AULA
TALLER
VIRTUAL
LABORATORIO DE FISIOLOGÍA VEGETAL
Estrés Hídrico
ACTIVIDADES
Se establece un equipo de Ingenieros agrónomos abocados al mejoramiento de Frijol (Phaseolus vulgaris), con la intención de incrementar su tolerancia al estrés hídrico.
Para ello, se seleccionaron los 2 cultivares de mayor difusión en la zona (V1 y V2) y llevaron a cabo una serie de ensayos evaluando su desempeño frente al estrés hídrico (CR: con riego y SR: sin riego).
1. Analice los gráficos que se le presentan a continuación (ícono de la derecha) e identifique que variables han sido seleccionadas.
2. Se desea continuar con los ensayos de mejoramiento, pero se debe elegir uno de los dos cultivares de acuerdo a su desempeño en los ensayos. Responda la siguiente pregunta y debata cpn sus compañeros en el foro ¿Qué cultivar seleccionaría para incrementar su tolerancia al estrés hídrico? Justifique su respuesta.
3. En la discusión planteada anteriormente en el foro, proponga nuevas variables con mayor sensibilidad para diferenciar el comportamiento de las futuras líneas, frente a condiciones de estrés hídrico.
INTRODUCCIÓN
El clima impone una doble adversidad a los sistemas biológicos: la limitación hídrica por la escasas precipitaciones, y la irregularidad o impredecibilidad de éstas, incrementado por el cambio climático al que se encuentra sometido el planeta. A la característica climática general de déficit hídrico, particularmente durante el verano, hay que añadir una notable fluctuación interanual en los regímenes de temperaturas y lluvias, lo cual magnifica el efecto del estrés hídrico al ser poco o nada predecible cuando, con qué intensidad y bajo qué temperaturas tendrá lugar la sequía.
La sequía es una de las condiciones más determinantes en los sistemas de producción agrícola en todo el mundo. El estrés hídrico es uno de los principales estreses ambientales, afectando la productividad agrícola mundial, y puede reducir de manera significativa el rendimiento de varios cultivos.
Generalmente, se toman como sinónimos los términos SEQUÍA y ESTRÉS HÍDRICO, sin embargo no lo son. El ESTRÉS HÍDRICO se define como un conjunto de respuestas bioquímicas, moleculares o fisiológicas, inducidas por las falta de agua y que definen un estado particular del organismo vegetal, diferente al observado bajo condiciones óptimas. La SEQUÍA, en cambio, es una condición ambiental determinada por la escasez de agua de manera transitoria, causada por la reducción de precipitaciones con respecto a la media estadística, o bien por la incapacidad del suelo para retener la humedad (poco profundos o con costras superficiales entre otros factores). Ambas situaciones, atmosféricas o edáficas, se caracterizan por la incapacidad del ambiente para cubrir las necesidades hídricas de los cultivos.
La planta puede evidenciar situaciones de estrés hídrico incluso cuando la disponibilidad de agua en el suelo sea adecuada, por ejemplo cuando se encuentra en ambientes de gran demanda atmosférica (altas temperaturas y baja humedad relativa), conduciendo a una situación de marchitez temporaria. Bajo estas situaciones, la planta desencadena una serie de eventos rápidos para resistir el factor adverso. Cuando la disponibilidad de agua en el suelo se vuelve cada vez más escasa, las respuestas de la planta son más profundas, debido a que la situación de estrés hídrico es más prolongada.
Las plantas reaccionan directa o indirectamente a la disponibilidad de agua en el suelo. El déficit hídrico tiene importantes consecuencias para la fisiología y la morfoanatomía de las plantas. El efecto varia con la especie, estadio fenológico, duración e intensidad del estrés. Por ello, las especies han desarrollado diferentes mecanismos de respuesta frente al estrés hídrico, que incluyen cambios en el metabolismo bioquímico como en procesos fisiológicos a diferentes niveles biológicos. En conjunto, estos mecanismos pueden asegurar la supervivencia de la especie, aumentar la disponibilidad de agua y mejorar la eficiencia de su uso.
El estudio de las respuestas de las plantas al estrés es un aspecto fundamental de la fisiología ambiental o ecofisiología, la cual se propone conocer cómo las plantas funcionan en sus ambientes naturales y cuáles son los patrones que determinan su distribución, supervivencia y crecimiento. El conocimiento de los mecanismos de resistencia al estrés permiten comprender los procesos evolutivos implicados en la adaptación de las plantas a un ambiente adverso y predecir hasta cierto punto la respuesta vegetal al incremento de la adversidad, asociada en muchos casos al cambio global. Además, pueden ser aplicados para mejorar las características de las plantas tanto en su fase de cultivo como en la selección de variedades que se ajusten a unos requerimientos ambientales determinados o, simplemente, en mejorar la productividad de una especie.
La RESISTENCIA de los cultivos al estrés, se entiende como la capacidad de un organismo para resistir, evitar o escapar de estímulos ambientales negativos o para poder permanecer bajo un estado particular de estrés sin que su fenotipo se vea afectado de manera significativa. La mayoría de las investigaciones conducidas en numerosos cultivos se han enfocado en incrementar la resistencia a la sequía o bien en mejorar la eficiencia del uso del agua en la planta y de la aplicación del riego.
A medida que la cantidad de agua disponible en un suelo para las plantas se reduce, se afecta el estado hídrico interno de las plantas provocando modificaciones en los procesos metabólicos dando lugar a lo que se denomina estrés hídrico.
Estas modificaciones afectan distintos procesos relacionados con el crecimiento de la planta y el grado de la alteración está relacionado con la intensidad y duración estrés, el momento en que ocurra y la sensibilidad relativa presentada por la especie o variedad.
ESTRATEGIAS VEGETALES FRENTE AL ESTRÉS HÍDRICO
Los períodos de sequía son una característica inevitable y recurrente de la agricultura mundial y, a pesar de la capacidad de las sociedades humanas para mejorar la predicción de su arribo y para modificar su impacto, la sequía sigue siendo hasta ahora el factor más importante para la seguridad alimenticia de la población humana. Una de las estrategias para contribuir a la solución de esta problemática mundial es implementar sistemas de mejoramiento dirigidos a la obtención de cultivos resistentes a condiciones ambientales que imponen una limitación de agua.
Para tal fin, es necesario conocer cuáles son los mecanismos implicados en la respuesta de las plantas a estas condiciones de estrés ambiental, con la idea de conocer mejor los elementos involucrados en esta respuesta para contar con un panorama lo suficientemente claro que nos permita generar nuevas o mejores herramientas para el mejoramiento de cultivos sensibles o insuficientemente resistentes a diferentes grados de sequía.
Es bien sabido que en el caso de la sequía, el impacto sobre la productividad de un cultivo está en función de la intesnidad del factor, su duración y momento de ocurrencia, pero también de factores intrínsecos de las plantas, como el estado de desarrollo de la planta en el momento en que se presente la sequía, la especie del cultivo y/o la variedad dentro de una especie determinada. Asimismo dependerá del tipo de suelo en el que se siembre y de las prácticas agrícolas que se lleven a cabo en cada caso. Esta gran variabilidad en dichos factores ha dificultado la definición de características en las plantas que permitan el mejoramiento de los cultivos ante todas estas situaciones de sequía.
Las condiciones de limitación de agua inducen en las plantas respuestas que afectan su morfología, fisiología y metabolismo. En función de esto, las plantas han desarrollado adaptaciones que responden a los ejes anteriores, que le permiten resistir o tolerar los efectos negativos de la sequía. Para evaluar estas respuestas se utilizan VARIABLES sensibles. A continuación se detallan algunas de ellas.
1. MORFOANATÓMICOS
El estrés hídrico produce modificaciones en órganos, tejidos y células vegetales, con el fin de mejorar el balance hídrico de la planta. Por lo tanto, el análisis se dirige hacia aquellos elementos anatómicos y morfológicos que mejoran la absorción de agua y reducen las pérdidas por transpiración.
En la raíz se analiza tanto su capacidad de absorción como su habilidad para almacenar agua. Su capacidad de absorción se evidencia por análisis de la zona pelúcida, y presencia de anormalidades en la epidermis que dificulten la absorción del agua. Además, se evalúa el espesor de la corteza radical y del cilindro central, ya que se relacionan con el almacenamiento de agua en esos tejidos.
Sin embargo, la hoja es el órgano que más se evalúa en relación a la Economía del agua. Una planta sometida a condiciones de estrés responderá de manera rápida mediante el cierre de estomas. Cuanto mayor sea la prolongación del condición adversa, se modifica el patrón anatómico de la epidermis. Entre las variables que se analizan se encuentran:
a) Densidad de Estomas: se evalúa el número de estomas por unidad de superficie. El aumento o disminución en el número de estomas influye en la resistencia en fase gaseosa al flujo de C02 y agua. La disminución en la frecuencia estomática podría explicar una disminución de conductancia y esto reduciría la tasa de pérdida de agua.
b) Indice estomático: se reduce el tamaño celular en forma generalizada, por lo que se evalúa el número de estomas en relación a la cantidad de células no especializadas o epidérmicas propiamente dichas. Células más pequeñas ofrecen mayor resistencia al flujo transpiratorio.
c) Densidad de tricomas: los tricomas intervienen en la reflectancia de la radiación y por ende, en el control de la temperatura. Generalmente la densidad de los tricomas es relativamente baja en las plantas cultivadas sin restricción hídrica, sin embargo, cuando se desarrollan en condiciones de estrés, ésta aumenta. Este aumento podría aumentar la reflectancia reduciendo la energía absorbida y por lo tanto disminuyendo la temperatura foliar. A medida que el estrés es más severo y la temperatura del aire aumenta, aumenta el número de tricomas lo cual disminuye la absorbancia foliar y regula la temperatura foliar para fotosintetizar adecuadamente. La presencia de tricomas sobre las superficies foliares también afecta las características de absorción, transmisión y reflexión de la radiación incidente en las hojas. El aumento de la reflectancia reduce la temperatura de la hoja y por lo tanto, la diferencia de presión de vapor hoja-aire y la pérdida de agua, produciendo una disminución de la transpiración por aumento de la resistencia de la capa límite.
d) Vasos de conducción xilemáticos: en la conducción del agua influyen el diámetro y la longitud de los elementos de vaso, el tipo de placa de perforación y las punteaduras de las paredes laterales. Los elementos de vaso decrecen en diámetro y longitud, aumentan en frecuencia, en espesor de la pared celular y se agrupan para prevenir el colapso bajo las condiciones de presiones negativas conforme aumenta la aridez.
2. FISIOLÓGICOS
A) RESISTENCIA ESTOMÁTICA:
El déficit hídrico en el suelo provoca cambios metabólicos en la raíz de la planta, que son transmitidos a las hojas, regulando, en particular, el comportamiento del estoma y, con ello, la salida de agua hacia la atmósfera; una vez que pasa el estrés, la planta tiene la capacidad de recuperar su estado normal. La literatura indica que el órgano que recibe el estímulo del déficit hídrico en el suelo es la raíz, la cual sintetiza ácido abscísico (ABA), lo transporta vía xilema hasta las hoja y ahí induce cambios en la permeabilidad de la membrana de las células guarda, las cuales liberan solutos (principalmente K+ y Ca2+) hacia el citoplasma de las células acompañantes, y con ello agua, disminuyendo el potencial de turgencia, que hace que los estomas se cierren. También se ha encontrado que la hoja mantiene ABA en el apoplasto de las células del mesófilo, el cual es transportado hacia las células guarda por el flujo transpiratorio cuando se recibe una señal de déficit hídrico en el suelo.
B) INTENSIDAD TRASNPIRATORIA:
Esta variable tiene un comportamiento inverso a la resistencia estomática. El objetivo del cierre estomático es controlar la pérdida de agua por transpiración. Por ende, se utiliza como indicador de condición de estrés y como parámetro de selección de tolerancia/resistencia en programas de mejoramiento frente a la sequía.
C) POTENCIAL HÍDRICO:
El potencial hídrico (-ψw) de la hoja está en función del contenido de humedad en el suelo. Los valores de potencial hídrico, al igual que los valores de sus componentes, son fuertes indicadores de mecanismos de tolerancia al estrés hídrico. Mayores descensos del potencial hídrico de la planta, con respecto a los valores de potencial hídrico edáfico, le permitirían al vegetal mantener el flujo de agua constante a medida que se deseca el suelo. De esta manera, la planta puede mantener sus funciones vitales prácticamente inalterables, en especial el proceso fotosintético.
La disminución del potencial hídrico indicaría la presencia del fenómeno de OSMOREGULACIÓN. Este mecanismo se basa en la acumulación de sustancias osmóticamente activas u osmoprotectores, que provocan el descenso del potencial osmótico y en consecuencia, del potencial agua de la planta. De esta manera, el contenido de agua celular permanece constante ante disminuciones en la disponibilidad de agua edáfica.
D) CONTENIDO RELATIVO DE AGUA:
Las plantas que demuestren un mejor comportamiento frente a la sequía, presentarán valores de CRA superiores. En estas plantas, se evidencia un balance hídrico positivo, debido a efectos integrados entre mejoras en el control de pérdidas por evapotranspiración y mecanismos que permiten aumentar la absorción y almacenamiento del agua.
En cambio, plantas sensibles al déficit hídrico muestran rápidamente síntomas de marchitez, evidenciando valores de contenido de agua relativamente bajos.
E) EFICIENCIA EN EL USO DEL AGUA:
Resulta importante que las plantas tengan la habilidad de incrementar o mantener el flujo de absorción de agua, frente a condiciones adversas. Pero para que los rendimientos se mantengan estables ante la adversidad, es necesario que la planta utilice el agua eficientemente en la generación de estructuras biológicas de interés agronómico.
La eficiencia en el uso del agua (EUA) estima la capacidad de la planta para acumular materia seca por unidad de agua evapotranspirada. De esta manera, la EUA de las plantas dependerá principalmente de aquellas características propias de la especie que tengan relación con la capacidad de optimización de los procesos de asimilación de carbono y de transpiración del agua. La comprensión de los procesos fisiológicos que determinan los flujos de agua en las plantas, permite plantear la cuestión de la EUA como un problema de control gastos respecto de los ingresos.
En función de ello, las plantas ajustan el tamaño y la cantidad de hojas de acuerdo a la disponibilidad de agua. Los estomas establecen un control más fino sobre el gasto de agua. Además, esta regulación es responsable de buena parte de las variaciones en la EUA de las plantas. La fotosíntesis, por su parte, es uno de los procesos claves que son afectados por el estrés hídrico debido a la disminución en la difusión del CO2 a los cloroplastos y restricciones metabólicas. Adicionalmente, el estado hídrico altera la elongación celular y el balance hormonal; en consecuencia, afecta al crecimiento y rendimiento de la planta.
3. MOLECULARES
A) CONCENTRACIÓN DE OSMOPROTECTORES U OSMOLITOS:
Además de lo anteriormente tratado, las plantas han desarrollado otra respuesta común frente al estrés hídrico: la inducción y acumulación de osmolitos compatibles. Los osmolitos son solutos compatibles de bajo peso molecular que se acumulan en altas concentraciones sin alterar el metabolismo celular. Estos compuestos poseen un rol adaptativo frente al estrés, por medio del ajuste osmótico y la protección de estructuras subcelulares, como proteínas y sistemas de membranas celulares. En muchas plantas durante condiciones de estrés hay una sobreexpresión de las enzimas claves en la biosíntesis de osmolitos como la PROLINA y otros aminoácidos, compuestos cuaternarios de amonio como la glicina-betaína, la sacarosa, los polioles, los azúcares alcoholes y otros oligosacáridos. La sobreexpresión de éstos y otros osmolitos en plantas transgénicas confieren cierto grado de tolerancia al estrés hídrico.
B) CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO ABSCÍSICO (ABA):
El ABA se considera a la fecha como el mediador por excelencia de la respuesta de las plantas al déficit hídrico, aunque no todas las especies vegetales muestran el mismo comportamiento. Entre las primeras respuestas bioquímicas que se pueden detectar en la planta ante la escasez de agua es el incremento en los niveles del ABA. En consecuencia, se inducen diferentes procesos, como la modificación de diferentes proteínas, lo cual lleva a su activación o desactivación, dependiendo de la proteína de que se trate; situaciones como ésta resultan en, por ejemplo, la salida de potasio y la entrada de calcio en las células de los estomas (células guardia), provocando el cierre de los mismos. También se inducen cambios en la eficiencia de la síntesis de proteínas y en la expresión de los genes, ya sea para aumentar o disminuir su expresión. Estos últimos procesos, en general, dan como resultado la síntesis de proteínas necesarias para la producción de ciertos compuestos con actividad protectora, o bien directamente a la producción de proteínas con capacidad de proteger diferentes tipos de macromoléculas (ácidos nucleicos, estructuras celulares como membranas, citoesqueleto, el aparato traduccional o transcripcional, etc., así como a otras proteínas). Por otro lado, se apaga o se disminuye la expresión de otros genes cuyos productos ya no serán tan importantes para las células vegetales en estas situaciones adversas.
La síntesis de ABA está involucrada en el proceso de adaptación de la planta a diferentes tipos de estrés ambiental como el frío, la salinidad y la deshidratación. Se ha comprobado que durante estos estreses los niveles de ABA se incrementan en tejidos vegetativos. Esta relación llevó a proponer que el ABA es uno de los mediadores de dichas respuestas y que sus niveles en una planta pueden ser determinantes de su comportamiento frente a una condición de estrés. Estos niveles son modulados por un balance preciso entre la biosíntesis y el catabolismo de esta hormona. Aunque muchos genes que se expresan durante el estrés hídrico están regulados por el ABA, se ha encontrado que la expresión de algunos es total o parcialmente independiente de ABA.
C) DETERMINACIÓN DE TRANSCRIPTOS Y PROTEÍNAS:
Dentro de las proteínas funcionales están las proteínas LEA (Late Embriogenesis Abundant Proteins). La expresión de estas proteínas bajo condiciones de estrés ha sido asociada a la protección de la integridad celular y al mantenimiento de la homeostasis iónica. Algunas de ellas se acumulan en tejidos vegetativos en respuesta a estrés osmótico, generado por diversos agentes ambientales (deshidratación, salinidad, frío y congelamiento). Durante el desarrollo embrionario y en la gran mayoría de los casos reportados por diferentes tipos de estrés ambientales, la inducción de los genes LEA está mediada por ABA.
Otro grupo de proteínas que se sobre-expresan durante el estrés hídrico son las enzimas antioxidantes que detoxifican a las plantas de los radicales libres. Estos radicales como el superóxido y el peróxido de hidrógeno se generan debido a un aumento en la tasa de fotorreducción del O2 en los cloroplastos. Dentro de las principales enzimas están la superoxido dismutasa (SOD), la catalasa (CAT), la ascorbato peroxidasa (APX), la peroxidasa (POD) y la glutatión reductasa (GR). Otro grupo de proteínas que se expresan durante estrés hídrico incluye las acuaporinas que permiten el transporte de agua, las proteínas de choque término (HSP) y las proteasas.
Las proteínas regulatorias incluyen las proteínas que están involucradas en las vías de señalización que permiten la inducción de todos los genes que se expresan en respuesta a estrés hídrico. Dentro de estas proteínas se encuentran las proteínas receptoras, las quinasas, las fosfatasas y los factores de transcripción. Las proteínas receptoras reciben la señal de déficit hídrico y la transmiten a través de otras proteínas, como las quinasas y las fosfatasas, hasta el núcleo de la célula. Las proteínas quinasas adicionan grupos fosfato a otras proteínas fosforilándolas para activarlas o desactivarlas, mientras que las fosfatasas tiene la función contraria retirando los grupos fosfato y así desfosforilando las proteínas.
Las proteínas regulatorias que están mas abajo en las vías de señales de traducción son los factores de transcripción. Estas proteínas se unen de manera específica a la región promotora de los genes para inducir su transcripción. Varios factores de transcripción se han sobre-expresado en plantas transgénicas y han permitido mejorar la respuestas de las plantas al estrés hídrico.
