FISIOLOGÍA DE LAS PLANTAS Y EL ESTRÉS ALMAGUER RIIVERA LUIS DANIEL 1306

ESTRÉS MEDIOAMBIENTAL Factor externo a la planta que ejerce una influencia negativa sobre su desarrollo A lo largo de miles de años de evolución las plantas han adquirido mecanismos de autodefensa Respuesta: alteración estructural o funcional que se produce en la planta frente al estrés. Adaptación: modificaciones heredables que han sido incluidas en el genoma. Aumentan la probabilidad de que la planta sobreviva y se reproduzca. Modificación que se manifiesta continuamente. Acomodación: modificación transitoria, reversible. Expresión fenotípica transitoria correspondiente a uno o varios fenómenos de adaptación.

RESPUESTA DE LA PLANTA AL ESTRÉS Fase de alarma: disminuyen o detienen sus funciones fisiológicas básicas. Reducen su vigor. Fase de resistencia: acomodación del metabolismo celular a las nuevas condiciones, activación de procesos de reparación y expresión de adaptaciones morfológicas adecuadas. Se alcanza un nuevo estado fisiológico óptimo para las nuevas condiciones Fase de agotamiento: si la situación de estrés se mantiene por mucho tiempo y la planta detiene sus funciones Fase de regeneración: el estrés desaparece y la planta alcanza nuevamente el estado fisiológico óptimo Los ciclos de estrés/respuesta son acontecimientos rutinarios en la vida de una planta

FACTORES ESTRESANTES Factores Bióticos Grandes y pequeños animales Otras plantas Insectos Bacterias, hongos, virus Nemátodos Factores Abióticos Sequía (estrés hídrico) Exceso de sales en el suelo (estrés salino) Calor, frío y congelación (estrés térmico) Encharcamiento e inundación (estrés por anaerobiosis) Estrés por contaminantes mediombientales (SO2, herbicidas, metales, CFC; O3) Deficiencia en elementos minerales (estrés nutricional) Viento, suelo compacto (estrés mecánico) Lesiones o heridas

Camino de la señal de estrés Percepción por la planta del estímulo estresante (elicitores, cambios de turgencia, EAO). El estímulo externo debe transformarse en una señal interna Procesamiento de la señal (fitohormonas, cambios en la concentración de Ca+2, proteínas G, proteín-quinasas y proteín-fosfatasas) amplificación, integración en las rutas de transmisión Regulación de la expresión genética: activación o represión de la transcripción, procesamiento y estabilidad de los transcriptos, eficacia de la traducción, modificaciones postraduccionales (fosforilación, proteólisis parcial) Productos proteicos que permiten la tolerancia al estrés Casi todas las condiciones de estrés modifican el patrón de crecimiento de la planta, estimulan la senescencia y la abscisión de los órganos deteriorados, alteran el funcionamiento de las rutas más eficaces de producción de energía metabólica, activan la degradación y la reparación de proteínas desnaturalizadas y refuerzan los mecanismos de eliminación peróxidos que son tóxicos para la célula.

ESTRÉS BIÓTICO La entrada del patógeno a la planta huésped está ligada a la secreción de enzimas: cutinasas, celulasas, pectinasas y proteasas La planta activa enzimas que foratalecen la pared celular, sintetiza fitoalexinas (inhibidores de proteasas) y se activa la muerte celular selectiva de algunas células

ESTRÉS ABIÓTICO HÍDRICO Craterostigma plantagineum Las plantas xerófitas toleran el estrés hídrico en base a modificaciones morfo-anatómicas Reducen la superficie que pierde agua por transpiración, estomas hundidos o protegidos, cutículas gruesas, epidermis poliestratificada Fotosíntesis tipo CAM (Crassula) asimilan el CO2 por la noche, cuando la temperatura es más baja y la humedad relativa del aire es más alta que durante las horas del día, lo que permite una mayor eficiencia en el uso del agua. Suculencia caulinar, el tallo se convierte en un órgano de aspecto carnoso o suculento que almacena agua

ESTRÉS ABIÓTICO SALINO Ambientes marinos, márgenes de desiertos, fertilizantes químicos. Factor osmótico, aumenta la concentración de solutos en el suelo (potencial hídrico se hace más negativo) y la planta tiene dificultades para absorber agua Factor iónico, toxicidad iónica (Cl-, Na+, NO-3, SO-24, NH+4), reducen la tasa fotosintética y la cantidad de pigmentos, inducen la senescencia y la abscisión. Las plantas halófitas restringen la entrada de iones (exclusivas), los almacenan en lugares no perjudiciales o las eliminan a través de glándulas salinas (inclusivas)

ESTRÉS ABIÓTICO TÉRMICO Velocidad de las reacciones enzimáticas Modificación de estructura y actividad de macromoléculas Reducción del crecimiento Inhibición de la fotosíntesis y de la respiración Activación de la senescencia y abscisión Determina el estado físico del agua (puntos de nucleación del hielo: pared celular, cavidad subestomática, espacios intercelulares) se produce un aumento en la concentración de solutos en el líquido extracelular, se produce la deshidratación irreversible del citoplasma y la muerte celular El estrés tanto por calor (> 40 C) como por frío (0-15 C) provoca la pérdida de la semipermeabilidad porque modifica la fluidez de las membranas.

Adaptación al calor y al frío Grado de saturación de los lípidos de las membranas. Las plantas adaptadas al calor incrementan el % de ácidos grasos saturados en los glicerolípidos, aumentando la temperatura de transición cristal líquido/gel. Las que están adaptadas al frío aumentan el % de àcidos grasos insaturados. (lipasas, acil-transferasas) La capacidad de superenfriamento permite a las plantas tolerar la congelación. Acumulan proteínas anticongelantes (AFP) que se absorben a la superficie del hielo e impiden la unión de nuevas moléculas de agua.

ESTRÉS ABIÓTICO ANAEROBIOSIS Hipoxia-anoxia: raíces en un suelos inundados. Se bloquea el ciclo de Krebs y la respiración, se detiene la producción de ATP, se inhibe el transporte activo de protones hacia la vacuola, se acidifica el citoplasma y se detiene el metabolismo de la raíz. El aerénquima se extiende desde las hojas hasta los ápices de las raíces en plantas adaptadas a la falto de oxígeno (proceso lisígeno estimulado por el etileno).

ESTRÉS ABIÓTICO INTENSIDAD LUMINOSA Las clorofilas de las antenas de los fotosistemas, presentes en las membranas tilacoides de los cloroplastos, absorben más energía luminosa que la que puede ser utilizada en la fotosíntesis La densidad del flujo de fotones (PFD) supera el valor de saturación, para el cual la planta alcanza la mayor eficacia fotosintética. Se producen lesiones oxidativas que afectan al fotosistema I y II, se reduce la eficiencia fotosintética, se procuce el bloqueo del transporte electrónico y la fosforilación. La fotooxidación pueden reducirse por la expresión de los genes elip (early light induced proteins) que codifican para proteínas que ligan o reparan las proteínas de los fotosistemas. Mediante el movimiento rápido de los cloroplastos o de las hojas, las plantas pueden modificar el grado de intercepción de la luz solar. El ciclo de las xantófilas permite disipar el exceso de energía luminosa absorbida por las clorofilas de forma no perjudicial para el cloroplasto. Consiste en la interconversión enzimática de tres xantófilas, en condiciones de estrés por luz se acumula zeaxantina y ésta disipa esa energía en forma de calor.

ESTRÉS ABIÓTICO CONTAMINANTES DEL MEDIO AMBIENTE Xenobióticos: agentes contaminantes producidos y liberados por actividades industriales o agrícolas Compuestos clorofluorocarbonados (CFC), óxido de nitrógeno, dióxido de azufre, herbicidas y metales. Lluvia ácida, modificación de los niveles atmosféricos de ozono: aumentan las radiaciones UV-B (290-320 nm) que provocan mutaciones irreversibles. La planta responde activando la síntesis de fenilpropanoides. Aumenta la concentración de ozono en la tropósfera y reacciona con proteínas y lípidos, se altera la permeabilidad de membrana y aparecen lesiones necróticas en las hojas. Metales, Mn, Fe, Zn, Cu, Al, Cd, Hg, Ni, Pb en concentración aumentada y suelos ácidos son tóxicos (afectan el crecimiento y la formación de raíces). Además el Cd y Pb ingresan a la cadena trófica. Las fitoquelatinas (PC) unen los metales mediante la formación de enlaces tiol con los restos de Cys y se almacenan en vacuolas.

RESPUESTAS GENERALES FRENTE AL ESTRÉS Aumento de los niveles de fitohormonas (ABA, etileno y ácido jasmónico ). La inducción de la síntesis puede ser debida a los cambios de volumen y turgencia celular. Condiciones adversas para la raíz inducen la disminución del crecimiento de las hojas, el cierre estomático y senescencia. El estrés hídrico produce ABA que es transportado por el xilema a la parte aérea de la planta. Una amplia gama de estreses bióticos y abióticos induce la estimulación de la síntesis de etileno: deficiencia de hierro, lesiones o heridas, el viento, compactación del suelo, déficit hídrico, la salinidad, calor, frío, hipoxia, ozono, dióxido de azufre y acumulación de metales. También elicitores (fragmentos de quitina en el caso de insectos). Todos estos factores inducen la expresión de genes que codifican para enzimas de la ruta biosintética del etileno.

FITOHORMONAS El etileno produce epinastia en hojas, tallos y raíces, inducción de raíces adventicias, senescencia, abscisión, formación de aerénquima, represión de genes relacionados con la fotosíntesis y expresión de genes relacionados con la defensa frente a patógenos (pr y pi) Se estimula la producción de ácido jasmónico en el estrés producido por radiaciones UV, lesiones o heridas, ataque de patógenos y deficiencia de agua. El AJ reprime la expresión de genes nucleares y del cloroplasto implicados en la fotosíntesis e induce la expresión de genes que codifican proteínas antifúngicas, inhibidores de proteasas, enzimas de la ruta de síntesis de los flavonoides, glicoproteínas de la pared celular ricas en Pro e HPro

Las situaciones estrés modifican el patrón de Las situaciones estrés modifican el patrón de crecimiento vegetativo y reproductivo En general se reduce el crecimiento vegetativo de la parte aérea de la planta y no se afecta o se incrementa el crecimiento de la raíz. El crecimiento reproductivo suele acelerarse pero se reduce el tamaño de flores y semillas. Los órganos dañados por situaciones de estrés envejecen y son eliminados por la planta al activarse la abscición Así la planta recicla la mayor parte de los componentes celulares, reduce la superficie de transpiración, elimina el foco de infección, etc. Las condiciones ambientales adversas estimulan tanto la degradación como la reparación de proteínas Las proteasas participan en la activación de proteínas relacionadas con la adaptación al estrés, así como en la degradación de proteínas desnaturalizadas. Ubiquitinilación. Proteínas de choque térmico (HSP)

Las adaptaciones bioquímicas de las plantas C4 y CAM permiten tasas fotosintéticas elevadas manteniendo los estomas cerrados Inducen el cierre estomático para evitar la deshidratación: la sequía, la salinidad, las temperaturas extremas, el encharcamiento y la presencia de metales en el suelo Se evita la fotorrespiración que protegería al aparato fotosintético de los daños que puede causar el exceso de ATP y poder reductor

Las situaciones de estrés estimulan la actividad de rutas alternativas de producción de energía El calor reduce tanto la tasa fotosintética como la respiratoria, cuando la fotosíntesis decae rápidamente se activa la glucólisis. Cuando la hipoxia y anoxia ralentizan y detienen la fosforilación oxidativa, el ciclo de Krebs se detiene y se produce la estimulación de la glucólisis y la fermentación anaerobia Se produce un fuerte descenso en la cantidad de energía disponible, una reducción drástica de las funciones metabólicas y el agotamiento de las reservas de azúcares de la planta

La disminución del potencial hídrico induce la síntesis de compuestos osmoprotectores Sequía, salinidad, temperaturas extremas y encharcamiento Las sustancias pueden actuar como osmolitos reajustando el potencial hídrico intercelular o estabilizando la estructura de membranas y macromoléculas. Compuestos con N: prolina, amonio cuaternario (glicina betaína) Compuestos con grupos hidroxilo: polialcoholes, azúcares (sacarosa) Proteínas LEA (late embriogenesis abundant) abundantes en las semillas en fase de desecación. Retiene moléculas de agua y estabilizan proteínas.

Las condiciones ambientales adversas producen estrés oxidativo al incrementar el nivel de especies activadas de oxígeno (EAO) Anión superóxido Peróxido de hidrógeno Radical hidroxilo Desacoplan el balance producción/eliminación Reaccionan muy fácilmente con moléculas biológicas: forman peróxidos con los ácidos poliinsaturados de los glicerolíopidos de las membranas y modifican aa. Inducen la ruptura y agregación de proteínas, causan mutaciones y delecciones en los ácidos nucleicos. Respuesta: Síntesis de antioxidantes (glutatión, ascorbato, alfa-tocoferol) Síntesis de enzimas antioxidantes (superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa, glutatión reductasa, catalasa)

SOD: superóxido dismutasa APX: ascorbato peroxidasa ASC: ascorbato DHA: deshidroascorbato MDA: monodeshicroascorbato GSH: glutatión reducido DHAR: dehidroascorbato reductasa GR: glutatión reductasa GSSG: glutatión oxidado

Los metabolitos secundarios protegen activamente las plantas de las situaciones de estrés Se induce la expresión de genes que codifican varias enzimas de la ruta biosintética de compuestos fenilpropanoides

PR: proteínas relacionadas con la patogénesis Los estrés que provocan la ruptura de las paredes celulares inducen la síntesis de proteínas PR y otras proteínas de defensa PR: proteínas relacionadas con la patogénesis Hidrolasas: quitinasas, beta-glucanasas, Relacionadas con el estrés osmótico: taumatina u osmotinas Inhibidores de proteasas Tioninas, con actividad antibiótica