Mecanismos de adaptación a las bajas temperaturas

La aclimatación de las plantas a la temperatura del entorno depende directamente de su capacidad de desarrollar mecanismos de adaptación. Estos mecanismos son muy complejos e involucran un gran número de modificaciones bioquímicas y fisiológicas tales como cambios en los azúcares, en proteínas solubles, en la prolina y en ácidos inorgánicos, modificaciones en la composición de los lípidos de membrana y la aparición de nuevas proteínas (Kaye y Guy, 1995; Thomashow, 1999; Iba, 2002). Las membranas son una de las dianas principales en las estrategias de aclimatación a la temperatura ya que rodean células y orgánulos, y en ellas se dan procesos esenciales como la fotosíntesis, la respiración celular o el transporte de solutos, como resultado de la actividad de muchas proteínas que están embebidas en las propias membranas. El primer efecto del daño por bajas temperaturas es la transición del estado líquido-cristalino a la fase de gel de las membranas celulares, lo que resulta en alteraciones en el metabolismo de las células que sufren el frío (Somerville et al., 2000). Se ha observado una importante asociación entre la temperatura del entorno y el contenido en lípidos y ácidos grasos de las membranas de plantas (Rennie y Tanner, 1989; Nishida y Murata, 1996; Iba, 2002). La fluidez de la membrana depende de la naturaleza del grupo polar de los glicerolípidos que la componen y de la longitud y el nivel de insaturación de los ácidos grasos que forman parte de los glicerolípidos. Se ha demostrado que la pérdida de fluidez de la membrana, junto a la reestructuración del citoesqueleto (Örvar et al., 2000), la afluencia de calcio al citoplasma (Knight, 2000) y la activación de la

cascada MAPK (Viswanathan y Zhu, 2002), desencadenan la respuesta a las bajas temperaturas.

A continuación se describen algunos mecanismos de adaptación a las bajas temperaturas relacionados con el papel de determinados lípidos y con el grado de insaturación de las membranas.

1.4.1.1 Importancia del contenido en PG disaturado

Se ha descrito que algunos lípidos específicos están directamente involucrados en la sensibilidad de las plantas a las bajas temperaturas. Así, se ha establecido una relación entre los niveles de 16:0 y 16:1Δ3t en PG y la sensibilidad al frío (MacCarthy y Stumpf, 1980; Murata et al., 1982). Estos autores describieron que cantidades significativas de PG disaturado en el cloroplasto promovían el cambio de la fase de líquido-cristalino a fase de gel a bajas temperaturas, lo que causaría sensibilidad al frío. Otro experimento, en el que se sobreexpresó en tabaco el gen de la enzima plastidial glicerol-3-fosfato acil transferasa (GPAT) de una planta sensible (calabacín, Cucurbita pepo) y otra tolerante (Arabidopsis) al frío, indicó que niveles crecientes de PG saturado se relacionaban con una sensibilidad mayor a las bajas temperaturas (Murata et al., 1992). El PG disaturado consiste en una molécula de PG que contiene esterificado en la posición sn-1 un ácido graso saturado (16:0 ó 18:0) y a la posición sn-2 un ácido graso saturado o un ácido graso trans (16:1Δ3t). Sin embargo, el mutante fab1, que contiene niveles de PG disaturado tan altos como las plantas sensibles a las bajas temperaturas, no se ve afectado por las mismas (Wu et al., 1994; Wu y Browse, 1995). Esto indica que, por sí solo, el contenido de PG disaturado no es el único factor que detecta la sensibilidad al frío y que la respuesta de la planta a la temperatura es un mecanismo complejo y no bien conocido.

1.4.1.2 Papel de la insaturación de los ácidos grasos en la respuesta al frío Además del papel de los lípidos específicos, el mecanismo de adaptación más común en plantas frente a la disminución de la temperatura consiste en la modificación del grado de insaturación de los ácidos grasos que componen las membranas. Esta modificación consiste en el incremento de la producción de ácidos grasos poliinsaturados, ya que éstos mantienen la fluidez de la membrana debido a su baja temperatura de fusión

El análisis de los mutantes de Arabidopsis fad5 y fad6 (deficientes en la actividad de las Δ7 y ω6 desaturasas plastidiales, respectivamente) reveló que éstos no mostraban alteraciones fenotípicas cuando crecían a 22 ºC. En cambio sí las presentaban cuando se cultivaban a 5 ºC, de forma que mostraban clorosis, contenían cloroplastos más pequeños y presentaban una importante reducción de las membranas tilacoidales de hasta un 70% (Hugly y Somerville, 1992). Por otro lado, el análisis del mutante fad2 de Arabidopsis (deficiente en la actividad ω6 desaturasa reticular) reveló que la exposición prolongada de este mutante al frío inhibía su crecimiento hasta que moría (Miquel et al., 1993). Estos datos indican que los ácidos grasos poliinsaturados son necesarios para el crecimiento normal de las plantas a bajas temperaturas.

El incremento de la producción de ácidos grasos poliinsaturados se debe, principalmente, al aumento de ácido α-linolénico (18:3) (McConn et al., 1994; Heppard et al., 1996; Horiguchi et al., 2000; Martz et al., 2006; Li et al., 2007; Kargiotidou et al., 2008). Tras la exposición a las bajas temperaturas, en la mayoría de las especies de plantas analizadas se han descrito incrementos en los niveles de ácidos grasos trienoicos (18:3 y 16:3). El alcance del incremento de los niveles de ácidos grasos trienoicos descritos es muy variable dependiendo de la especie o el tejido analizado, la edad de la planta, la temperatura de crecimiento o el tiempo de exposición a esa temperatura. El incremento más alto descrito se ha encontrado en un tejido no fotosintético, como son las raíces de trigo, que presentaban un aumento de los niveles de 18:3 del 22%, tras la exposición de las plantas a 10 ºC (Horiguchi et al., 2000). En tejidos fotosintéticos se han descrito aumentos de 18:3 mucho menores. En hojas de abedul, (Martz et al., 2006), algodón (Kargiotidou et al., 2008) o tabaco (Kodama et al., 1995), se detectaron pequeños incrementos en la producción de 18:3 (5-6%) tras la disminución de la temperatura a 4, 10 ó 15 ºC, respectivamente. En soja se han descrito aumentos del 7% en los niveles de 18:3 en plantas de 12 días expuestas a 8 ºC durante una semana adicional (Li et al., 2007). Otros autores han descrito aumentos del 3-7% en plantas de soja cultivadas a 18 ºC durante 4 semanas, respecto a los 22-28 ºC de las plantas control (Heppard et al., 1996). También se ha descrito un incremento del 8% en los niveles de 18:3 en plantas de soja de cuatro semanas, tras la disminución de la temperatura desde 26/22 ºC (día/noche) a 20/16 ºC durante 72 h (Upchurch y Ramirez, 2011).

En Arabidopsis se han descrito incrementos en los niveles de ácidos grasos trienoicos en respuesta al frío mayores que en las especies anteriores. Se han descrito incrementos de 18:3 del 7% (Browse et al., 1986a), 12% (Falcone et al., 2004), 13% (McConn et al., 1994) o 15% (Shi et al., 2011), tras la exposición a 18, 17, 12 ó 4 ºC, respectivamente. También se han descrito incrementos en ambos ácidos grasos trienoicos del 10% (Miquel et al., 1993) o

15% (Browse et al., 1986a; Horiguchi et al., 1996), tras la exposición a 6, 15 ó 10 ºC, respectivamente. Estos niveles son muy variables dependiendo de la edad de la planta, de la temperatura de crecimiento y del tiempo de exposición a las bajas temperaturas. En los estudios de respuesta al frío en A. thaliana, los incrementos en los niveles de ácidos grasos trienoicos han sido obtenidos, generalmente, tras exposiciones prolongadas a las bajas temperaturas, durante dos (McConn et al., 1994), tres (Browse et al., 1986a; Miquel et al., 1993), cinco (Falcone et al., 2004) u ocho semanas (Horiguchi et al., 1996). Aunque algunos autores detectaron los incrementos de 18:3 a tiempos mucho menores de exposición a las bajas temperaturas, como Shi et al. (2011) que encontraron un aumento del 15% a las 48 h de exposición a 4 ºC. La edad de las plantas a la que se recogen las muestras también es muy variable, incluyendo periodos de cultivo de tres (Browse et al., 1986a), cuatro (McConn et al., 1994; Shi et al., 2011), seis (Falcone et al., 2004; Miquel et al., 1993) u ocho semanas (Horiguchi et al, 1996). Además, en la literatura, se ha encontrado una gran variabilidad en las condiciones estudiadas de intensidad de luz (120- 200 µE m-2 s-1) y fotoperiodo. La mayoría de los ensayos han sido realizados bajo luz continua, aunque algunos autores cultivaban las plantas con un fotoperiodo de 10/14 h (luz/oscuridad). Todos estos resultados ilustran que, a pesar del consenso generalizado que muestra un aumento de 18:3 en respuesta al frío, la heterogeneidad, tanto de los ensayos realizados como de las condiciones de los cultivos, dificultan la obtención de conclusiones definitivas.

1.4.2 Mecanismos de regulación de las desaturasas en relación a la temperatura