“CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES AL ES T RÉS HI DRICO ” 1 INFORME DE ACTIVIDADES DEL PROYECT O: “CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES AL ES T RÉS HI DRICO ” CLAVE REGISTO SIP PROYECTO: 20070019 Dr. Miguel Angel Villal obos López “CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES AL ES T RÉS HI DRICO ” 2 I. Resu men: La baj a p rodu cti vidad ag rí col a de nuest ro p aí s se d eb e, entre ot ras co s as, a qu e mas do s t erci os de nuestro territorio esta constituido por zonas áridas o semiáridas caracterizadas por una escasa precipitaci ón pluvial. De ahí que l a sequía, el frío y l a salini dad revist an una gran import anci a para nuest ras i ndust ri as alimenti ci a, ganadera y agrí col a. P ara contender con estos factores abi óti cos, las plant as di sparan una s eñal ización mol ecul ar que ti ende a reaj ust ar su met abolismo a l as n uev as co ndi cion es ambi ent al es medi ant e la regul aci ón d e l a ex pres ió n d e m u ch os d e sus genes. Algunas especies vegetales son capaces de tolerar niveles muy altos de estrés. Un ejemplo es la especie africana conocida como la planta de la ¨resurreción¨ (Craterostigma plant agineum) ya que puede permanecer por muchos años tot al mente deshidrat ada y reverdecer unas cuantas horas después de recibir agua. Este tipo de plantas tienen un gran potencial biotecnológi co ya que sus genes se han usado para mej orar la toleranci a a estrés sali no e hídri co de pl antas s ensibl es (Vil lal obos et al., 2004, Pl ant Physi ology 135:309-324). En Méxi co poseemos una gran diversidad de plantas silvestres con altos niveles de tolerancia a estrés hídri co y sali no, sin embargo, muy poco se conoce sobre l a fisi ol ogí a de est as. El int erés pri ncipal de este t rabajo es reali zar una caract eri zación fisi ológi ca de pl ant as mexi canas con altos niveles de tolerancia a estrés por sequía y salinidad. El conocimiento de las respuestas fisi oló gi cas d e est as pl ant as cu ando s e encu ent ran en condi cio n es d e est rés t end rá u n im po rt ant e pot enci al biot ecnológi co ya que permiti rá entender los mecanismos adaptativos que est as plantas han desarrollado a través de la evolución para contender con el estrés. En el presente trabaj o se report an los result ados de la caract erizaci ón fisiol ógi ca ll evada a cabo en algunas plant as m exi canas t ol erant es a est rés abióti co. II. Introducción: La desertificación es un fenómeno muy complejo que se relaciona con el deterioro de los ecosistemas, la reducción del potencial biológico y la pérdida de la productividad del suelo, debido a las variaciones climáticas y las actividades humanas en las zonas áridas del planeta. Este fenómeno constituye un problema ambiental de gran importancia mundial y, desde luego, para México que, a su vez, se vincula con otros de carácter global como son el cambio climático, la disminución de la biodiversidad y la captura de carbono, la poca disponibilidad de recursos hídricos, y el empobrecimiento y la migración de la población [5].
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“CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES
AL ESTRÉS HIDRICO”
1
INFORME DE ACTIVIDADES DEL PROYECT O:
“CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES AL ESTRÉS HIDRICO”
CLAVE REGISTO SIP PROYECTO: 20070019
Dr. Miguel Angel Villalobos López
“CARACTERIZACIÓN FISIOLÓGICA DE PLANTAS MEXICANAS TOLERANTES
AL ESTRÉS HIDRICO”
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I. Resumen:
La baja productividad agrícola de nuest ro país se debe, entre ot ras cosas, a que mas dos tercios
de nuestro territorio esta constituido por zonas áridas o semiáridas caracterizadas por una escasa
precipitación pluvial. De ahí que la sequía, el frío y la salinidad revistan una gran importancia
para nuest ras indust rias alimenticia, ganadera y agrícola. Para contender con estos factores
abióticos, las plantas disparan una señal ización molecular que tiende a reajustar su metabolismo
a las nuevas condiciones ambientales mediante la regulación de la expresión de muchos de sus
genes. Algunas especies vegetales son capaces de tolerar niveles muy altos de estrés. Un
ejemplo es la especie africana conocida como la planta de la ¨resurreción¨ (Craterostigma
plantagineum) ya que puede permanecer por muchos años totalmente deshidratada y reverdecer
unas cuantas horas después de recibi r agua. Este tipo de plantas tienen un gran potencial
biotecnológico ya que sus genes se han usado para mejorar la tolerancia a estrés salino e hídrico
de plantas sensibles (Vil lalobos et al., 2004, Plant Physiology 135:309-324). En México
poseemos una gran diversidad de plantas silvest res con altos niveles de tolerancia a estrés
hídrico y salino, sin embargo, muy poco se conoce sobre la fisiología de estas. El interés
principal de este t rabajo es realizar una caracterización fisiológica de plantas mexicanas con
altos niveles de tolerancia a estrés por sequía y salinidad. El conocimiento de las respuestas
fisiológicas de estas plantas cuando se encuent ran en condiciones de est rés tendrá un importante
potencial biotecnológico ya que permiti rá entender los mecanismos adaptativos que estas
plantas han desarrollado a través de la evolución para contender con el estrés. En el presente
trabajo se reportan los resultados de la caracterización fisiológica llevada a cabo en algunas
plantas mexicanas tolerantes a est rés abiótico.
II. Introducción:
La desertificación es un fenómeno muy complejo que se relaciona con el
deterioro de los ecosistemas, la reducción del potencial bio lógico y la pérdida de la
productividad del suelo, debido a las variaciones climáticas y las actividades humanas
en las zonas áridas del planeta. Este fenómeno constituye un problema ambiental de
gran importancia mundial y, desde luego, para México que, a su vez, se vincula con
otros de carácter global como son el cambio climático, la disminución de la
biodiversidad y la captura de carbono, la poca disponibilidad de recursos h ídricos, y el
empobrecimiento y la migración de la población [5].
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México ante el cambio climático, muestra una gran susceptibilidad al ser
afectado por diversos procesos que con llevan a la desertificación, particularmente en las
zonas áridas como consecuencia de su posición geográfica, relieve, inclinación del
terreno, clima, características de los suelos, y condiciones socioeconómicas. Entre las
variaciones climáticas, la sequía es la de mayor relevancia; ésta se considera como una
deficiencia constante de la precipitación que afecta amplias zonas de una determinada
región y se traduce en un periodo de clima anormalmente seco y lo suficientemente
prolongado como para que la escasez de agua dé lugar a un agudo desequilibrio hídrico
(Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente-ORP ALC, 1993, citado en
Oropeza y Alfaro 1994). Aproximadamente 54.43% de la población mexicana habita en
zonas áridas [5].
México, como país donde la agricultura es una fuente importante de empleo y de
ingreso económico, y es alta la dependencia de las actividades agríco las, la
vulnerabilidad de este sector implica un alto riesgo ante la presencia de sequías que han
asolado grandes extensiones y prop iciado severos desajustes a la economía regional y
nacional [6].
Respuestas de las plantas frente a las d istintas condiciones de estrés.
Las p lantas están continuamente expuestas a estímulos am bientales que influyen
en su desarro llo y crecimiento, y determinan su productividad. El déficit de agua es el
factor ambiental más común que produce estrés, así como un factor limitante para la
productividad en las plantas. Sin embargo, las plantas sufren estrés h ídrico no só lo en la
sequía y altas concentraciones de salinidad, sino también en condiciones de baja
temperatura [13].
La habilidad de la plantas para tolerar el déf icit de agua está determinado por
múltiples vías bioquímicas que facilitan la retención y/o adquisición de agua, que
protegen las funciones de los cloroplastos, y mantienen la homeóstasis iónica. Las rutas
esenciales incluyen aquéllas que conducen a la síntesis de metabolitos osmóticamente
activos y de proteínas específicas que controlan el flujo de iones y de agua, que actúan
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ante especies de oxígeno reactivo que causan daño celular o pueden actuar como
chaperonas [7].
Las plantas muestran ante el estrés hídrico respuestas que tienden a evitarlo o
bien mecanismos o adaptaciones que permiten tolerarlo, y ambas estrategias coexisten
en cualquier tipo de sistemas. El est udio de las respuestas de las plantas al estrés
permite conocer cómo éstas funcionan en sus ambientes naturales y cuáles son los
patrones que determinan su distribución, supervivencia y crecimiento (Kramer y Boyer
1995, Lambers et al. 1998, Ackerly et al. 2002) [8].
Cuando una p lanta está sometida a unas condiciones sign ificativamente
diferentes de las óptimas para la vida se dice que está sometida a estrés, si bien las
diferentes especies o variedades difieren en sus requerimientos óptimos y por tanto en
su susceptibilidad a un determinado estrés (Hsiao 1973, Levitt 1980). Además, hay
períodos o etapas del desarro llo, como el estadío de plántula, donde las especies pueden
ser particularmente sensibles (o insensibles) a un estrés determinado. El conocimiento
de los mecan ismos de resistencia al estrés permite comprender los procesos evolutivos
implicados en la adaptación de las plantas a un ambiente adverso como el del territorio
mexicano y predecir hasta cierto punto la respuesta vegetal al incremento de la
adversidad asociada en muchos casos al cambio global. [8]
La sobrevivencia ante el estrés hídrico durante un período corto es importante
para todas las plantas y caben tres respuestas posibles: escapar, evitarlo o tolerarlo.
Levitt (l972) propuso que las plantas pueden tanto escapar como resistir la sequía
evitando (“Avoiding”) una reducción de su estado de agua y mediante la tolerancia a tal
reducción. Todas las estrategias de tolerancia generan una limitación mayor o menor del
crecimiento. Fig. 1. [12].
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FIGURA 1. MECA NISMOS DE R ESI STEN CIA AL ESTRÉS HI DRICO.
Las p lantas pueden escapar a la sequía a través de la germinación cuando llega la
lluvia, creciendo rápidamente, floreciendo y produciendo semillas antes de que el
suministro de agua se haya agotado. Esta estrategia es usada por plantas como cactus y
agaves. Las plantas anuales, por lo tanto escapan a las temporadas secas como semillas,
las cuales son órganos muy tolerantes a la desecación. Una pequeña feno logía asociada
con la falta de sensibilidad al fotoperíodo, y plasticidad del desarro llo que permite la
floración en cualquier etapa del desarrollo de la planta, contribuyen al escape de la
sequía [12].
Por otro lado las plantas perennes, contrario a las anuales, que florecen año tras
año, escapan de la temporada seca mediante la degeneración de la reserva de raíces, la
cual tienen o no una pequeña pérdida de agua. Si las plantas no pueden escapar a la
sequía, ellas deben resistirla mediante la evasión a la desecación o mediante la
tolerancia a la deshidratación. Éstas pueden evitar la deshidratación aumentando la toma
de agua, reduciendo la pérdida de la misma o ambas. Las plantas que toleran la
deshidratación , tienen la habilidad de sobrevivir en un estado mínimo de agua en sus
tejidos, como las plantas de resurrección (Gaff, 1989). Además el ajuste osmótico puede
aumentar la tolerancia a la desh idratación, disminuyendo el potencial hídrico en hojas,
Evasión
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en el cual el contenido relativo de agua crítico es alcanzado. (Flower and Ludlow, 1986)
[12].
Tabla 1. Estrategias para cada una de las tres respuestas de resistencia a la sequía.
Meca nismo de Escape Meca nismo de Evación (“A voidance”)
Meca nismo de Tolera ncia
• Desarrollo fenológico rápi do (adaptar su ciclo vital a las condiciones ambientales más favorables)
• Adaptación de las semillas (dormancia)
• Plastici dad del desarrollo.
• Mant ener la absorción de agua: (Aumenta en pro fundidad y densidad d e las raíces).
• Redu cción d e la pérdida d e agua
Resistenci a estomática
Aument a la resistencia cuticular
Redu cción del área foliar
Redu cción de la radiación absorbid a
• Mantien en la tu rgenci a (l a mayoría d e plant as superiores)
Ajuste os mótico u os morregulación Disminución d el tamaño celular.
Incremento de la elasticidad.
• Pérdida de turg encia (capaces de deshidratars e, marchitars e)
Toleran cia protoplas mática.
Sustancias protectoras
Fundamentos Genéticos de la Resistencia a la Sequía.
Estas respuestas se manifiestan a nivel celular, f isiológico y en el desarrollo de
la planta (Levitt, 1980); son caracteres de variación continua («cuantitativos»),
controlados por un importante número de genes aditivos y probablemente sinérgicos
(Bohnert y col., 1995). [12]
Los genes inducidos bajo condiciones de estreses abióticos, tales como las bajas
temperaturas, la salinidad y la sequía, codif ican proteínas que tienen funciones de
señalización, transducción de señales y protección celular [13].
La hipótesis de señalización actual postula que las señales ambientales son
percibidas primero por receptores específicos, que con su activación inician o supr imen
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una cascada de transducción de señales intracelulares y, en muchos casos, activan
factores de transcripción nucleares, que inducen la expresión de grupos específ icos de
genes. [9]
Se ha demostrado que en este proceso estarían involucrados dos sistemas de
señales: uno mediado por la hormona ácido abscísico (ABA) y otro que actuar ía a n ivel
genético (Baker et al., 1994; Bohnert et al., 1994). Con relación a este último, la
variabilidad genética en respuesta al estrés, se debe principalmente a la expresión
diferencial de los genes sensibles al estrés (Krishman et al. 1989; Joshi et al. 1997). [15]
La hormona del estrés, ABA al parecer tiene un papel que desencadena factores
implicados en la tolerancia a la desecación en una gran cantidad de especies. Esta
hormona (ABA) parece act uar como un desencadenante en el incremento en ciertos
azúcares, mientras se adquiere la tolerancia a la desecación, produciendo cambios
fisiológicos que tienen lugar en tejidos de plantas de distintas especies [18].
Un gran número de genes que responden a la sequía, han sido descr itos a nivel
transcripcional y los mecan ismos de respuesta molecular frente al estrés hídrico en
plantas superiores, de igual manera han sido analizados mediante el est udio de las
expresión de genes que responden a la sequia y otros estreses abióticos. (Bohnert et al.
1995; Ingram and Bartels, 1996; Bray 2002, 2004; Shinozaki and
Yamaguchi_Shinozaki 1997, 1999, 2000; Seki et al. 2001, 2002; Watkinson et al. 2004;
Oono et al. 2003; Boominathan et al. 2004). [15]
Los productos de estos genes se clasifican en dos grupos. El primer grupo
incluye proteínas que probablemente funcionan en la tolerancia a la desecación:
proteínas mediadoras del transporte de agua a través de la membrana, enzimas
requeridas para la biosíntesis de diversos osmoprotectantes (azúcares, Pro, and Gli-
Betaína), proteínas que pueden proteger macromoléculas y membranas (proteínas
protectoras como las de tipo LEA, proteínas anticongelantes, chaperonas), proteasas y
enzimas desintoxicantes como la catalasa y la ascorbato peroxidasa. [13]
El segundo grupo contiene proteínas que son factores implicados en la
regulación y la transducción de señales y la expresión de genes que probablemente
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funcionan ante la respuesta a estrés: proteínas cinasas, factores transcr ipcionales, PLC
(fosfolipasa C que produce dos segundos mensajeros, inositol 1,45-triofosfato (IP3) y
1,2-diacil-glicerol) y 14-3-3 proteínas. [13]
Relacionando las adaptaciones fenotípicas con las repuestas moleculares es
posible evaluar el papel de los cam bios inducidos por la sequía durante la adaptación.
Ciertamente, vinculando la expresión de un gen a un alto grado de tolerancia sugiere un
posible papel para este gen en la adaptación (Ouvard et al. 1996) [15].
Los genes inducidos por estrés incluyen genes de respuesta temprana y genes de
respuesta tardía. Los primeros son inducidos en pocos minutos y a menudo
transitoriamente. Su inducción no requiere de síntesis de nuevas proteínas, ya que estos
componentes de señalización serían constitutivos. En contraste, los genes de respuestas
tardías son activados más lentamente (en horas) y su expresión es generalmente
sostenida durante el tiempo en que el estrés se encuentra actuando. Los genes tempranos
codifican factores de transcripción que activan a los genes de respuesta tardía, que
constituyen la vasta mayoría de los genes inducidos por estrés. [9]
Los diferentes patrones de la acumulación de transcritos inducidos ante el estrés,
podrían ser situados en tres principales categorías: a) lo s transcritos que se han
acumulado abundantemente y persisten durante toda la desecación, pero desaparecen
durante la rehidratación (Bartels, 1990), b) los transcritos que se han acumulado de
manera transitoria muy tempranamente durante la desecación (Bockel et al. 1998) y c)
los transcritos, cuya regulación disminuye durante la desecación (Bernacch ia et al.
1996) [16].
Las plantas dedican una gran porción de la capacidad de su genoma a la
transcripción, en el genoma de Arabidopsis más de 1500 factores de transcr ipción son
codificados. Estos factores de transcripción pertenecen a un gran número de familias,
que en algunos casos son únicos en plantas. [17]
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El estudio del fenómeno de la Desecación en Plantas.
Aunque todav ía está lejos de un completo entendimiento el daño causado por
sequía u otros mecanismos de tolerancia en plantas, se han ido sumando datos
moleculares a través de los últimos años. El conocimiento actual de las redes
reguladoras que gobiernan las respuestas ante el estrés hídrico es también inconcluso.
Sin embargo, las señales de transducción, vía ABA, y módulos de promotores de
diversos genes en respuesta a este fenómeno, comienza a elucidarse [14].
Un planteamiento del estudio fisiológico en la tolerancia a la desecación, ha sido
usar estructuras específicas o especies que pueden soportar una desecación severa. Un
elemento destacado en esta categoría son ciertas semillas, pero las especies tolerantes a
la desecación tales como las plantas de resurrección (Angiospermas), musgos
(particularmente Tortulia ruralis) y helechos, están también incluidos. Ambas, semillas
y la planta de resurrección C. Plantegineum, sobreviven a una deshidratación severa;
por lo tanto, los análisis moleculares detallados de estos sistemas deberían revelar genes
expresados que contengan la información genética para la tolerancia a la desecación
[14].
El fenómeno de desecación casi total es común en estructuras reproductivas de
plantas, como granos de polen, esporas y semillas. Sin embargo, es poco común
encontrar plantas completas con la capacidad para sobrevivir a la deshidratación. Para
que una planta sobreviva a un proceso de desh idratación, se propone que ésta tenga la
capacidad para proteger sus estructuras celulares durante la deshidratación y pueda
llevar a cabo el proceso de reparación celular durante la hidratación (Oliver, 1991; Platt
et al., 1994) [9].
Plantas Mexicanas como modelo de estud io.
De acuerdo a la situación geográfica que presenta nuestro país, el 52% de la
superficie del territorio mexicano es árida o semiárida (PCC, 2001: Climate Change
2001: Impacts, Adaptation and Vulnerability); por lo tanto es posible utilizar plantas
nativas que sean tolerantes a la desecación como modelo de estudio de este fenómeno,
así como el entendimiento de las bases moleculares.
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Las plantas de resurrección, Selaginella Lepidophylla (Hook y Grev.) y