12.2: Estructura interna de la hoja
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- Describir la estructura interna microscópica de las hojas, incluyendo la epidermis, el mesófilo y los haces vasculares.
- Comparar las adaptaciones de hojas mesofíticas, hidrófitas y xerofíticas.
- Identificar las características únicas de las hojas de pino y maíz.
- Compara las estructuras de las hojas de sol y sombra.
Organización de Tejidos en Hojas
Los tres tipos de tejido están representados en hojas. La epidermis representa el tejido dérmico, el mesófilo que llena la hoja es tejido molido, y los haces vasculares que forman las venas foliares representan tejido vascular (Figura\(\PageIndex{1}\)). Estos tres tejidos serán discutidos utilizando una hoja de eudicot que se adapta a una cantidad moderada de agua (hoja mesofítica). Las variaciones en la estructura foliar se discuten más adelante en esta página.

Epidermis
La capa más externa de la hoja es la epidermis; está presente en ambos lados de la hoja y se llama epidermis superior e inferior, respectivamente. Los botánicos llaman al lado superior la superficie adaxial (o adaxis) y al lado inferior la superficie abaxial (o abaxis). La epidermis ayuda en la regulación del intercambio de gases. Contiene estomas (singular = estoma; Figura\(\PageIndex{2}\)), aberturas a través de las cuales se produce el intercambio de gases. Dos células de guarda rodean cada estoma, regulando su apertura y cierre, y las células de guarda a veces están flanqueadas por células subsidiarias. Las células guardianas son las únicas células epidérmicas que contienen cloroplastos. En la mayoría de los casos, la epidermis inferior contiene más estomas que la epidermis superior debido a que la parte inferior de la hoja es más fría y menos propensa a la pérdida de agua.

La epidermis suele ser de una capa celular gruesa; sin embargo, en plantas que crecen en condiciones muy calurosas o muy frías, la epidermis puede tener varias capas de espesor para proteger contra la pérdida excesiva de agua por la transpiración. Una capa protectora llamada cutícula cubre la superficie de las células epidérmicas (Figura\(\PageIndex{3}\)). La cutícula es rica en lignina (que le da cierta rigidez) y ceras (que funcionan en la impermeabilización). La cutícula reduce la tasa de pérdida de agua de la superficie foliar. Otras hojas pueden tener pequeños pelos (tricomas) en la superficie foliar. Los tricomas ayudan a disuadir la herbivoría al restringir los movimientos de los insectos, o al almacenar compuestos tóxicos o de mal sabor; también pueden reducir la pérdida de agua al bloquear el flujo de aire a través de la superficie de la hoja (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por esta razón, los tricomas (como los estomas) suelen ser más densos en el lado inferior de la hoja.


Mesófilo
Debajo de la epidermis se encuentran capas de células conocidas como el mesófilo, o “hoja media”. Las células mesófilas contienen muchos cloroplastos y se especializan en la fotosíntesis. El mesófilo de la mayoría de las hojas suele contener dos arreglos de células del parénquima: el parénquima empalizada y el parénquima esponjoso (Figura\(\PageIndex{5}\)). El parénquima empalizada (también llamado mesófilo de empalizada) tiene forma de columna y puede estar presente en una, dos o tres capas. Las células empalizadas se especializan en capturar la luz solar entrante (incluidos los rayos solares inclinados), rotar los cloroplastos hacia la parte superior de la hoja y luego permitirles regenerarse ciclándolos hacia el centro de la hoja. También disminuyen la intensidad de la luz solar para el mesófilo esponjoso. Aunque las celdas empalizadas pueden aparecer apretadas en una sección transversal debido a que hay muchas filas de celdas detrás de las que están en primer plano, en realidad hay un amplio espacio (espacios de aire intercelulares) entre ellas. Debajo del parénquima empalizada se encuentran aparentemente células dispuestas libremente de forma irregular. Estas son las células del parénquima esponjoso (o mesófilo esponjoso). Los espacios de aire intercelulares encontrados entre las células mesófilas facilitan el intercambio gaseoso.

Paquetes Vasculares (Venas)
Al igual que el tallo, la hoja contiene haces vasculares compuestos por xilema y floema (Figura\(\PageIndex{6-7}\)). Cuando un haz vascular típico del tallo (que tiene xilema interno al floema) ingresa a la hoja, el xilema generalmente mira hacia arriba, mientras que el floema mira hacia abajo. Las células conductoras del xilema (traqueidas y elementos del vaso) transportan agua y minerales a las hojas. Los elementos de tubo de tamizado del floema transportan los productos fotosintéticos de la hoja a las otras partes de la planta. El floema suele estar soportado por un racimo de fibras (esclerénquima) que aumentan el soporte estructural de las venas. Un solo haz vascular, no importa cuán grande o pequeño sea, siempre contiene tejidos de xilema y floema.


Adaptaciones foliares
La forma ancha y plana de la mayoría de las hojas aumenta la superficie en relación con el volumen, lo que ayuda a capturar la luz solar; sin embargo, esto también brinda más oportunidades para la pérdida de agua. La anatomía de una hoja tiene todo que ver con lograr el equilibrio entre la fotosíntesis y la pérdida de agua en el ambiente en el que crece la planta. Las plantas que crecen en áreas húmedas pueden crecer hojas grandes y planas para absorber la luz solar como los paneles solares porque la luz solar es probablemente más limitante que el agua. Las plantas en áreas secas deben evitar la pérdida de agua y adaptar una variedad de formas y orientaciones de las hojas para lograr las tareas de duelo de retención de agua y absorción de luz solar. En general, las hojas adaptadas a ambientes secos son pequeñas y gruesas con una relación de superficie a volumen mucho menor.
En cuanto al agua, existen tres tipos principales de plantas: mesófitas, hidrófitas y xerófitas. Los mesófitos son plantas típicas que se adaptan a cantidades moderadas de agua (“meso” significa medio y “fitos” significa planta). Muchas plantas familiares son mesófitas, como lila, ranúnculo (ranúnculo), rosas, etc. Los hidrofitos crecen en el agua (“hidro” se refiere al agua). Sus hojas son frecuentemente altamente disecadas (profundamente lobuladas) para acceder a los gases disueltos en el agua, y sus pecíolos y tallos tienen canales de aire para abastecer de gases a los órganos submarinos. Los higrófitos (no discutidos más) viven en un ambiente constantemente húmedo, sus hojas se adaptan para liberar rápidamente agua a través de los estomas. A veces incluso excretan gotas de agua a través de los márgenes foliares (guttation). Los xerófitos se adaptan al agua escasa (“xero” se refiere a la sequedad). Los xerófitos se encuentran en desiertos y climas mediterráneos (como en gran parte de California), donde los veranos son calurosos y secos. Las hojas de los mesofitos se llaman mesofíticas, las hojas de hidrófitas se llaman hidrófitas, y así sucesivamente. Ya se describió la estructura de las hojas mesofíticas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Adaptaciones en hojas hidrófitas y xerofíticas y discutidas a continuación con más detalle.
Hojas Hidrófitas
La estructura de una hoja hidrofítica difiere de una hoja mesofítica debido a las presiones selectivas en el ambiente: el agua es abundante, por lo que la planta está más preocupada por mantenerse a flote y prevenir la herbivoría. Las hojas hidrófitas presentan una fina capa epidérmica y la ausencia de estomas en la epidermis inferior (Figura\(\PageIndex{8}\)). En el mesófilo esponjoso, hay grandes bolsas donde el aire puede quedar atrapado, ayudando a que la hoja flote. Este tipo de tejido de parénquima, especializado para atrapar gases, se llama aerénquima. Esclereidas agudas y ramificadas (astrosclereidas) atraviesan el mesófilo de una hoja hidrófila. Estos proporcionan el soporte estructural foliar, así como la prevención de la herbivoría. El tejido vascular está algo reducido en las hojas hidrófitas.


Hojas Xerofíticas
Las hojas xerofíticas (Figura\(\PageIndex{9}\)) presentan cutículas gruesas para limitar la pérdida de agua, especialmente en la epidermis superior (Figura\(\PageIndex{10}\)). Tanto la epidermis superior como la inferior se componen de varias capas (epidermis múltiple). A veces las capas adicionales se llaman hipodermis (“hipo” que significa debajo; “dermis” que significa piel). Las depresiones en la epidermis inferior crean unos bolsillos que están forrados con tricomas, y los estomas se localizan en la base de estos bolsillos (llamados criptas estomáticas; figura\(\PageIndex{10}\)). Los tricomas ayudan a capturar la humedad evaporada y mantener un ambiente relativamente húmedo alrededor de los estomas. Estas criptas estomáticas se localizan solo en la parte inferior de las hojas, donde experimentan menos exposición al sol y por lo tanto menos pérdida de agua. La epidermis superior está libre de estomas.



Hojas de Pino
Los pinos evolucionaron durante un período de la historia de la Tierra cuando las condiciones se estaban volviendo cada vez más secas, y las agujas de pino tienen muchas adaptaciones para lidiar con estas condiciones. Muchas de estas adaptaciones son similares a las hojas xerofíticas de algunas angiospermas (descritas anteriormente) debido a que los propios pinos son xerófitos.
La epidermis de la hoja parece tener más de una capa celular gruesa (figura\(\PageIndex{11}\)). Estas capas posteriores de tejido epidérmico bajo la única capa externa de la epidermis verdadera se llaman hipodermis, que ofrece una barrera más gruesa y ayuda a prevenir la pérdida de agua. La epidermis misma está recubierta en el exterior por una gruesa capa de cera llamada cutícula. Debido a que las ceras son hidrofóbicas, esto también ayuda a prevenir la pérdida de agua a través Los estomas suelen estar hundidos, ocurriendo dentro de la hipodermis en lugar de la epidermis. Los estomas hundidos crean una bolsa de aire que está protegida del flujo de aire a través de la hoja y puede ayudar a mantener un mayor contenido de humedad (figura\(\PageIndex{12}\)).


Dentro del mesófilo, existen varios canales que aparecen como grandes círculos abiertos en la sección transversal de la hoja. Se trata de canales de resina. Las células que los recubren secretan resina (la materia pegajosa que exudan los árboles coníferos, a menudo llamada brea), que contiene compuestos que son tóxicos para insectos y bacterias. Cuando los pinos evolucionaron, no sólo la Tierra se estaba volviendo más seca, sino que los insectos evolucionaban y proliferaban. Estos canales de resina no son características que ayuden a la planta a sobrevivir en condiciones secas, pero sí ayudan a prevenir la herbivoría. Además de la prevención de la herbivoría, la resina puede ayudar a cerrar heridas y prevenir la infección en los sitios de la herida.
Hay dos haces de tejido vascular incrustados dentro de una región de células llamada tejido de transfusión, que funciona transportando materiales hacia y desde las células mesófilas. El tejido transfusional y los haces vasculares están rodeados por una capa distinta de células llamada endodermis. Esto es similar al tejido del mismo nombre en la raíz, pero las células no están impregnadas con el compuesto repelente al agua suberina.
Finalmente, la forma general de la hoja permite la menor pérdida de agua posible al disminuir la superficie relativa, tomando una forma más redonda en lugar de una más plana. Esta baja relación de superficie a volumen es característica de los xerófitos.
Hojas de Maíz
El organismo modelo para las monocotiledóneas en botánica suele ser el maíz (Zea mays). En el maíz, hay aproximadamente el mismo número de estomas tanto en la epidermis superior como en la inferior. El mesófilo no se divide en dos tipos distintos. Todos los haces vasculares se enfrentan a los mismos directamente (apareciendo circulares en sección transversal) porque corren paralelos entre sí.
El maíz no es necesariamente un xerófito, sino que está adaptado para hacer frente a altas temperaturas. Una de estas adaptaciones, la fotosíntesis tipo C 4 se discute en Fotorespiración y Caminos Fotosintéticos y da como resultado un arreglo celular llamado anatomía de Kranz. Los haces vasculares están rodeados por células de parénquima obviamente infladas que forman una estructura llamada vaina de haz, y estas están llenas de cloroplastos (Figura\(\PageIndex{13}\)). (Las vainas de haz también rodean haces vasculares de otros tipos de hojas, pero las células de la vaina del haz son mucho más pequeñas). Las células mesófilas rodean las células de la vaina del haz. En la fotosíntesis C 4, el dióxido de carbono es primero recolectado por las células mesófilas y almacenado temporalmente como un azúcar de cuatro carbonos. Este azúcar de cuatro carbonos se transfiere a las células de la vaina del haz, donde se descompone para liberar dióxido de carbono. Es en las células de la vaina del haz donde se produce un proceso llamado ciclo de Calvin, y finalmente se produce glucosa. La fotosíntesis C 4 concentra el dióxido de carbono dentro de las células de la vaina del haz, reduciendo la necesidad de abrir frecuentemente los estomas para el intercambio de gases. Esto ayuda a conservar el agua.

Cuando la humedad es abundante, las hojas de maíz están completamente expandidas y son capaces de maximizar la fotosíntesis. Cuando la humedad es limitada, las hojas ruedan hacia adentro, limitando tanto la pérdida de humedad como la capacidad fotosintética. Esto se logra por la presencia de células bulliformes en la epidermis superior (Figura\(\PageIndex{14}\)). Estos racimos de células agrandadas se hinchan con agua cuando hay abundante agua disponible. A medida que disminuye el contenido de agua en la planta, estas células se marchitan, haciendo que la epidermis superior se doble o se doble hacia adentro en estos puntos. Esta adaptación a la exposición al sol se puede encontrar en muchas otras gramíneas, también (el maíz es miembro de las Poaceae, la familia de las gramíneas).

Hojas de sol y sombra
La intensidad lumínica experimentada por una hoja en desarrollo influye en su estructura. Las hojas que se desarrollan cuando se exponen consistentemente a la luz solar directa (hojas solares) difieren de las hojas expuestas a bajas intensidades de luz (hojas de sombra) de varias maneras (Figura\(\PageIndex{15}\)). En relación con las hojas de sombra, las hojas solares son más pequeñas y gruesas. Esto reduce la superficie relativa al volumen, conservando el agua, que de otro modo se perdería fácilmente bajo la luz solar brillante y, como resultado, temperaturas más cálidas. Por el contrario, la forma ancha y delgada de las hojas de sombra ayuda a capturar suficiente luz cuando la intensidad de la luz es baja. La cutícula más gruesa de las hojas solares también limita la pérdida de agua. Tienen más parénquima empalizada y más tejido vascular. Las hojas solares pueden mantener una alta tasa fotosintética a altas intensidades de luz, pero las hojas de sombra no pueden.


Atribuciones
Comisariada y autoría de Melissa Ha utilizando las siguientes fuentes:
- 30.2 Tallos y 30.4 Hojas de Biología 2e por OpenStax (licenciado CC-BY). Accede gratis en openstax.org.
- 5.3 La Hoja de Introducción a la Botánica de Alexey Shipunov (dominio público).
- 9.2 Introducción a la Anatomía de la Hoja y 9.3 Anatomía de la Hoja del Manual de Laboratorio de Botánica por Maria Morrow (licenciada CC-BY)
- 13 Hojas de Un Atlas Fotográfico para Botánica de Maria Morrow (con licencia CC-BY-NC).