Microsporogénesis y desarrollo del gametofito masculino

Uno de los avances evolutivos clave que permitió a las plantas con semilla colonizar diversos hábitats terrestres fue la aparición del grano de polen como un medio protegido y eficaz para la entrega de gametos masculinos. En las plantas con esporas (helechos, equisetos, licopodios), así como en gnetófitas y cícadas, los gametos masculinos —espermatozoides— poseen flagelos y solo pueden moverse activamente en una película de agua líquida (Becker et al., 2025). Esto vinculaba estrictamente la fertilización a biotopos húmedos o a períodos de lluvia.

En las angiospermas se produjo una pérdida completa de los flagelos en los espermios (la zooidogamia fue reemplazada por la sifonogamia). El gametofito masculino (grano de polen) perdió la capacidad de movimiento independiente pero adquirió una cualidad fundamentalmente nueva: tolerancia a la desecación. El polen es transportado por el viento, insectos u otros agentes en estado seco, y solo germina después de llegar a un estigma receptivo, donde recibe agua y nutrientes. Así, la microsporogénesis y el desarrollo posterior del polen aseguraron la independencia total de la fertilización respecto a la presencia de agua libre en la superficie de la planta (Stern et al., 2021; Becker et al., 2025).

En la evolución de las plantas terrestres se observa una clara tendencia a la simplificación (reducción) de la generación haploide —el gametofito— mientras que el esporofito diploide se vuelve más complejo y dominante. En los helechos, el gametofito masculino es un pequeño prótalo multicelular e independiente; en las gimnospermas está reducido a unas pocas células dentro del grano de polen; y en las angiospermas, a tres células en el momento de la polinización (una vegetativa y dos espermios —en la mayoría de las monocotiledóneas y muchas dicotiledóneas) (Lersten, 2004; Wiese et al., 2024).

Esta reducción tiene un profundo significado biológico: se acelera el ciclo de vida, se reducen los costos energéticos para construir la fase haploide y, lo más importante, todo el proceso de formación y transporte de los gametos masculinos está maximamente protegido por los tejidos del esporofito (antera) y por la resistente pared del grano de polen. Esto ha permitido a las angiospermas dominar la mayoría de los ecosistemas terrestres.

Para la práctica agrícola, la otra cara de esta alta especialización también es importante. El gametofito masculino de las angiospermas, a pesar de su protección, es extremadamente sensible a estreses abióticos, especialmente a temperaturas elevadas (estrés térmico) y a la sequía. El período crítico es precisamente la microsporogénesis —desde el inicio de la meiosis de las células madre de microsporas hasta la formación de tétradas y la posterior liberación de microsporas (Fartyal et al., 2025).

Incluso un aumento breve de la temperatura durante este período puede alterar la conjugación de cromosomas en la profase I de la meiosis, la fragmentación de la cromatina y la segregación incorrecta de los cromosomas. La consecuencia es la formación de microsporas no viables, el aborto del polen y, en última instancia, la reducción de la fertilidad del polen y del rendimiento de grano (en trigo, arroz, maíz). Comprender estos «puntos débiles» determinados evolutivamente permite al agrónomo gestionar las fechas de siembra, seleccionar variedades tolerantes y desarrollar medidas para proteger los órganos reproductivos durante períodos de probable estrés térmico.

El control de la fertilidad masculina es una herramienta poderosa para el fitomejorador. La esterilidad masculina natural o inducida (por ejemplo, la esterilidad masculina citoplasmática, EMC) permite obtener híbridos heteróticos de alto rendimiento sin la costosa castración manual de las flores. Las alteraciones en la microsporogénesis o en el desarrollo del gametofito subyacen a muchas formas de esterilidad masculina genética, que se utilizan ampliamente en la producción de semillas híbridas de maíz, girasol, arroz y cebolla (Wiese et al., 2024).

Además, en biotecnología vegetal, el método del cultivo de microsporas aisladas permite obtener plantas haploides que, tras la duplicación cromosómica, producen líneas completamente homocigotas (puras). Esto acelera significativamente el proceso de mejora, reduciendo la obtención de líneas autofecundadas de 5–7 generaciones a 1–2 años. Por lo tanto, el conocimiento profundo de los procesos de microsporogénesis y microgametogénesis tiene un significado no solo evolutivo fundamental sino también aplicado importante para la ciencia agraria.

La diferencia clave se refiere a cuándo se forman las paredes celulares entre los cuatro núcleos haploides después de completarse la meiosis (Lersten, 2004; Beck, 2010).

Tipo sucesivo (citocinesis sucesiva). Después de la primera división meiótica (telofase I) se forma inmediatamente un tabique celular que separa dos células —una díada. Luego cada una de ellas experimenta la segunda división meiótica, tras la cual se vuelven a formar tabiques, resultando una tétrada de cuatro microsporas. Este tipo es característico de la mayoría de las monocotiledóneas (incluyendo gramíneas, liliáceas) y de algunas dicotiledóneas primitivas. En las gramíneas, por ejemplo, la tétrada es plana (Lersten, 2004).

Tipo simultáneo (citocinesis simultánea). Ambas divisiones meióticas ocurren sin formación de tabiques, formándose un cenocito tetranucleado. Solo después de completarse ambas divisiones se forman las paredes celulares por furcación centrífuga, separando las cuatro microsporas. Este tipo ocurre en aproximadamente el 95% de las plantas dicotiledóneas y se considera evolutivamente más avanzado. Se piensa que la citocinesis simultánea produce una disposición tetraédrica de las microsporas en la tétrada, lo que posteriormente determina la estructura típica del polen triaperturado en las eudicotiledóneas (Beck, 2010).

A pesar de la preferencia taxonómica relativa, se conocen excepciones: algunas dicotiledóneas (por ejemplo, magnoliáceas) pueden presentar el tipo sucesivo, y algunas monocotiledóneas el simultáneo.

El tapete es la capa más interna de la pared del saco polínico, que contacta directamente con las microsporas en desarrollo y les suministra nutrientes, enzimas y precursores de esporopolenina. Según el comportamiento, se distinguen dos tipos principales (Lersten, 2004; Moreira et al., 2025; Ali et al., 2025).

Tapete secretor (parietal). Las células del tapete permanecen en su lugar, revistiendo internamente la cavidad polínica, y durante todo el desarrollo de las microsporas secretan sustancias a través de su propia plasmalema o mediante exocitosis de vesículas. Este es el tipo más extendido, presente en aproximadamente el 90% de las familias de dicotiledóneas y en todas las gramíneas. En las células del tapete secretor a menudo se forman cuerpos especiales —cuerpos de Ubisch (orbículos)— que luego se cubren con esporopolenina y se transfieren a la superficie de los granos de polen (Ali et al., 2025).

Tapete invasivo (plasmodial, ameboide). Las células del tapete pierden sus paredes, fluyen hacia la cavidad del saco polínico y se fusionan en una masa protoplasmática multinucleada —un plasmodio— que rodea a cada microspora. A medida que el polen madura, el plasmodio es consumido gradualmente por los gametofitos en desarrollo. El tapete invasivo es característico de la mayoría de las monocotiledóneas, pero también se encuentra en algunas dicotiledóneas, por ejemplo, en todos los representantes de la familia Asteraceae (las compuestas, incluido el girasol) (Lersten, 2004). Este tipo asegura un contacto máximo entre el tejido nutritivo y el gametofito.

La clasificación de los tipos de tapete es importante para comprender las características citoembriológicas de las plantas cultivadas y para interpretar mutaciones que conducen a la esterilidad masculina.

Aunque este carácter se usa más frecuentemente en sistemática (palinología), está directamente relacionado con el proceso de microsporogénesis, ya que la formación de las aperturas comienza en la etapa de tétrada. Según el número y disposición de las aperturas (poros o surcos), se distinguen varios tipos principales (Stern et al., 2021):

Así, la diversidad de variantes de la microsporogénesis y del desarrollo del gametofito masculino refleja tanto la historia evolutiva de los taxones como las finas adaptaciones a los modos de polinización, las condiciones ambientales y las estrategias reproductivas. Para el agrónomo, las clasificaciones más significativas son por tipo de polen (bicelular vs. tricelular) y por tipo de tapete, ya que determinan la sensibilidad del sistema reproductivo a los estreses y las posibilidades de manipulación biotecnológica.

Las microsporas liberadas son células haploides aún no especializadas. Su destino posterior es la transformación en un gametofito masculino capaz de fertilizar. Este proceso incluye varias etapas clave: polarización, primera mitosis, formación de las células vegetativa y generativa, y luego (en el polen tricelular) la segunda mitosis de la célula generativa para formar dos espermios.

Paralelamente a las divisiones del gametofito, ocurre la construcción final de las paredes del polen. El tapete, que durante todo el desarrollo ha suministrado a las microsporas nutrientes y precursores de esporopolenina, en el momento de la maduración del polen sufre una muerte celular programada (MCP). Su contenido (lípidos, proteínas, feromonas, pigmentos) se vierte en la cavidad del saco polínico y empapa la escultura de la exina, formando la capa de recubrimiento del polen (trifina, o pollenkitt). Esta capa cumple funciones importantes: protege al polen de la desecación, permite su adhesión al cuerpo de los insectos polinizadores y participa en el reconocimiento «propio-extraño» en el estigma (Ali et al., 2025; Moreira et al., 2025). El proceso finaliza con la dehiscencia (apertura) de la antera y la liberación del polen maduro.

A continuación se presenta un esquema generalizado de las etapas sucesivas de la esfera generativa masculina de las angiospermas (según Lersten, 2004; Beck, 2010; Wiese et al., 2024).

Comprender la secuencia de estas etapas, cada una controlada por complejos mecanismos genéticos y fisiológicos, es una base necesaria para interpretar las alteraciones de la fertilidad y desarrollar métodos para aumentar la resiliencia del sistema reproductivo de las plantas cultivadas frente a factores ambientales adversos.

El déficit hídrico durante la microsporogénesis y el desarrollo temprano del gametofito masculino es tan dañino como las temperaturas extremas. La falta de agua en los tejidos de la antera provoca (Fartyal et al., 2025):

El anegamiento y la inundación del sistema radicular, indirectamente a través de la inhibición de las raíces y el deterioro del suministro a los brotes, también pueden inducir cambios similares a la sequía en las anteras.

Aunque la microsporogénesis no requiere luz directa (el proceso ocurre dentro de los botones florales), la iluminación general y el fotoperiodo influyen en el desarrollo de los órganos reproductivos a través de la regulación hormonal.

Sensibilidad fotoperiódica. En plantas de día corto (soja, arroz) o de día largo (espinaca, rábano), la alteración del fotoperiodo habitual durante la iniciación y desarrollo de los botones puede inducir esterilidad masculina. Esto es la base para la creación de la esterilidad masculina genética fotoperiódica (EMGF) en arroz, utilizada en mejora genética.

Intensidad luminosa. El sombreado durante la fase de botonadura reduce la fotosíntesis y la producción de carbohidratos, lo que afecta el suministro de energía para la microsporogénesis. La falta de luz aumenta el porcentaje de polen abortado en muchos cereales y leguminosas.

Los elementos más críticos para el éxito del desarrollo del gametofito masculino son el boro (B) y el calcio (Ca²⁺), así como el nitrógeno y el fósforo en fases específicas (Fartyal et al., 2025; Stern et al., 2021).

Boro (B). Esencial para la formación de las paredes celulares (componente de los ramnogalacturonanos de la pectina) y para el metabolismo de los carbohidratos. La deficiencia de boro durante la microsporogénesis provoca el colapso del tapete, la alteración de la formación de la íntima y el aborto masivo del polen. La aplicación foliar de boro antes y durante la floración es una práctica agronómica estándar para mejorar el cuajado de frutos (tomate, manzano, colza).

Calcio (Ca²⁺). Participa en la señalización durante el crecimiento del tubo polínico, estableciendo un gradiente de concentración en su extremo, necesario para el transporte vesicular y el crecimiento polar. La deficiencia de calcio en los tejidos del pistilo y del estigma bloquea la germinación del polen incluso cuando los granos de polen están normalmente desarrollados.

Nitrógeno y fósforo. El exceso de nitrógeno durante la fase de botonadura puede retrasar la maduración del polen y reducir su viabilidad; el fósforo, por el contrario, mejora el metabolismo energético (síntesis de ATP) en las microsporas.

Las fitohormonas actúan como reguladores sistémicos y locales de la microsporogénesis. Su equilibrio determina la transición de la proliferación a la meiosis, la polarización, la división de la microspora y, finalmente, el inicio de la muerte programada del tapete (Fartyal et al., 2025; Wiese et al., 2024).

Auxinas (AIA). Necesarias en etapas tempranas para la especificación de las células arquesporiales y para el crecimiento del tubo polínico. Un máximo local de auxina en las células microsporógenas desencadena la meiosis. La deficiencia de auxina bajo estrés térmico es una causa de esterilidad masculina.

Giberelinas (GA). Controlan el crecimiento de los filamentos estaminales (elongación), asegurando la protrusión de las anteras del botón para una polinización eficaz. La deficiencia de GA conduce al subdesarrollo de los estambres.

Ácido jasmónico (AJ). Regulador clave de la dehiscencia de la antera y de la síntesis de esporopolenina. La alteración de la síntesis de AJ produce anteras que no se abren (fenotipo de dehiscencia retardada) y esterilidad masculina.

Brassinosteroides (BR). Participan en la formación de la pared del polen (exina) y en la coordinación del desarrollo del tapete y las microsporas. Los BR son necesarios para la tolerancia del polen al estrés térmico (aumentan la termotolerancia).

Etileno y ácido abscísico (ABA). En concentraciones elevadas (bajo estrés) pueden inducir la muerte prematura del tapete y el aborto del polen. Sin embargo, en dosis bajas, estas hormonas también participan en la senescencia normal del tapete y en la apertura de la antera.

Aspecto aplicado: los tratamientos exógenos de las plantas con brassinosteroides o auxinas en la etapa de botonadura pueden mitigar los efectos negativos del estrés térmico sobre el polen (Fartyal et al., 2025).

Cualquier exposición al estrés (calor, sequía, herbicidas) finalmente actúa a través de la generación de especies reactivas de oxígeno (ERO) en las células del tapete y en las microsporas en desarrollo (Ali et al., 2025; Fartyal et al., 2025). Un nivel moderado de ERO es necesario como mediador de señalización para iniciar la MCP del tapete en el momento estrictamente adecuado. Sin embargo, la acumulación excesiva de ERO causa peroxidación lipídica de las membranas, daño a las mitocondrias y al ADN nuclear, lo que lleva a una muerte celular prematura o patológica.

Curiosamente, en los tejidos de la antera (especialmente en el tapete) existen zonas de hipoxia temporal (bajo contenido de oxígeno). La hipoxia es necesaria para mantener la actividad meristemática y la diferenciación celular. La alteración del régimen de oxígeno (por ejemplo, por anegamiento) puede imitar el estrés térmico y causar esterilidad (Becker et al., 2025).

El éxito de la microsporogénesis y del desarrollo del gametofito masculino solo es posible si se cumple simultáneamente un conjunto de condiciones:

Comprender estos factores permite al agrónomo gestionar el proceso productivo: seleccionar variedades tolerantes, ajustar las fechas de siembra, aplicar micronutrientes y reguladores del crecimiento, creando condiciones para la máxima fertilidad del polen y un alto rendimiento.

El polen de muchos cultivos pierde rápidamente su viabilidad después de salir de la antera. La capacidad de almacenamiento depende del tipo de polen (el bicelular se conserva más tiempo que el tricelular) y del contenido de humedad (Lersten, 2004; Beck, 2010).

Prácticas de manejo: El secado del polen hasta un nivel de humedad determinado (10–15%) y el almacenamiento a bajas temperaturas (−20 °C o −196 °C en nitrógeno líquido) permite mantener la fertilidad durante varios años. La crioconservación del polen se utiliza para conservar recursos genéticos (bancos de genes) y para realizar hibridaciones separadas en el tiempo o el espacio (por ejemplo, al trabajar con cultivos frutales que florecen en diferentes épocas).

Limitaciones: El polen de tipo tricelular (cereales, asteráceas) es muy sensible a la desecación y difícil de almacenar a largo plazo.

Los tratamientos exógenos pueden compensar parcialmente los impactos del estrés y mejorar la fertilidad del polen (Fartyal et al., 2025).

Brassinosteroides (BR). El tratamiento de semillas o la pulverización de plantas en la etapa de botonadura con 24-epibrasinólido aumenta la termotolerancia del polen en tomate, arroz y pepino. Los BR mejoran la síntesis de esporopolenina, mantienen la integridad del tapete y reducen los niveles de especies reactivas de oxígeno.

Auxinas. Bajo estrés térmico que causa deficiencia de auxina endógena en las anteras, el tratamiento exógeno con ácido 1-naftilacético (ANA) o ácido indol-3-acético (AIA) restaura la fertilidad en cebada y arroz (Sakata et al., 2010 — citado por Fartyal, 2025).

Ácido salicílico (AS). El tratamiento con AS reduce el daño térmico a las microsporas en arroz mediante la activación de enzimas antioxidantes.

Boro (B). Las aplicaciones foliares de boro al inicio de la botonadura y al inicio de la floración son una práctica estándar para asegurar la formación normal del tubo polínico y mejorar el cuajado de frutos en pomáceas, brasicáceas y tomate. El boro participa en el metabolismo de los carbohidratos y en la síntesis de pectinas de la íntima.

Los métodos modernos permiten modificar de manera dirigida los genes que controlan la fertilidad masculina.

Creación de esterilidad masculina artificial. La inactivación de genes necesarios para el desarrollo del tapete o de las microsporas (por ejemplo, ortólogos de MS1, MS2, CYP703A2) mediante CRISPR/Cas9 permite obtener líneas estériles estables para la producción de semillas híbridas. A diferencia de la EMC, estas líneas no contienen genes mitocondriales extraños y son más fáciles de controlar para la fertilidad (Wiese et al., 2024).

Restauración de la fertilidad. En sistemas del tipo «promotor-gen letal» (por ejemplo, la tecnología Barnase/Barstar), la esterilidad se crea mediante la expresión de un gen tóxico bajo el control de un promotor específico del tapete. La fertilidad se restaura suprimiendo la toxina o introduciendo un gen inhibidor. CRISPR también puede utilizarse para «activar» la fertilidad en líneas estériles, por ejemplo, eliminando un elemento que reprime un gen restaurador (Wiese et al., 2024).

Mejora de la termotolerancia. Se están buscando alelos de genes que aseguren una microsporogénesis estable a altas temperaturas (por ejemplo, variantes termoestables de TMS10, TMS15 en arroz). La introgresión de dichos alelos o su edición permite crear variedades resistentes al estrés térmico durante la floración.

En la agronomía aplicada y la mejora genética se utilizan métodos sencillos para evaluar la calidad del polen.

Tinción con yodo-yoduro potásico (reactivo de Lugol) permite evaluar el contenido de almidón en el polen: el polen maduro viable se tiñe de azul oscuro, el abortado se tiñe de amarillo o no se tiñe.

Reacción fluorocromática (FCR) con diacetato de fluoresceína evalúa la actividad de esterasas en los granos de polen vivos: los granos vivos fluorescen en amarillo-verde bajo luz ultravioleta.

Germinación in vitro en un medio que contiene sacarosa y ácido bórico es el método más fiable para evaluar la fertilidad y el vigor del crecimiento del tubo polínico. Se utiliza en programas de mejora para seleccionar la tolerancia al estrés térmico y para evaluar la calidad del polen en la hibridación.

El manejo de los procesos de microsporogénesis y desarrollo del gametofito masculino tiene una importancia aplicada directa para mejorar el rendimiento de los cultivos agrícolas. Desde la mejora para la esterilidad masculina (EMC, PTGMS) hasta los métodos biotecnológicos (cultivo de microsporas, CRISPR) y las prácticas agronómicas (optimización de las fechas de siembra, aplicaciones de boro y hormonas) — todos estos enfoques se basan en un profundo conocimiento fundamental de los mecanismos citológicos y moleculares descritos en las secciones anteriores. La continuación de la investigación en esta área contribuirá a la creación de variedades con fertilidad controlada y resistencia a los estreses en un clima cambiante.