Fundamentos de la citodiferenciación y la totipotencia

En sentido estricto, la totipotencia (del latín totus — todo, entero) es la capacidad de una sola célula para dar origen a un organismo completo, incluyendo todos sus tejidos, órganos y estructuras extraembrionarias (en el caso de las plantas, el endospermo) (Su et al., 2021). En los animales multicelulares, la verdadera totipotencia la posee solo el cigoto y, en algunos grupos, las células del embrión más temprano (Fehér, 2019). Sin embargo, para las plantas, esta definición requiere una importante salvedad.

En los libros de texto clásicos e incluso en artículos modernos, a menudo se encuentra la afirmación: «todas las células vegetales son totipotentes». Esta es una simplificación no del todo precisa, pero ampliamente extendida (Fehér, 2019). La realidad es la siguiente:

Por lo tanto, la totipotencia aplicada a una célula somática vegetal es su capacidad demostrada, bajo influencia externa, de reestructurar su programa de desarrollo y formar un organismo fértil completo.

En contraste con la totipotencia, la citodiferenciación (o simplemente diferenciación) es un proceso irreversible (en condiciones normales) mediante el cual la célula adquiere rasgos morfológicos, bioquímicos y funcionales específicos, perdiendo su aparente universalidad (Sugiyama, 2015).

Es el camino desde la célula madre del meristemo hasta una estructura altamente especializada. Por ejemplo:

Una característica crucial de la citodiferenciación en plantas es su reversibilidad en condiciones experimentales. Aunque en la naturaleza una célula del floema no se convertirá en célula de la corteza, al ser extraída del tejido y colocada en un medio específico puede experimentar la desdiferenciación —el proceso inverso a la diferenciación— volviendo a un estado «joven» y proliferante (Fehér, 2019).

El punto clave que debe asimilar el estudiante de agronomía es el siguiente: la totipotencia y la diferenciación no son conceptos mutuamente excluyentes, sino más bien los polos de un continuo de estados celulares.

Esto diferencia a las plantas de los animales, donde la diferenciación casi siempre va acompañada de una pérdida irreversible de potencias (por ejemplo, las neuronas de mamíferos no se dividen).

En el siguiente capítulo examinaremos qué es la desdiferenciación y cómo se despierta la totipotencia latente de la célula vegetal.

Como ya se ha señalado, la totipotencia es la capacidad de una célula para formar un organismo completo, incluyendo todos sus tejidos y estructuras extraembrionarias (en las plantas con flores, el endospermo). En sentido estricto, en la ontogenia vegetal la célula verdaderamente totipotente es solo el cigoto (óvulo fecundado) y, posiblemente, las primeras células del embrión en el estadio de 2–4 células (Fehér, 2019).

La singularidad de las plantas reside en que muchas células somáticas pueden recuperar este estado tras una inducción (véase la sección 3). Sin embargo, en el desarrollo normal, la totipotencia es la prerrogativa de los inicios.

La pluripotencia (del latín plures — varios) es la capacidad de una célula para dar origen a la mayoría de los tipos celulares del organismo, pero no a todos (por lo general, no puede formar tejidos extraembrionarios). En plantas, los ejemplos clásicos de células pluripotentes son las células de los meristemos apicales (meristemo apical del tallo y de la raíz) (Sablowski y Gutierrez, 2022).

Una célula madre en el centro quiescente de la raíz o en el centro organizador del tallo no es totipotente: no puede formar un suspensor ni endospermo. Sin embargo, de ella se originan todos los tejidos del tallo (hojas, tallo, flores) o de la raíz. La pluripotencia es el estado de trabajo de las células que asegura el crecimiento y la renovación constantes de los órganos.

Es notable que, cuando se cultivan in vitro en medios específicos, las células pluripotentes de los meristemos o las células «similares al periciclo» (véase más adelante) pueden dar origen tanto a tallos como a raíces, y a veces a embriones somáticos —es decir, muestran una plasticidad aumentada (Fehér, 2019; Chowdhury et al., 2026).

La multipotencia es la capacidad de una célula para diferenciarse en varios tipos celulares, generalmente dentro de un linaje tisular.

Un ejemplo clásico en plantas son las células del cambium (meristemo lateral). El cambium es una fina capa de células en división entre el xilema y el floema. Sus células iniciales son multipotentes: solo pueden dar origen a dos tipos celulares:

No surge ningún otro tejido (epidermis, parénquima de la hoja, caliptra) a partir del cambium. Esta es una dicotomía estrictamente definida.

Las células unipotentes pueden dar origen a un solo tipo celular, pero ellas mismas conservan la capacidad de dividirse. En plantas hay pocos ejemplos puros, porque las células de los meristemos a menudo retienen un potencial más amplio. No obstante, algunas células iniciales de los pelos (tricomas) o del linaje estomático pueden considerarse unipotentes (Chowdhury et al., 2026).

Finalmente, las células terminalmente diferenciadas son aquellas que han completado su desarrollo y han perdido la capacidad de dividirse. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, los tubos cribosos maduros del floema (sin núcleo), las esclereidas (células pétreas), las células del xilema, las células maduras del clorénquima de la hoja. En condiciones normales no se dividen ni cambian de tipo. Sin embargo —y esta es la diferencia clave con los animales— incluso estas células conservan la totipotencia latente: cuando se extraen del tejido y se tratan con hormonas, pueden entrar en desdiferenciación y comenzar a dividirse (Fehér, 2019).

La comparación con los animales es muy ilustrativa. En los mamíferos, a medida que avanza la diferenciación, las potencias celulares disminuyen rápidamente y, por regla general, de manera irreversible. Una neurona nunca se convertirá en célula muscular. En las plantas, esta pérdida de potencias no es definitiva.

La jerarquía de las células vegetales puede imaginarse no como una escalera, sino como un resorte estirado: cuanto mayor es la especialización, más fuerte es la «presión epigenética» sobre el genoma, pero bajo ciertas condiciones (heridas, hormonas, estrés) el resorte puede «descomprimirse» —la célula sufre una desdiferenciación y vuelve a un nivel más alto de potencia (incluso hasta la totipotencia) (Fehér, 2015).

En el siguiente capítulo analizaremos en detalle los mecanismos de este asombroso retorno.

Lo más importante que hay que entender sobre la diferenciación es que antes de que la célula cambie externamente, ya ha «decidido» cambiar internamente. Esta «decisión» invisible se denomina determinación (del latín determinare — limitar, definir).

La determinación es un cambio estable y heredable en el patrón de expresión génica que predetermina el destino futuro de la célula, incluso si exteriormente aún no se diferencia de sus vecinas. Es una especie de «plano molecular» de la especialización futura.

Después de que la célula ha pasado por la etapa de determinación —tomado una «decisión» invisible sobre su destino— llega la siguiente etapa: la realización de esa decisión. Es en esta etapa cuando ocurren los cambios morfológicos y bioquímicos visibles: la célula cambia de forma, su vacuola se encoge o se expande, la pared celular se engrosa y se impregna de lignina o suberina, los plastidios se transforman en cloroplastos, cromoplastos o amiloplastos.

¿Qué sirve como desencadenante inmediato de todas estas transformaciones? Un papel clave aquí corresponde a factores de transcripción especiales que a menudo se denominan «reguladores maestros» en la literatura. Estas proteínas se sitúan en la cima de las cascadas jerárquicas: activan (o desactivan) grupos enteros de genes necesarios para formar un tipo celular específico.

Si la determinación y el trabajo de los reguladores maestros son el «plano molecular» invisible, entonces la citodiferenciación propiamente dicha es la implementación de ese plano en la arquitectura celular real. Para los estudiantes de agronomía es importante aprender a reconocer las células diferenciadas al microscopio y comprender qué cambios estructurales han ocurrido. Consideremos las principales características citológicas de la diferenciación.

El lector familiarizado con los fundamentos de la biología animal puede preguntarse legítimamente: ¿acaso las células animales no se diferencian? Claro que sí. Pero existen diferencias fundamentales entre la diferenciación celular vegetal y animal, y son precisamente estas diferencias las que hacen de las plantas objetos únicos para la biotecnología. Comprender estas distinciones es críticamente importante para el agrónomo que trabaja con cultivos in vitro.

Comparemos los aspectos clave.

Examinemos estas diferencias con más detalle.

El término «desdiferenciación» apareció en la literatura botánica en la primera mitad del siglo XX. Se entendía como «el proceso mediante el cual las células maduras o especializadas pierden su carácter diferenciado y rejuvenecen» (Bloch, 1941, citado en Sugiyama, 2015). Durante mucho tiempo se creyó que para que una célula somática diera lugar a un callo o a un embrión somático, primero debía retornar a un estado similar al de una célula meristemática (indiferenciada).

Sin embargo, en la última década, esta visión clásica ha sido revisada sustancialmente (Fehér, 2019; Sugiyama, 2015). Investigaciones en Arabidopsis han demostrado que cuando se induce callo en un medio con alta concentración de auxinas, las células no pierden completamente su identidad. En cambio, se transdiferencian: las células de hoja o tallo adquieren rasgos de …​ ¡la raíz! Resultó que el callo inducido por auxinas expresa genes característicos del primordio de raíz lateral, y sus células se originan a partir de células madre «similares al periciclo» que están dispersas por toda la planta cerca de los haces vasculares (Fehér, 2019).

Por lo tanto, estrictamente hablando, la desdiferenciación clásica (retorno al «punto cero») no siempre ocurre. Más a menudo, lo que tiene lugar es la transdiferenciación —una transición de un estado diferenciado a otro, sin pasar por la etapa de célula meristemática totipotente (Sugiyama, 2015).

No obstante, en un sentido amplio, en la práctica biotecnológica y en este artículo, el término «desdiferenciación» continúa utilizándose para designar el proceso mediante el cual una célula somática especializada (o grupo de células) pierde los signos visibles de su especialización, activa el ciclo celular y adquiere la capacidad de proliferar y ser reprogramada (Fehér, 2019).

Callo (del latín callus — callosidad, piel dura) es una masa desorganizada de células en división que se forma en la superficie de la planta en el lugar de una herida o cuando se cultiva un explante in vitro en un medio con hormonas (Sugiyama, 2015).

Es importante entender que el callo no es una masa homogénea de células idénticas. Al contrario, es heterogéneo: se pueden encontrar células en diversos grados de diferenciación (desde casi meristemáticas hasta parcialmente especializadas). Además, diferentes tipos de callo tienen diferentes destinos.

Para el agrónomo‑biotecnólogo, la capacidad de distinguir los tipos de callo es críticamente importante: la micropropagación clonal vía organogénesis requiere un tipo de callo, la embriogénesis somática otro, y la transformación genética utiliza más a menudo callo embriogénico u organogénico compacto.

¿Qué hace que una célula entre en estado de desdiferenciación y forme callo? Las principales señales son las hormonas y el estrés.

Si comparamos una célula diferenciada (por ejemplo, una célula del mesófilo de la hoja) con una célula de callo derivada de ella, las diferencias son notables (Sablowski y Gutierrez, 2022; Fehér, 2015):

Por lo tanto, la célula de callo desdiferenciada se asemeja morfológicamente a una célula meristemática —pequeña, densa, con metabolismo intenso.

Aquí es necesario hacer una aclaración de principio. La desdiferenciación por sí misma no es igual a la totipotencia. La desdiferenciación es el proceso de pérdida de rasgos especializados y el retorno a la proliferación. La totipotencia es la capacidad de realizar el programa genético completo del desarrollo.

No todas las células de callo desdiferenciadas son totipotentes. En un callo típico, solo una pequeña fracción de células (las que expresan marcadores como SERK1 o WOX5) retiene realmente la capacidad para la embriogénesis somática (Fehér, 2019; Su et al., 2021). La mayoría de las células del callo son simplemente células proliferantes que ya están determinadas hacia la formación de raíz o parénquima.

Precisamente por eso, para que la regeneración de plantas in vitro sea exitosa, se requiere una cuidadosa selección del genotipo, el tipo de explante y las condiciones hormonales: no basta con inducir la desdiferenciación, sino que hay que crear condiciones en las que las células retengan o vuelvan a adquirir la totipotencia.

En la siguiente sección (5) pasaremos al significado aplicado de estos fenómenos —cómo exactamente la totipotencia, la desdiferenciación y la citodiferenciación trabajan en beneficio de la agricultura.

Esencia del método: A partir de un pequeño fragmento de la planta madre (explante) —meristemo apical o axilar, segmento de tallo, hoja, raíz— en un medio nutritivo artificial se obtienen numerosas plantas regeneradas genéticamente idénticas (clones). El proceso se basa en la inducción de la desdiferenciación (formación de callo) o la activación directa de meristemos axilares, seguida de la regeneración de tallos y raíces mediante la modificación del equilibrio hormonal (auxina/citoquinina) (Sugiyama, 2015; Malabadi et al., 2025).

Significado agronómico:

Esencia del método: Células somáticas del callo o directamente del explante, bajo ciertas condiciones (a menudo después de eliminar la auxina o añadir ácido abscísico), cambian a una vía de desarrollo embrionario, formando embriones somáticos —estructuras morfológicamente similares a los embriones cigóticos (Fehér, 2015; Su et al., 2021). Los embriones somáticos no requieren fecundación y pueden desarrollarse en plantas completas.

Significado agronómico:

Esencia del método: Los cultivos de callo, los embriones somáticos o los meristemos apicales pueden almacenarse durante largos períodos en condiciones de crecimiento lento (temperatura reducida, estrés osmótico) o congelarse en nitrógeno líquido (−196 °C) —crioconservarse. La viabilidad se mantiene gracias a la totipotencia latente de las células (Fehér, 2019; Malabadi et al., 2025).

Significado agronómico:

Esencia del método: Para obtener una planta transgénica es necesario introducir un gen extraño en una célula vegetal y luego, a partir de una única célula transformada, regenerar una planta completa. Es la totipotencia de las células somáticas la que hace esto posible. Los dos enfoques principales:

Significado agronómico:

Esencia del método: Anteras inmaduras (microsporas) o microsporas aisladas se cultivan in vitro en un medio estresante (a menudo temperatura elevada o choque osmótico). En lugar de desarrollarse normalmente hasta convertirse en un grano de polen, la microspora cambia a una vía embriogénica y forma un embrión somático haploide o callo. Luego, a partir de las plantas haploides se obtienen haploides duplicados (espontáneamente o con colchicina), que son completamente homocigotos (Malabadi et al., 2025).

Significado agronómico:

Esencia del método: Cultivos de callo o cultivos en suspensión (suspensiones de células en medio líquido) se cultivan en biorreactores. Estas células conservan la capacidad de sintetizar metabolitos secundarios característicos de la planta original: alcaloides, flavonoides, terpenos, glucósidos, etc. (Malabadi et al., 2025).

Significado agronómico:

Esencia del método: Se extraen meristemos apicales de 0,1–0,5 mm (con 1–2 primordios foliares) y se cultivan in vitro. Los meristemos suelen estar libres de virus, bacterias y hongos porque estos patógenos no colonizan las células iniciales en activa división (Malabadi et al., 2025).

Significado agronómico:

Esencia del método: Durante el cultivo prolongado de callo, surgen inevitablemente mutaciones y cambios epigenéticos —variabilidad somaclonal (Fehér, 2015; Malabadi et al., 2025). Estos cambios pueden ser estables y dar lugar a la aparición de nuevos caracteres de valor económico. Además, mediante la fusión de protoplastos (células sin pared) de diferentes especies, se pueden obtener híbridos somáticos que no se cruzan sexualmente.

Significado agronómico: