RESPUESTAS GENÉTICAS DE LAS PLANTAS AL ESTRÉS …
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RESPUESTAS GENÉTICAS DE LAS PLANTAS AL ESTRÉS HÍDRICO Gela Maria Kovalsky París Monografía Directores: Consuelo Burbano Universidad Nacional Alfredo Badillo Universidad de los Andes Universidad de los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Biología Bogotá Febrero de 2004 INDICE
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RESPUESTAS GENÉTICAS DE LAS PLANTAS AL ESTRÉS HÍDRICO
Gela Maria Kovalsky París
Monografía
Directores: Consuelo Burbano Universidad Nacional
Alfredo Badillo Universidad de los Andes
Universidad de los Andes Facultad de Ciencias
Departamento de Biología Bogotá
Febrero de 2004
INDICE
Página
1. Introducción 1
1.1 Objetivos 4
2. Estrés 5
2.1 ¿Qué es? 5
2.2 ¿Qué se considera como estrés hídrico? 7
2.3 Modelo genético para el estudio del estrés en plantas 9
3. Respuestas fisiológicas de las plantas al estrés hídrico 11
3.1 Cierre de estomas 12
3.2 Respuestas a nivel molecular y celular 13
3.3 Ajuste osmótico 14
4. Control hormonal 19
4.1 El ácido abscisico como hormona del estrés 23
5. Inactivación de especies reactivas de oxígeno 26
5.1 ROS 26
5.2 Detoxificación de ROS 28
6. Control genético 30
6.1 Grupos y función de los genes inducidos por el estrés hídrico 30
6.2 Modo de expresión de genes 32
6.3 Los genes inducidos por estrés hídrico y sus productos 35
7. Introducción de tolerancia en plantas 39
8. Conclusión 41
9. Bibliografía 43
1. INTRODUCCION
Las plantas son organismos autótrofos que producen materia orgánica a partir de
materia inorgánica, principalmente agua y dióxido de carbono. Estas necesitan agua
para el funcionamiento de la fotosíntesis, debido a que la molécula se debe romper en
un proceso de fotólisis, cuyo fin es obtener electrones para generar el poder reductor,
liberando oxígeno como producto de deshecho. Cuando la planta esta carente de
alguno de estos dos componentes, la fotosíntesis se ve seriamente comprometida.
Dado que la fotosíntesis es la única fuente que provee a la planta de esqueletos de
carbono necesarios para la fabricación de todos sus bloques constructores de energía
química para su mantenimiento durante las horas de luz, y de moléculas combustibles
para la obtención de energía mediante la respiración celular en las horas de la
oscuridad, la planta va a responder a los cambios en la disponibilidad de dióxido de
carbono y agua, mediante distintos mecanismos adaptativos que le permitan
mantenerse en estado de homeostasis.
El CO2 es la única fuente de carbono para las plantas, y es a partir de esta que se
sintetiza la glucosa, fuente principal de energía celular; pero cuando se reducen los
niveles de este gas, la tasa de fotosíntesis se reduce.
Por otro lado, el agua tiene diferentes funciones dentro de la planta. En principio, y
como se ha dicho anteriormente, es un componente esencial para el proceso de
fotosíntesis. También cumple función de solvente (y en algunos casos es sustrato) de
2
las múltiples reacciones metabólicas, y además da turgencia a la célula vegetal. Por
lo tanto, dado que cumple tantas funciones diferentes dentro de la planta, es de
esperar que cuando los niveles de agua disminuyen, o su disponibilidad se reduce, la
planta se ve obligada a responder de muchas formas para así poder asumir su
carencia.
Debido al papel tan importante que desempeña el agua dentro de la planta, el
siguiente documento recopila los cambios fisiológicos, moleculares y genéticos que
en ellas se inducen cuando se ven sometidas a un “Estrés Hídrico”, que es como se
denominará a la reducción o carencia de la disponibilidad de agua. También se hará
alusión a los mejoramientos genéticos que se han hecho recientemente, en busca de
obtener plantas transgénicas mas tolerantes a la sequía.
Esta recopilación se hace necesaria dada la dificultad de encontrar suficiente
información al respecto en una sola fuente. Los artículos en existencia tratan de
manera separada de aspectos concernientes a ciertos cambios fisiológicos, a ciertas
hormonas o a ciertos genes, pero no dan una lectura comprehensiva del estrés hídrico.
Debido a que nuestros ecosistemas dependen fundamentalmente de las plantas para la
producción de alimento, el estrés hídrico no es solo un problema a nivel vegetal sino
también para la población humana. Las variedades de plantas que se cultivan en
todos los países del mundo dependen de un riego constante, al igual que de una tierra
3
fértil; uno sin el otro seria inútil para la agricultura. Se ha publicado que la falta de
agua es el factor principal que afecta la productividad,1 al igual que lo es su
distribución espacial. 2
Quizás los mayores problemas de hambre en el mundo puedan ser atribuidos, por lo
menos en parte, al mal manejo de las tierras de cultivo, las cuales se tornan infértiles,
secas, y por ende no aptas para el cultivo. Por esta razón se hace importante a nivel
económico y social estudiar el efecto que tiene el estrés hídrico y las respuestas
internas de las plantas ante este problema. Con esta recopilación de información se
podrá tener a la mano propuestas de posibles soluciones para evitar que el estrés
hídrico afecte gravemente una planta, y más específicamente aquellas usadas para
fines de alimentación de la población humana.
1 Cushman J & Bohnert H Genomic approaches to plant stress tolerance Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 117 – 124; Rathinasabapathi B Metabolic engineering for stress tolerance: installing osmoprotectant synthesis pathways Annals of Botany 2000, 86: 709 – 716. 2 Sakamoto A & Murata N. The role of glycine betaina in the protection of plants from stress: clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment 2000, 25: 163 – 171.
4
1.1 OBJETIVOS Los principales objetivos del siguiente documento son:
1. Conocer cuales son los cambios que ocurren a nivel fisiológico, molecular y
genético en la célula y en toda la planta en respuesta al estrés hídrico.
2. Conocer algunas de las estrategias biotecnológicas que se han implementado
para mejorar la tolerancia al estrés hídrico en plantas.
5
2. ESTRÉS
2.1 ¿Qué es?
Todos los organismos vivos requieren de ciertas condiciones básicas para poder
desarrollarse normalmente y cumplir con sus funciones metabólicas mínimas. En el
caso de las plantas, estas necesitan un sustrato para crecer y del cual obtener
nutrientes minerales, cierta cantidad de agua, oxígeno, CO2 y luz variables, y una
temperatura apropiada a la cual funcionan óptimamente las enzimas. Cuando uno o
más de estos requisitos se ve disminuido o aumentado más allá de un punto límite,
puede decirse que la planta esta bajo estrés. El estrés se produce por condiciones
externas que afectan adversamente el crecimiento, desarrollo o la productividad de la
planta. Puede ser biótico, impuesto por otro organismo, o abiótico, aquel que se
produce a partir de un exceso o déficit en el medio físico o químico. 3
Como las plantas son organismos sésiles, deben desarrollar estrategias ante el estrés
para que estas condiciones adversas no produzcan daños irreversibles que lleven
eventualmente la muerte. Es por esto que Mohr y Schopfer 4 han diferenciado las
siguientes estrategias:
3 Buchanan et al. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000. 4 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995.
6
• Tolerancia hacia el factor de estrés donde la planta tolera el estrés sin sufrir
grandes daños.
• Defensa ante el factor de estrés mediante mecanismos protectores.
• Reversión de los efectos del estrés mediante reparación a los daños ocurridos.
Ellos también plantean que estas estrategias pueden ser constitutivas, donde existe un
control a nivel genético encaminado a expresar de manera permanente los
determinantes de la tolerancia, o adaptativas, donde las respuestas se inducen bajo la
influencia del estrés o factores ambientales.
Figura 1. Esquema que define los términos de estrés
Tabla de: Mohr & Schopfer, 19955
5 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995
7
2.2 ¿Qué se considera como estrés hídrico?
Dada la definición de estrés, se podría considerar un estrés hídrico se cuando la
disponibilidad de agua se reduce o aumenta excesivamente, causando un efecto
adverso sobre el crecimiento, desarrollo o productividad de la planta. 6 Las sequías,
las altas concentraciones de sal en el suelo y las bajas temperaturas, son factores de
estrés que disminuyen la cantidad de agua disponible para la planta y pueden causar
daño sobre esta. 7 La cantidad de agua que se encuentra en una planta se mide con
base a dos parámetros diferentes: el potencial hídrico y el contenido relativo de agua
(RWC, por sus siglas en inglés). El potencial hídrico es una medida de la cantidad de
agua que se encuentra en una solución, en este caso dentro de la célula vegetal. El
RWC es una medida relativa de la cantidad de agua que se determina a partir del peso
fresco, peso seco y peso en turgencia del tejido. 8
Las plantas necesitan un suministro constante de agua para poder desempeñar sus
actividades metabólicas de manera normal. Como existen plantas adaptadas a
diferentes ambientes, sus requerimientos mínimos de agua van a ser diferentes. Sin
embargo, existen parámetros comunes que se han estandarizado para la mayoría de
las plantas, donde se pueden hacer generalidades acerca de lo que se considera un
estrés hídrico para el reino vegetal. 6 Buchanan et al., Biochemistry and molecular biology of plants. American Society of Plant Physiologists, Maryland. 2000. 7 Liu et al, Regulatory role of DREB transcription factors in plant drought, salt and cold tolerance. Chinese Science Bulletin June 2000, Vol. 45 No. 11. 8 Buchanan et al, Biochemistry & Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, Maryland. 2000.
8
Según Hsaio citado por Lange et al, 9 existen tres estados de estrés hídrico:
- Estrés leve: Es la reducción del potencial hídrico en algunos bar o del RWC
entre un 8 y 10%.
- Estrés moderado: Es la disminución en el potencial hídrico por menos de
12 a 15 bar o reducción en el RWC entre 10 y 20%.
- Estrés severo: Cuando el potencial hídrico se reduce a menos de 15 bar o la
reducción del RWC es mayor a 20%.
Así mismo, “la mayoría de plantas con flor no pueden sobrevivir a una exposición de
un déficit de agua equivalente a menos del 85% al 98% (v/v) de humedad relativa
durante el período de crecimiento vegetativo”. 10
Se presentan ocasiones en donde la transpiración excede la absorción de agua, pero
siempre y cuando exista un buen suministro del líquido, la planta se puede mantener
turgente. Sin embargo, cuando la pérdida por transpiración no se puede balancear
con una absorción adecuada de agua, el potencial hídrico de la planta cae rápidamente
y el déficit de agua se convierte en un estrés hídrico. 11 Un déficit de agua continuo
9 Lange et al Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982 10 “Most flowering plants cannot survive exposure to a water deficit equivalent to less than 85% to 98% (v/v) relative humidity during their vegetative growth period” Bartels D and Salamini F Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma Plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology 2001, 127: 1346 -1353. (la traducción es mía.) 11 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995.
9
puede producir desecación, que se refiere a la pérdida de la mayoría del agua
protoplásmica. 12
2.3 Modelo genético para el estudio del estrés en plantas
Para los estudios genéticos que están relacionados con el estrés hídrico, se ha
utilizado ampliamente la especie Arabidopsis thaliana. Esta diminuta especie
crucífera se distingue por la presencia de hojas con pecíolos cortos, flores en roseta
blancas y semillas sin alas. 13 Los estomas están presentes en la epidermis de todos
los órganos aéreos exceptuando los pétalos y filamentos del estambre. 14 Se
caracteriza además porque se desarrolla y reproduce en tiempos muy cortos
produciendo un gran número de semillas. Esto permite que los costos de los estudios
de laboratorio se reduzcan. Una vez la planta esta en el laboratorio, es muy fácil de
estudiar genéticamente, puesto que tiene un genoma pequeño (4 cromosomas) debido
a la ausencia de DNA repetitivo. Por ultimo, Arabidopsis responde al estrés y a
enfermedades de forma muy similar a plantas de cultivo,
12 Kotchoni S and Bartels D Water stress induces the up-regulation of a specific set of genes in plants: aldehyde dehydrogenases as an example. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 37 – 51. 13 Grene Taxonomy and phylogeny of Arabidopsis. The Arabidopsis Book 2000. doi/10.1199/tab0001. 14 Nadeau & Sack Stomatal development in Arabidopsis. The Arabidopsis Book 2000 doi/10.1199/tab0066.
10
Figura 2. Inflorescencia de Arabidopsis thaliana
Foto de: Swedish South Asian Studies Network 15
15 http://www.sasnet.lu.se/researchf.html
11
3. RESPUESTAS FISIOLÓGICAS DE LAS PLANTAS AL ESTRÉS HÍDRICO
La forma como responden las plantas a distintas situaciones de estrés hídrico va a ser
diferente según la especie. Existen plantas que no resisten el estrés hídrico, mientras
que hay otras que tienen estrategias bien elaboradas tanto a nivel fisiológico, como
molecular y genético para soportarlo. En general, una respuesta al estrés se inicia
cuando la planta reconoce algún tipo de desajuste a nivel celular, activando
seguidamente determinados caminos bioquímicos de transducción de señales que
intercomunican las células de toda la planta, desencadenado finalmente variadas
respuestas que le permitirán recuperar el estado de homeostasis. 16
Cuando la planta está carente de agua significa que el potencial hídrico del sustrato
baja, sea por disminución del suministro de agua o porque la concentración de sales
en la tierra es elevada. El alto contenido de sales en el suelo es causado
principalmente por la presencia de NaCl, que lleva a la reducción del potencial
hídrico en la zona de la raíz. Cuando esto ocurre, el potencial hídrico de la célula
también baja, causando una disminución aguda en la presión interna de la célula, lo
cual se manifiesta en una pérdida de turgencia. 17 Cuando las células pierden
turgencia la planta en general comienza a mostrar síntomas de marchitamiento, que es
uno de los primeros efectos que se ve físicamente cuando una planta carece de agua.
Una célula plasmolisada no está en condiciones óptimas para continuar con el ciclo
16 Buchanan et al., Biochemistry and molecular biology of plants.. American Society of Plant Physiologists, Maryland. 2000.. 17 Mohr & Schopfer Op. Cit. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995.
12
celular normal y concluir con la mitosis. El arresto del ciclo celular, por lo tanto,
puede ser una de las múltiples razones por las cuales las plantas que están bajo estrés
hídrico presentan problemas o retardos en el crecimiento. Es conocido que las
hormonas de estrés (ácido jasmónico y ácido abscisico) trabajan sincronizadamente
en la planta de tabaco para prevenir la replicación del DNA y mantienen las células
en la fase G1 del ciclo celular. 18
3.1 Cierre de estomas
Una respuesta inmediata al estrés hídrico es el cierre de estomas. Este proceso ocurre
durante el día, con los cambios climáticos diarios, pero también se puede considerar
como una respuesta rápida para evitar la pérdida de agua a través del proceso de
transpiración. El cierre de estomas es una medida para reducir la pérdida de agua de
la planta a corto plazo. Sin embargo, si la planta es sometida a un largo período de
estrés esta medida se torna contraproducente, pues el estoma es también la puerta de
entrada del dióxido de carbono y si se mantiene cerrada, se compromete la tasa
fotosintética. Se ha reportado ampliamente que cuando la cantidad de agua en la
planta disminuye, los estomas se cierran como respuesta al estrés hídrico. Esto hace
que la concentración intercelular de CO2 disminuya haciendo que la asimilación de
carbono se inhiba y por lo tanto la capacidad fotosintética de la planta se pierde.
18 Swiatek et al.: Stress messengers jasmonic acid and abscisic acid negatively regulate plant cell cycle. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue, 172 – 178. 2003
13
3.2 Respuestas a nivel molecular y celular
Las estrategias generales de las plantas para adquirir tolerancia al estrés incluyen
principalmente cambios en procesos metabólicos, cambios estructurales en las
membranas, expresión y represión de genes específicos y producción de metabolitos
secundarios. 19 Varios tipos de proteínas y pequeñas moléculas incluyendo azucares,
prolina y glicina betaina, se acumulan dentro de las células en respuesta al estrés
hídrico. 20 También la producción del ácido abscisico es estimulada cuando existe una
deficiencia de agua.21
A nivel celular, las reacciones que caracterizan las respuestas de estrés hídrico en
plantas son: 22
• Ajuste osmótico por acumulación de metabolitos.
• Inactivación de especies reactivas de oxígeno
• Ajuste en el balance de carbono/nitrógeno
• “Quema” del exceso de poder reductor (NADPH y otros carriers reducidos)
• Almacenamiento alterno de carbono o nitrógeno
19 Kotchoni & Bartels Water stress induces the up-regulation of a specific set of genes in plants: aldehyde dehydrogenases as an example. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 37 – 51. 20 Shinozaki and Yamaguchi-Shinozaki Molecular responses to dehydration and low temperature: differences and cross-talk between two stress signalling pathways. Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 217 - 223. 21 Raven et al. Biology of Plants. Freeman and Company, New York, 1999. 22 Bohnert H and Sheveleva E: Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274.
14
Cuando las plantas se encuentran bajo estrés hídrico, pueden perder la clorofila o
retenerla. Este pigmento es indispensable para el proceso de fotosíntesis puesto que
es el agente reductor que cede electrones para iniciar las reacciones redox propias de
la cadena de transporte de electrones del cloroplasto 23 En la fotosíntesis, la clorofila
es luego reducida con electrones obtenidos a partir del rompimiento de la molécula de
agua. Se ha reportado que durante un período de deshidratación, las dicotiledóneas y
los helechos retienen la clorofila tanto durante la deshidratación como en el momento
de rehidratarse. Sin embargo, las monocotiledóneas no responden de la misma
manera y durante el proceso de rehidratación muchas pierden la clorofila. 24 Con
base en esto podría pensarse que las monocotiledóneas tienen una menor capacidad
de resistir una carencia de agua, mientras que las plantas que son mayormente
capaces de resistir estrés hídrico posiblemente se encuentren dentro del grupo de las
dicotiledóneas.
3.3 Ajuste Osmótico
Para compensar el problema del bajo potencial hídrico del suelo, algunas plantas
desarrollaron una forma de ajuste osmótico 25 Para poder mantener alto el gradiente
23 Purves et al. Life The Science of Biology. Sinauer and Associates, Inc, Utah, 1998. 24 Lange et al.,Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982 25 Sakamoto A and Murata N The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment 2000, 25: 163 – 171; Buchanan et al, Biochemistry and molecular biology of plants. American Society of Plant Physiologists, Maryland.
15
de agua entre la raíz y el sustrato en condiciones donde el agua no es limitante, entran
pasivamente solutos a las raíces manteniendo una determinada concentración dentro
de las células. Sin embargo, en condiciones de déficit de agua cuando se necesita
alcanzar un potencial hídrico en la célula mucho menor al externo, esto se logra al
mantener una concentración de solutos mucho mayor a la normal, acumulándolos,
para así poder absorber agua 26 y mantener la célula turgente.27 Para esto, las plantas
pueden absorber activamente solutos del medio, o concentrar en las células de la raíz
moléculas producidas internamente. Se pueden absorber iones K+, Cl- y NO4- del
suelo, o liberar metabolitos como azucares, amino ácidos y algunos polioles.28
También se puede liberar glucosa y fructosa a partir de polisacáridos como el
almidón, para que luego cuando termine el período de estrés y se necesite restaurar el
potencial hídrico normal de la célula, estos se puedan volver a repolimerizar. La
presencia de azúcares hace menos susceptibles a desnaturalización a un gran rango de
biomoléculas y se ha mostrado que en semillas existe una relación directa entre la
acumulación de azúcares solubles y la adquisición de tolerancia a la desecación. 29
2000; Kotchoni S and Bartels D: Water stress induces the up-regulation of a specific set of genes in plants : aldehyde dehydrogenases as an example. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 37 – 51. 26 Bohnert & Sheveleva Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274. 27 Kotchoni & Bartels Water stress induces the up-regulation of a specific set of genes in plants: aldehyde dehydrogenases as an example. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 37 – 51. 28 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995; Sakamoto & Murata The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment 2000, 25: 163 – 171.; Bohnert & Sheveleva Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274. 29 Bartels & Salamini Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353.
16
Para mantener la turgencia se acumulan osmolitos compatibles 30 como la prolina,
dimetilsulfoniopropionato, glicina betaina, β-alanina betaina, prolina betaina, colina-
0-sulfato, pinitol y manitol. Los solutos u osmolitos compatibles son moléculas
pequeñas de alta solubilidad en agua y neutrales con respecto al funcionamiento
celular a pesar de presentarse en altas concentraciones. Los osmolitos tienen una
carga neta igual a cero, puesto que tiene una terminación cargada positivamente y la
otra cargada negativamente (a esta condición se le llama zwitterion), por lo tanto no
interfieren en procesos metabólicos dentro de la célula. 31 Entre las funciones de los
osmolitos compatibles se encuentran las siguientes:
1. Mantener la presión de turgencia bajo estrés.
2. Proteger a las células estabilizando y manteniendo las estructuras y
funciones de las macromoléculas.
3. Contribuir a la aclimatación de células a estrés ambiental.
4. Son capaces de cumplir sus funciones en concentraciones bajas u
osmóticamente insignificantes.
Entonces, estas moléculas no solamente cumplen la función de reguladores del
potencial hídrico, sino que también parecen tener una función adicional minimizando
el impacto del estrés, puesto que protegen las proteínas y otras macromoléculas, al
30 Courney et al, Accumulation of LEA proteins in salt (NaCl) stressed young seedlings of rice (Oryza sativa L) cultivar Bura Rata and their degradation during recovery from salinity stress. 31 Brown et al. Chemistry the Central Science. 7th Ed. Prentice Hall Upper Saddle River, New Jersey, 1997.
17
tomar el papel del agua de la capa de solvatación, previniendo que se desnaturalicen
durante el período de deshidratación de la célula.32
Uno de los osmolitos compatibles que se ha estudiado ampliamente es la glicina
betaina. Se ha demostrado que es neutra en un amplio rango de pHs fisiológicos y es
altamente soluble en agua. Debido a sus propiedades moleculares, es capaz de
interactuar con dominios hidrofílicos e hidrofóbicos de macromoléculas como
enzimas y proteínas. Adicionalmente, es capaz de estabilizar las estructuras nativas de
proteínas, ayudando a mantener la actividad de enzimas y complejos proteicos, así
como también a mantener la integridad de membranas cuando la célula esta bajo
estrés ambiental. Se tiene la hipótesis de que puede servir como aceptor de exceso de
grupos metilos producidos por el incremento en la tasa de fotorespiración relacionada
al estrés. 33
La prolina también se acumula como respuesta al estrés osmótico y no solo funciona
como un soluto compatible sino que también se plantea que funciona como
neutralizador de radicales hidroxilo (OH-). 34 El manitol se acumula en cantidades
osmóticamente significantes para reducir el potencial hídrico de la célula y
32 Buchanan et al.Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000. 33 Sakamoto & Murata The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment 2000, 25: 163 – 171; Bohnert & Seveleva, Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274 34 Kotchoni & Bartels Water stress induces the up-regulation of a specific set of genes in plants: aldehyde dehydrogenases as an example. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 37 – 51.
18
adicionalmente tiene un papel protector, al funcionar como neutralizador de radicales
hidroxilo. 35
35 Bohnert & Sheveleva Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274
19
4. CONTROL HORMONAL
Dentro de los organismos, las hormonas tienen un papel de comunicación interna. Se
dice que son moléculas señal presentes en trazas dentro de la planta. Existen cinco
grupos principales de hormonas vegetales, las cuales también juegan un papel en el
momento en que la planta se ve estresada por falta de agua. La regulación de las
respuestas al estrés involucra hormonas como el ácido abscisico, ácido jasmónico,36 y
etileno, y segundos mensajeros como el ion Ca2+. 37 Las hormonas en las plantas no
se producen en un órgano específico, sino que ciertos órganos o tejidos son inducidos
a sintetizarlas mediante la influencia de factores ambientales y se transportan
mediante el xilema y el floema. 38
I. Giberilinas: Su función es estimular la elongación de tallos y hojas
mediante la estimulación de la división celular. 39 Se producen en las
zonas de alta actividad mitótica como ápices y raíces, promoviendo su
crecimiento. Cuando la planta esta expuesta a bajas temperaturas puede
inducir a la producción de flores o germinación de semillas. 40 Sin
embargo, una reducción en un 10% del contenido relativo de agua acelera
36 Swiatek et al. Stress messengers jasmonic acid and abscisic acid negatively regulate plant cell cycle. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 172 – 178. 37 Buchanan Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000.. 38 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 39 Raven et al. Biology of Plants. Freeman and Company, New York, 1999. 40 Buchanan et al. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000.
20
la tasa de disminución en las giberilinas. 41 Por lo tanto, si una planta se
encuentra en un ambiente con poca agua, seguramente va a disminuir su
tasa de crecimiento dado a que se reduce considerablemente la
estimulación por parte de las giberilinas.
II. Auxinas (Acido Indolacético): Cuando se incrementa la concentración de
esta hormona, se induce a la síntesis de etileno. 42 Bajo condiciones
normales, esta hormona se transporta desde el ápice hacia la base del
órgano. 43 Sin embargo, cuando la planta se encuentra en una situación de
estrés hídrico, este proceso se inhibe y por lo tanto la síntesis de etileno
también se ve afectada, reduciendo su transporte. La combinación de
efectos de las auxinas y el etileno conllevan a la abscisión por estrés
hídrico. 44
III. Etileno: Una de las funciones de esta hormona es la maduración de frutos
y la abscisión 45 Un incremento en la producción de etileno se ha
detectado como una respuesta general a estrés generado en el medio
41 Lange et al, Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982. 42 Heldt H. Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997. 43 Mohr & Schopfer, Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995.; Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000. 44 Lange, et al., Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982. 45 Raven et al., Biology of Plants. Freeman and Company, New York, 1999.
21
ambiente, incluyendo el estrés hídrico. Debido a que esta hormona se
presenta en estado gaseoso, su difusión hacia el exterior de la planta
ocurre por los estomas. 46 Dado a que una de las primeras respuestas
fisiológicas de la planta es cerrar esta puerta al exterior para prevenir la
transpiración, las concentraciones internas de esta hormona aumentan.
Por lo tanto, una de las razones por la cual las hojas se caen de la planta se
debe a la acción del etileno en altas concentraciones. Adicionalmente, el
etileno es uno de los agentes responsables del catabolismo de la
clorofila.47
IV. Citokininas: Se encuentran en altas concentraciones en lugares de alta tasa
de crecimiento como hojas jóvenes y raíces. 48 Entre las funciones que
ejercen dentro de la planta están la apertura de estomas y el retardo o la
inhibición de la senescencia. 49 Se producen principalmente en las raíces y
se exportan al resto de la planta mediante el xilema. Sin embargo, cuando
se presenta un estrés hídrico, el movimiento de esta a lo largo de la planta
46 Lange et al,. Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982. 47 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 48 Raven et al, Biology of Plants. Freeman and Company, New York, 1999; Mohr & Schopfer, Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 49 Raven et al Biology of Plants. Freeman and Company, New York, 1999; Heldt Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997; Buchanan et al, Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000.
22
se ve reducido. Como consecuencia, la senescencia de las hojas se acelera
y la síntesis proteica se ve inhibida. 50
V. Ácido Abscisico: Esta es la hormona que ha sido más ampliamente
estudiada en cuanto a su actividad durante los periodos de estrés, y por
esta razón se le llama la hormona del estrés. Las funciones principales
que desempeña el ácido abscisico son: 51
1. Previene una germinación prematura, manteniendo la dormancia en
semillas.
2. Regula el intercambio de gases y vapor de agua entre la hoja y el
medio externo.
El ácido jasmónico es una hormona cuyas funciones principales son activar genes de
defensa para la síntesis de fitoalexinas e iniciar la senescencia. 52 Se ha encontrado
que el ácido jasmónico puede prevenir la replicación del DNA manteniendo las
células en la fase G1 del ciclo celular. 53
50 Lange et al., Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982. 51 Purves et al Life The Science of Biology. Sinauer and Associates, Inc, Utah, 1998. 52 Heldt Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997.; Buchanan et al, Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000; Mohr & Schopfer, Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 53 Swiatek et al. Stress messengers jasmonic acid and abscisic acid negatively regulate plant cell cycle. Bulg. J. Plant Physiol., Special Issue 2003, 172 – 178.
23
La actividad combinada de varias de estas hormonas seguramente son las causantes
de los síntomas que presenta una planta bajo estrés hídrico, como son el
marchitamiento, la senescencia, abscisión y el crecimiento reducido debido al arresto
del ciclo celular en los mersitemos y otras zonas con alta tasa de división celular.
4.1 El ácido abscisico como hormona del estrés
El ácido abscisico se produce principalmente en las hojas y raíces, y es transportado
por la planta mediante el xilema y el floema. Su síntesis es inducida principalmente
con la escasez de agua. 54 El estrés se da cuando el potencial hídrico del suelo se
reduce, haciendo que el gradiente entre la planta y el sustrato sea cada vez menor.
Esto dificulta el paso de agua por procesos de osmosis a la raíz y al resto de la planta.
En general se puede ver un aumento en la concentración de esta hormona cuando se
detecta un estrés hídrico así sea moderado. Sin embargo, no es un aumento constante.
Al inicio del estrés la concentración de ácido abscisico no aumenta
significativamente. La concentración se dispara rápidamente después de cierto
umbral, acumulándose principalmente en las hojas. El ácido abscisico es producido
dentro del cloroplasto y su distribución es controlada por gradientes de pH.
Posiblemente, bajo estrés hídrico se vea afectada la permeabilidad de la membrana a
la forma aniónica de la hormona, permitiéndole que salga de la célula y se acumule
54 Heldt, Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997.
24
en los tejidos. 55 Ya habiendo aumentado la concentración de ácido abscisico en la
planta, específicamente en las hojas, comienza a actuar la hormona. En principio la
respuesta rápida para controlar la carencia de agua es el cierre de estomas actuando la
hormona sobre las células guardia. 56 El cierre de estomas previene que continúe la
línea de transpiración, así reduciendo la perdida de la poca agua que la planta es
capaz de absorber. Se ha sugerido que el ácido abscisico se une a un receptor de
membrana que causa un aumento en la concentración celular del Ca2+ libre, lo que
inactiva transportadores de K+ implicados en el transporte activo del catión hacia el
interior. Esto provoca una salida pasiva y rápida de iones K+, maltato2- y Cl-,
disminuyendo la presión osmótica de las células guardia y por lo tanto la disminución
del volumen de esta hasta causar el cierre del estoma. 57 Las plantas que no son
capaces de sintetizar ácido abscisico debido a mutaciones genéticas, no pueden cerrar
los estomas durante periodos de deficiencia de agua y con un déficit de agua
moderado presentan síntomas masivos de marchitamiento. Adicional al cierre de
estomas existe otra respuesta también publicada por Mohr & Schopfer 58 en la cual
describen un cambio de fotosíntesis C3 a fotosíntesis C4 en plantas CAM bajo estrés,
también inducida por el ácido abscisico. Se conoce que los ritmos circadianos
55 Lange et al., Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982. 56 Mohr & Shopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995; Buchanan et al, Op. Cit; Purves, Op. Cit; Heldt, Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997. 57 Heldt Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997. 58 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995
25
inducidos por cambios periódicos en el medio durante el transcurso del día inducen a
respuestas relacionadas con el estrés hídrico. 59
Una vez la planta vuelve a tener un suministro de agua normal para su metabolismo,
los síntomas de estrés y sus adaptaciones se revierten. Las altas concentraciones de
ácido abscisico rápidamente disminuyen dando como productos ácido faséico, ácido
dihidrofaséico y conjugados de la glucosa. 60 La tasa del catabolismo del ácido
abscisico aumenta cuando la mínima turgencia se vuelve a restaurar en las células.61
59 McClung et al., The Arabidopsis circadian system. The Arabidopsis Book, 2000. 60 Buchanan et al, Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000; Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 61 Lange et al,. Physiological Plant Ecology II Water relations and carbon assimilation Encyclopedia of Plant Physiology Vol 12B. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany. 1982.
26
5. INACTIVACION DE ESPECIES REACTIVAS DE OXÍGENO (ROS) 62
5.1 ROS
Como producto de las reacciones metabólicas normales de la célula vegetal se
producen moléculas derivadas del oxigeno conocidas como ROS.63 Estos
compuestos se forman normalmente dentro de la célula, y bajo condiciones
ambientales y fisiológicas normales existe un balance entre su síntesis y destrucción o
detoxificación. 64 Las ROS incluyen oxígeno singulete, anion superoxido, peroxido
de hidrogeno y radicales hidroxilo, los cuales se pueden formar a partir de la reacción
no catalizada entre el ozono (O3) y el agua, o como producto de reacciones oxidativas
realizadas en los peroxisomas y cloroplastos. 65 El radical superoxido O2- se produce
por la fotoreducción del oxigeno (O2) en los fotosistemas I y II. El peroxido de
hidrogeno (H2O2) se origina por la dismutación del O2-, ya sea de manera espontánea
o mediada por la enzima superoxido dismutasa. Tanto los peroxisomas como las
62 ROS: Reactive Oxygen Species, especies reactivas de oxigeno (la traducción es mía) 63 Noormets et al. Rapid response of antioxidant enzymes to O3-induced oxidative stress in Populus tremuloides clones varying in O3 tolernace. Forest Genetics 2000, 7 (4): 339 – 342; Ren et al, A novel dicyclodextrinyl ditelluride compound with antioxidant activity. FEBS Letters 2001, 507: 377 – 380; Maciejewska et al, Plastoquinone: possible involvement in plant disease resistance. Acta Biochimica Polonica 2002, 49 (3): 775 – 780; Liu & Kao Effect of oxidative stress caused by hydrogen peroxide on senescence of rice leaves. Bot. Bull. Acad. Sin 1998, 39: 161 – 165. 64 Ren et al. A novel dicyclodextrinyl ditelluride compound with antioxidant activity. FEBS Letters 2001, 507: 377 – 380 65 Bohnert & Sheveleva Plant stress adaptations – making metabolism move Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274; Ren et al. Op.Cit. FEBS Letters 2001, 507: 377 – 380; Iturbe-Ormaetxe I, et al,. Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181; Noormets et al.: Rapid response of antioxidant enzymes to O3-induced oxidative stress in Populus tremuloides clones varying in O3 tolernace Forest Genetics 2000, 7 (4): 339 – 342.; Maciejewska U, et al. Plastoquinone: possible involvement in plant disease resistance Acta Biochimica Polonica 2002, 49 (3): 775 – 780..
27
mitocondrias son potenciales generadores de O2- y H2O2 como consecuencia de
reacciones enzimáticas y del transporte de electores. 66
Son las ROS las causantes de lo que se conoce como daño o estrés oxidativo debido
al desequilibrio entre los productos de oxígeno activado y las defensas antioxidantes
de detoxificación. 67 Entre los efectos que las ROS pueden causar están las
reacciones que tienen con lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas interrumpen la
integridad estructural y funcional de la célula causando su muerte. 68 Todas las
moléculas biológicas son potencialmente susceptibles a ser destruidas por las ROS.
Especialmente se considera la peroxidación de lípidos, la oxidación de proteínas y el
daño al DNA. 69 El H2O2 es una especie activa del oxigeno que puede reaccionar con
radicales superóxidos y formar más radicales hidroxilo activos. Estos inician
reacciones que pueden llevar a la peroxidación de los lípidos de la membrana y
destrucción de proteínas. 70
66 Iturbe-Ormaetxe et a,. Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat. Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181. 67 Iturbe-Ormaetxe et al.Op Cit. Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181. 68 Noormets et al. Rapid response of antioxidant enzymes to O3-induced oxidative stress in Populus tremuloides clones varying in O3 tolernace. Forest Genetics 2000, 7 (4): 339 – 342. 69 Maciejewska et al., Plastoquinone: possible involvement in plant disease resistance. Acta Biochimica Polonica 2002, 49 (3): 775 – 780. 70 Liu and Kao Effect of oxidative stress caused by hydrogen peroxide on senescence of rice leaves. Bot. Bull. Acad. Sin 1998, 39: 161 – 165.
28
5.2 Detoxificación de ROS
La eliminación de las ROS se hace mediante una reacción con otros compuestos que
funcionan como antioxidantes. Normalmente la célula contiene una gran
concentración de enzimas antioxidantes, al igual que metabolitos que contraatacan la
acción de estos radicales libres. Sin embargo, bajo estrés, la planta puede no producir
la cantidad necesaria de inactivadores y por lo tanto se producen síntomas de estrés
oxidativo causado por la carencia de agua. Se han determinado que el ascorbato, el
glutation reducido, los carotenoides, el α-tocoferol, la superóxido dismutasa y la
catalasa son antioxidantes importantes presentes en el cloroplasto, los cuales
reaccionan con oxigeno activado. 71 La plastoquinona junto con el α-tocoferol y el β-
caroteno funcionan como antioxidantes en la membrana tilacoidal y posiblemente por
su naturaleza de alta movilidad en la membrana hidrofóbica, es que sirven como
inactivadores de ROS. 72 El hierro también media catalíticamente la descomposición
de H2O2 y de lípido hiperóxido a radicales hidroxilo y alcoxilo, los cuales promueven
la peroxidación de lípidos. Los radicales hidroxilo son especies reactivas capaces de
oxidar proteínas y lípidos. 73
Se ha observado que las plantas que crecen en condiciones de estrés oxidativo, como
son las bajas temperaturas, el exceso de radiación y el bajo suminisro de agua, tienen 71 Iturbe-Ormaetxe et al. Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat. Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181. 72 Maciejewska et al. Plastoquinone: possible involvement in plant disease resistance. Acta Biochimica Polonica 2002, 49 (3): 775 – 780. 73 Iturbe-Ormaetxe et al. Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat. Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181.
29
niveles altos de moléculas antioxidantes. 74 Igualmente se ha determinado que las
plantas que tienen mayor capacidad de producir componentes para la inactivación de
ROS muestran un mejor desempeño durante los momentos de estrés. 75
74 Noormets et al., Rapid response of antioxidant enzymes to O3-induced oxidative stress in Populus tremuloides clones varying in O3 tolernace. Forest Genetics 2000, 7 (4): 339 – 342. 75 Bohnert & Sheveleva, Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274.
30
6. CONTROL GENÉTICO
6.1 Grupos y función de los genes inducidos por el estrés hídrico
Cuando la planta se ve sometida a estrés hídrico, se generan y envían señales para dar
inicio a una respuesta adecuada ante la situación. Una de las respuestas de la planta
es la inducción de genes específicos asociados a los diferentes tipos de estrés. Existen
dos grupos principales: Genes que codifican para productos que directamente
protegen las células vegetales contra el estrés, y otro grupo que regula la expresión
génica y la transducción de señales en respuestas a estrés abiótico. 76
Cientos de genes se expresan diferencialmente en respuesta a la deshidratación. Los
grupos principales de genes establecidos por Bartels & Salamini 77 son:
1. Genes que codifican para proteínas con propiedades protectoras.
2. Genes que codifican para proteínas de membrana involucradas en procesos de
transporte.
3. Genes que codifican enzimas relacionadas al metabolismo de carbohidratos.
4. Genes que codifican para moléculas reguladoras.
76 Shinozaki et al. Regulatory network of gene expression in the drought and cold responses Current Opinion in Plant Biology 2003, 6: 410 - 417; Seki et al. Molecular responses to drought salinity and frost: common and different paths for plant protection. Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 217 - 223. 77 Bartels & Salamini Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353.
31
5. Genes que no se homologan a ninguna secuencia conocida, y aun se
desconoce su función.
Otros autores han planteado que existen dos grupos de productos genéticos que son
expresados en una planta cuando esta se ve sometida a estrés: 78
Grupo 1:
• Proteínas funcionales que protegen directamente las macromoléculas y las
membranas. Ej: proteínas de la embriogénesis tardía, osmotina, proteínas
anticongelantes, chaperonas y proteínas de unión a RNAm.
• Productos que mantienen el movimiento de moléculas a través de la
membrana, como proteínas de canales de agua y transportadores de
membrana.
• Enzimas que catalizan la biosíntesis de varios osmoreguladores, tales como la
prolina, betaina y algunos azucares.
• Enzimas que detoxifican ROS y permiten mantener normales los procesos
metabólicos, fisiológicos y bioquímicos Ej: glutation S-transferasa, epóxido
hidrolasa, catalasa, superóxido dismutasa y peroxidasa ascórbica.
78 Seki, et al.: Molecular responses to drought salinity and frost: common and different paths for plant protection Current opinion in Biotechnology 2003, 14: 194 – 199; Liu et al. Regulatory role of DREB transcription factors in plant drought, salt and cold tolerance. Chinese Science Bulletin June 2000, Vol. 45 No. 11.
32
Grupo 2:
• Factores de transcripción como bZIP, MYC, MYB y DREB
• Proteínas kinasas como MAP kinasa, CDP kinasa, kinasas receptoras de
membrana y kinasas de regulación de la síntesis de proteínas.
• Proteinasas involucradas en la transducción de señales de estrés y control de
expresión de genes tolerantes al estrés.
Estos dos grupos de genes se expresan bajo estrés, en este caso de tipo osmótico, y
sus productos van a actuar conjuntamente para prevenir que la célula sufra daños,
tanto a nivel de los procesos bioquímicos que ocurren en su interior, como a nivel de
su estructura física.
6.2 Modo de expresión de genes
Los genes están estructurados con una región promotora corriente arriba del punto de
iniciación de la secuencia codificante. 79 Esta región es la que va a regular la
expresión de los genes, puesto que son las que señalizan la iniciación de la
trascripción. En la región promotora de los genes se encuentran unas pequeñas
secuencias llamadas elementos cis, que son el lugar donde se van a unir ciertos
factores de transcripción o proteínas de unión de DNA, las cuales van a promover la
transcripción del gen en cuestión. 79 Griffiths A, et al.: An Introduction to Genetic Analysis. Freeman and Company, New York, 2000.
33
Existen varios elementos cis involucrados en la transcripción como respuesta al estrés
hídrico, y en general a los otros tipos de estrés que una planta puede sufrir. Algunos
de estos van a depender de ácido abscisico, mientras que otros son independientes a
esta hormona.
Existen dos rutas de expresión de genes implicados en respuestas a estrés hídrico: una
dependiente del ácido abscisico (ABA-d) y otra independiente de este (ABA-i).80
Además se conocen por lo menos cuatro vías de transducción de señal en plantas que
responden a sequía, salinidad y bajas temperaturas; una que responde a sequía y
salinidad ABA-d, y otra que es afectada por bajas temperaturas, salinidad y sequía, o
salinidad y sequía solamente que es ABA-i. 81
Como se puede ver, el ácido abscisico juega un papel muy importante en la respuesta
a múltiples estreses. Su presencia, sea por aplicación exógena, o por su producción
como respuesta al estrés hídrico, puede inducir a la producción de ciertos transcritos.
La aplicación exógena de ácido abscisico induce genes que sólo se activan bajo
80 Seki et al, Molecular responses to drought salinity and frost: common and different paths for plant protection. Current opinion in Biotechnology 2003, 14: 194 – 199; Shinozaki et al. Molecular responses to dehydration and low temperature: differences and cross-talk between two stress signalling pathways. Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 217 - 223. 81 Bohnert & Sheveleva. Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274.
34
condiciones de deshidratación y por lo tanto esta claramente implicada en la
expresión de la tolerancia al estrés. 82
Como existen varias rutas de activación de genes, los promotores de cada uno de ellos
tienen elementos específicos que responden a factores de trascripción diferentes. Los
genes ABA-d también son activados por estrés osmótico y en su región promotora
contienen un elemento cis llamado ABREs83 cuya activación e inducción a la
transcripción es mediante proteínas bZIP. Igualmente, otra ruta de activación de
genes ABA-d requiere la participación de factores de trascripción MYB y MYC que
funcionan cooperativamente para regular la expresión de genes específicos.84 Los
MYB son miembros de una de las familias de genes que controlan la respuesta a la
deshidratación.85
Por otro lado, en los promotores de genes ABA-i son importantes los elementos
DRE86, 87 Se ha determinado que los genes ABA-i participan en respuestas rápidas a
la sequía, activándose por medio de miembros de la familia de factores de
trascripción AP2/EREBP que reconocen los elementos DRE en sus promotores 82 Bartels & Salamini. Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353. 83 ABRE: Absiscisic acid responsive element; elemento sensible al ácido abscisico. 84 Kizis et al: Role of AP2/EREBP transcription factors in gene regulation during abiotic stress. FEBS Letters 2001, 498: 187 – 189. 85 Bartels & Salamini. Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353. 86 DRE: Dehydration responsive element; elemento sensible a la deshidratación. 87 Bartels & Salamini. Ibíd. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353; Kizis et al, Role of AP2/EREBP transcription factors in gene regulation during abiotic stress. FEBS Letters 2001, 498: 187 – 189.
35
específicos. Todas las proteínas que se unen a los elementos DRE pertenecen a esta
familia de reguladores. 88
6.3 Los genes inducidos por estrés hídrico y sus productos
En el control de la expresión de genes participan ciertos factores de trascripción.
Estos son los responsables por promover la expresión de los genes que responden al
estrés hídrico. Sin embargo, estos factores de transcripción también son productos de
genes que pueden ser inducidos por el estrés. Así pues, nos encontramos con un
mecanismo de regulación transcripcional. Los factores de transcripción que están
directamente relacionados con el estrés hídrico en la célula se encuentran en el
siguiente cuadro. 89
Tabla 1. Factores de transcripción que regulan la expresión de genes inducidos por estrés hídrico.
88 Kizis et al., Ibíd.. FEBS Letters 2001, 498: 187 – 189. 89 Shinozaki et al., Regulatory network of gene expression in the drought and cold responses. Current Opinion in Plant Biology, 6: 410 – 417 2003
Familia de proteínas de unión a DRE (DREB) Factor de unión sensible al etileno (ERF) Familia Zinc-finger Familia WRKY Familia MYB Familia básica helix-loop-helix (bHLH) Familia dominio básico leucine zipper (bZIP) Familia NAC Familia homeodominio
36
Cada uno de los factores de transcripción es responsable por la regulación de varios
genes inducidos por el estrés.
El ácido abscisico, aparte de contribuir en el cierre de estomas para prevenir la
perdida de agua, también estimula la resistencia a bajas temperaturas y mantiene
resistencia durante los periodos de dormancia en la planta. Esto esta relacionado con
la formación de nuevas proteínas y sus mRNAs. Es posible que el ácido abscisico
actúe sobre ciertos “genes de estrés” activándolos y así protegiendo a la planta. 90
Un gen bastante estudiado es el rd29A de Arabidopsis, inducido diferencialmente
bajo sequía, alta salinidad o bajo tratamiento por ácido abscisico. Este gen contiene
en su promotor un elemento DRE. Esto significa que puede actuar tanto como ABA-i
como ABA-d. Para la expresión de rd29A cuando hay indicios de estrés, existe un
elemento ABRE involucrado en la respuesta lenta y un elemento DRE que responde
rápidamente. 91
En la respuesta rápida al estrés participan dos genes cuyos productos son factores de
trascripción responsables por la unión a la región promotora del gen rd29A: DREB1 y
DREB2. Estos genes no son ABA-d, y por lo tanto son los que van a actuar sobre el
elemento DRE. Estos factores de transcripción también contienen un dominio de
90 Mohr & Schopfer Plant Physiology. Springer-Verlag Berlin Heidleberg, Germany 1995 91 Liu et al. Regulatory role of DREB transcription factors in plant drought, salt and cold tolerance. Chinese Science Bulletin June 2000, Vol. 45 No. 11.
37
unión al DNA EREBP/AP2, al igual que todos los factores de transcripción que se
unen a las secuencias DRE. 92 El gen rd29A codifica para una proteína tipo LEA 93
hidrofílica que también es inducida por el estrés hídrico, al igual que por altas
concentraciones de sales y las bajas temperaturas. Las proteínas tipo LEA son
inducidas y acumuladas en tejidos vegetativos bajo estrés. Se caracterizan por ser
hidrofílicas y carecer de cisteína y triptófano. Son altamente solubles en agua y se
encuentran en todo tipo de célula, acumulándose principalmente en el citoplasma y
los plástidos. 94 Entre sus funciones esta actuar como chaperonas para la protección
de macromoléculas evitando su desdoblamiento y unirse a membranas para evitar o
reducir daño celular por estrés. 95 Se ha determinado que muchos de los genes que
codifican para proteínas LEA son regulados por el ácido abscisico y su alta expresión
ha demostrado aumentar la tolerancia al estrés abiótico en plantas. 96
En la membrana se encuentran una gran cantidad de proteínas. Algunas de ellas
tienen un papel importante en cuanto al transporte de solutos a través de esta. Las
92 Liu et al., Two Transcription Factors, DREB1 and DREB2, with an EREBP/AP2 DNA Binding Domin Separate Two Cellular Signal Transduction Pathways in Drought- and Low- Temperature-Responsive Gene Expression, Respectively, in Arabidopsis. The Plant Cell 1998, 10: 1391 – 1406. 93 LEA: late embryogenesis abundant protein; proteína abundante en la embriogénesis tardía. (la traducción es mía) 94 Bartels & Salamini Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353. 95 Liu et al., Regulatory role of DREB transcription factors in plant drought, salt and cold tolerance. Chinese Science Bulletin June 2000, Vol. 45 No. 11; Xiong & Zhu, Molecular and genetic aspects of plant responses to osmotic stress. Plant, Cell and Environment 2002, 25: 131 – 139; Bartels & Salamini, Dessication tolerance in the resurrection Plant Craterostigma plantagineum. A contribution to the study of drought tolerance at the molecular level. Plant Phisiology December 2001, 127: 1346 -1353. 96 Xiong & Zhu. Molecular and genetic aspects of plant responses to osmotic stress. Plant, Cell and Environment, 25: 131 – 139 2002
38
dehidrinas son un grupo de proteínas de membrana altamente hidrofóbicas y
termoestables. Sus genes normalmente se expresan durante la embriogénesis tardía,
pero también se inducen cuando hay un déficit de agua. Su función es prevenir daño
celular durante los momentos de estrés puesto que se unen a la capa de hidratación de
macromoléculas dándoles estabilidad cuando están sin agua, previniendo su
desnaturalización. En el maíz y en tomate los genes Rab17 y TAS14 son los que
codifican para dehidrinas respectivamente. 97
Otro gen inducido por la sequía es el rd22, el cual también es ABA-d, lo cual indica
que está involucrado en respuestas tardías a la desecación, puesto que requiere
acumulación de ácido abscisico en la planta para poder funcionar. 98 Talvez los
genes que están involucrados en la respuesta tardía al estrés puedan estar relacionados
con protección interna de la célula para prevenir daños por la falta de agua.
Como el estrés hídrico también puede ser causado por exceso de sales en el suelo, se
describió en arroz (Oryza sativa) la presencia de ciertos genes cuyos productos actúan
a nivel celular para prevenir daño interno. Igualmente se demostró que en esta
especie también se producen las proteínas de la familia LEA, y que sus transcritos
tienen una correlación alta con la tolerancia a la acumulación de sales y a la sequía.99
97 Bracale et al. Water deficit in pea root: Effects on the cell cycle and on the production of dehydrin-like proteins. Annals of Botany 1997, 79: 593 – 600. 98 Shinozaki et al, Regulatory network of gene expression in the drought and cold responses. Current Opinion in Plant Biology 2003, 6: 410 - 417 99 Chourney et al. Accumulation of LEA proteins in salt (NaCl) stressed young seedlings of rice (Oryza sativa L.) cultivar Bura Rata and their degradation during recovery from salinity stress. J. Plant Physiol. 2003.
39
7. INTRODUCCION DE TOLERANCIA EN PLANTAS
Para mejorar la tolerancia a la sequía en plantas de interés agronómico seria útil poder
insertar en su genoma los genes que codifican para las proteínas que protegen la
célula y sus biomoléculas, para así asegurar que en el momento de perdida de agua
estas estén seguras. La introducción directa de un pequeño número de genes por
ingeniería genética parece ser una forma rápida para mejorar la tolerancia al estrés.
El incremento de la tolerancia al estrés se ha reportado en varias especies como
resultado de la sobre-expresión de enzimas para la síntesis de osmolitos compatibles,
inactivadores de ROS y proteínas de la embriogénesis tardía. 100 La tolerancia de las
plantas a estrés hídrico se puede mejorar por transformación con genes que codifican
proteínas LEA, prolina sintetasa o betaina sintetasa. 101
La caracterización de rutas para la biosíntesis de glicina betaina es una herramienta
que puede ser útil para proporcionar tolerancia a aquellas plantas que no son capaces
de acumular este metabolito secundario. La transformación de plantas con genes que
codifican para esta ruta se ha demostrado exitosa en la planta modelo Arabidopsis,
con resultados similares en arroz y tabaco. 102 En tabaco y papa transgénica, al igual
100 Cushman & Bohnert Genomic approaches to plant stress tolerance. Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 117 – 124. 101 Liu et a., Two Transcription Factors, DREB1 and DREB2, with an EREBP/AP2 DNA Binding Domin Separate Two Cellular Signal Transduction Pathways in Drought- and Low- Temperature-Responsive Gene Expression, Respectively, in Arabidopsis. The Plant Cell 1998, 10: 1391 – 1406. 102 Sakamoto & Murata The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment 2000, 25: 163 – 171
40
que en Arabidopsis, la acumulación de glicina betaina no es natural, sin embargo la
incorporación de genes que codifican para la colina deshidrogenasa hace que se
acumulen bajas cantidades de este osmolito compatible. Cuando se fijan
características que protegen a la planta de factores de riesgo como el estrés oxidativo
junto con la capacidad de síntesis de osmolitos compatibles, la planta adquiere alta
tolerancia. 103
En general la expresión de los genes DREB puede incrementar la tolerancia al estrés.
El producto génico DREB1 tiene como genes blanco a rd29A y rd17, que están
relacionados con la respuesta al estrés hídrico. En plantas transgénicas de
Arabidopsis se ha determinado que su alta expresión tiene como resultado reforzar la
expresión de los genes blanco y por lo tanto lleva a múltiples mejoramientos en
plantas con respecto a la tolerancia a sequía. 104
103 Rathinasabapathi Metabolic engineering for stress tolerance: installing osmoprotectant synthesis pathways. 104 Liu et al, Two Transcription Factors, DREB1 and DREB2, with an EREBP/AP2 DNA Binding Domain Separate Two Cellular Signal Transduction Pathways in Drought- and Low- Temperature-Responsive Gene Expression, Respectively, in Arabidopsis. The Plant Cell 1998, 10: 1391 – 1406.
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8. CONCLUSION
Los organismos vivos están constantemente sufriendo cambios internos como
respuesta a las condiciones del medio externo. Las plantas como organismos sésiles
deben manejar los cambios externos mediante procesos complejos que le permiten
mantenerse en homeostasis. La falta de agua es una presión del medio que puede
causar daños graves en el estado fisiológico de la planta.
El estrés hídrico tiene como consecuencia el marchitamiento, daño de tejidos,
senescencia y cuando se presenta por periodos prolongados, la muerte. Sin embargo,
las plantas responden a la carencia de agua mediante cambios moleculares y
genéticos que luego se reflejan a nivel celular y fisiológico. La acción de hormonas
sirve como una vía de señalización de estrés. Estas señales luego inducen a la
activación de genes específicos, cuyos productos están involucrados en el cierre de
estomas, el ajuste osmótico a nivel celular o la activación de otros genes. La
expresión de varios genes cuyos productos trabajan en conjunto, es lo que confiere
resistencia al estrés en plantas.
La capacidad de las plantas de resistir estrés por carencia de agua es clave para la
supervivencia de la especie, sobretodo cuando esta se encuentra en medios cuyos
patrones de precipitación son variables. La introducción de la tolerancia a este
problema se puede hacer mediante la transformación de plantas con genes que
codifican para producción de osmolitos compatibles para el ajuste osmótico u otras
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rutas de transducción de señales para evitar daños por el estrés. Otra herramienta es
la selección artificial de caracteres. Se seleccionan los individuos dentro de una
población segregante que sean resistentes al estrés y se cruzan con otros no resistentes
pero portadores de otras ventajas agronómicas; para así llegar a híbridos que sean
tolerantes al estrés hídrico. Este procedimiento es útil, puesto que no requiere de
arduas y costosas técnicas de laboratorio, pero puede tomar varios años realizarlo.
Sin embargo, las dos técnicas de introducción de tolerancia necesitan estudios muy
detallados de las especies a tratar, para así poder obtener nuevos individuos que no
solo tengan la resistencia en su genoma, sino que también sean viables.
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9. BIBLIOGRAFIA
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