuberancia y comienza a formar el primer primordio de sépalo (proceso descrito con anterioridad) y finaliza cuando la flor madura al llegar el estado de antesis. Posteriormente se fertilizará y de ahí en adelante su condición cambia a fruto. Es muy difícil seguir la secuencia de desarrollo de todos los órganos florales a la vez, por ello se han abordado en forma separada la diferenciación del cáliz, corola, androceo y gineceo. Sin embargo, en la Figura 7A se aprecia la presencia de las cuatro estructuras principales que conforman una flor desde sus inicios en desarrollo. En la imagen se removió un sépalo abriendo una ventana que permite la visión interna de la estructura, y con ello la observación de todos los órganos en desarrollo.

El cambio total del meristemo de la condición vegetativa a reproductiva se obtiene cuando ya está conformada por todos los órganos en un estado de desarrollo maduro. En las Figura 7B y 7C se observa que ya tiene todos sus órganos maduros, excepto los estambres, los cuales tienen que tomar una tonalidad amarillo intenso, para posteriormente prepararse para la antesis y consecutivamente polinizar al estigma.

Conformación de la inflorescencia

El comienzo de la aparición de una inflorescencia ocurre con el cambio de la condición vegetativa a reproductiva en el meristemo y culmina cuando ha terminado de diferenciarse la última flor en el mismo. Cuando aparecen los primordios florales que habrán de conformar el ramillete, la secuencia de aparición se da en forma basípeta. Nótese en las Figuras 8A y 8B que la flor del extremo distal es la primera que se inicia, y posteriormente se desarrollan otras adyacentes, pero siempre en una posición inferior. El primordio floral 1 (PF1) está más avanzado en desarrollo que el primordio floral 4 (PF4) y así sucesivamente ocurre en los demás primordios. En todos los casos es necesario el uso de un microscopio estereoscópico para observar las estructuras. Los primordios de flor de la inflorescencia se encuentran en diferente etapa de desarrollo, así como los órganos de cada una de las flores que la conforman. Posterior a la formación de los primordios se desarrolla el pedicelo de cada flor y asimismo el raquis de la inflorescencia. Esto no ocurre hasta que el ramillete se libere de los primordios de hoja que lo protegen y pueda crecer sin que nada lo entorpezca.

Después de que se diferenció cada una de las flores que conforman la inflorescencia, comienza el desarrollo de formación de un ramillete que se puede observar a simple vista. Primeramente aparecen botones florales y a medida que pasa el tiempo toma forma el ramillete floral, al formarse completamente los pedúnculos florales y el raquis. Una vez transcurridos alrededor de 50 a 55 días, las primeras flores entran en el estado de antesis. Estas flores tienen posiciones basales en el racimo y las flores del extremo distal que llegan a antesis hasta el final (Figura 8C).

Como se recordará, cuando la inflorescencia está en proceso de formación, la diferenciación de la misma ocurre en forma basípeta y a medida que el raquis y los pedúnculos florales se alargan se invierte dicho proceso y el desarrollo continúa de manera acrópeta. Se considera que el fenómeno se invierte debido a que las flores basales están más cercanas de la fuente y al paso de los fotoasimilados, por lo que tienen la oportunidad de interceptar mayor cantidad de ellos, lo que reduce el flujo hacia las flores más distales en el racimo (Figura 8C). De esta forma, lo que parecía ser la flor más vigorosa cuando inició el proceso de diferenciación de la inflorescencia (primera en diferenciarse y en orden de aparición), es la que se retrasa más en su desarrollo y al final es la que más tarda en llegar a la antesis y fecundarse, si es que llega a ocurrir el proceso, porque muchas veces éstas son las flores que no llegan a fructificar. La primera inflorescencia completa está en periodo de antesis aproximadamente de 55 a 60 días después de la siembra (Figura 8B).

Fase reproductiva y desarrollo de la segunda inflorescencia

Se observó que la primera inflorescencia se forma a partir de la yema apical en el tallo, una vez que apareció la séptima hoja. Posterior a esto, la yema lateral más próxima retoma el crecimiento y recupera la dominancia apical. Se pudo corroborar que por cada tres fitómeros se diferenciaba una nueva inflorescencia. Es difícil observar los tres fitómeros que separan a una inflorescencia de la otra cuando recién se están formando, ya que las hojas están en estado de primordio y hay que removerlas para ver las estructuras reproductivas. En la Figura 9A se aprecian las dos primeras inflorescencias, la primera en estado de botones florales y la segunda en sus inicios de formación. En la Figura 9B también se observan los tres fitómeros que separan una inflorescencia de la otra: la primera inflorescencia en periodo de botón y comienzo de antesis y la segunda en etapa de botón floral.

La floración de la primera inflorescencia del tomate (Solanum lycopersicum L.) es un proceso que ocurre en un periodo que abarca desde los 20 hasta los 50 días después de la siembra. Se puede dividir en dos etapas principales: microscópica, desde que inicia el proceso, hasta que emerge del ápice y se libra de la protección de las hojas, y visible, desde el momento que se aprecian botones a simple vista hasta la antesis.

La diferenciación floral de Solanum lycopersicum L. ocurre en el meristemo apical y el cambio de condición vegetativa a reproductiva se da cuando la planta tiene de cuatro a cinco hojas bien formadas y dos o tres primordios de hoja. La inflorescencia se completa entre el sexto y noveno fitómero.

Al perder la dominancia apical, cuando el meristemo principal se diferencia, una yema vegetativa axilar continúa el crecimiento y retomando dicha condición. Una vez que se crean tres fitómetros en ella, ese meristemo sustituto vuelve a diferenciarse en lo que será la segunda inflorescencia.

La formación de las inflorescencias presenta un desarrollo basípeto, inicialmente y cuando se ve a simple vista en la planta culmina en forma acrópeta.

La secuencia de aparición de órganos florales se da de manera centrípeta: primero los sépalos, luego los pétalos, posteriormente los estambres y finalmente el gineceo (ovario, óvulos, estilo y estigma).

LITERATURA CITADA

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