Respuestas genéticas de las plantas al estrés hídrico

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(1)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.

(2) 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.

(3) 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.

(4) 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 2.

(5) 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.. 3.

(6) 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.. 4.

(7) 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.. 5.

(8) •. 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. 6.

(9) 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.. 7.

(10) 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.. 8.

(11) 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.. 9.

(12) Figura 2. Inflorescencia de Arabidopsis thaliana. Foto de: Swedish South Asian Studies Network 15. 15. http://www.sasnet.lu.se/researchf.html. 10.

(13) 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.. 11.

(14) 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. 12.

(15) 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.. 13.

(16) 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. 23. Para poder mantener alto el gradiente. Purves et al. Life The Science of Biology. Sinauer and Associates, Inc, Utah, 1998. 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. 24. 14.

(17) 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.. 15.

(18) Para mantener la turgencia se acumulan osmolitos compatibles. 30. como la prolina,. dimetilsulfoniopropionato, glicina betaina, β-alanina betaina, prolina betaina, colina0-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.. 16.

(19) 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.. 17.

(20) 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. 18.

(21) 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.. 19.

(22) 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.. 20.

(23) 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.. 21.

(24) 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.. 22.

(25) 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.. 23.

(26) 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. 24.

(27) 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. 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. 60. 25.

(28) 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) 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.. 63. 26.

(29) 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.. 27.

(30) 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 βcaroteno 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.. 28.

(31) 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.. 29.

(32) 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.. 30.

(33) 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.. 31.

(34) 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.. 32.

(35) 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.. 33.

(36) 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.. 34.

(37) 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. 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. 88. Kizis et al., Ibíd.. FEBS Letters 2001, 498: 187 – 189. Shinozaki et al., Regulatory network of gene expression in the drought and cold responses. Current Opinion in Plant Biology, 6: 410 – 417 2003. 89. 35.

(38) 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 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. 91. 36.

(39) 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- TemperatureResponsive 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. 37.

(40) 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 dehydrinlike 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.. 38.

(41) 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- TemperatureResponsive 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. 39.

(42) 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- TemperatureResponsive Gene Expression, Respectively, in Arabidopsis. The Plant Cell 1998, 10: 1391 – 1406.. 40.

(43) 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 41.

(44) 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.. 42.

(45) 9. BIBLIOGRAFIA 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 December 2001, 127: 1346 -1353. Black M, Corbineau F, Gee H and Côme D: Water content, raffinose and dehydrins in the induction of desiccation tolerance in immature wheat embryos. Plant Physiology 1999, 120: 463 – 472. Bohnert H and Sheveleva E: Plant stress adaptations – making metabolism move. Current Opinion in Plant Biology 1998, 1: 267 – 274. Bracale M, Levi M, Savini C, Dicorato W and Galli M: Water deficit in pea root tips: effectos on the cell cycle and on the production of dehydrin-like proteins. Annals of Botany 1997, 79: 593 – 600. Brown T, Lemay H, Burstein B. Chemistry the Central Science 7th Ed. Prentice Hall Upper Saddle River, New Jersey, 1997. Buchanan B, Gruissem W, Jones R. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, RockVille, Maryland 2000. Chourey K, Ramani S and Apte S: 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. Cushman & Bohnert, Genomic approaches to plant stress tolerance. Current Opinion in Plant Biology 2000, 3: 117 – 124. Grene , R Taxonomy and phylogeny of Arabidopsis. The Arabidopsis Book, 2000. doi/10.1199/tab0001. Griffiths et al. An introduction to genetic analysis Freeman and Company, New York, 2000. Heldt H. Plant Biochemistry and Molecular Biology. Oxford University Press, Oxford, NY, Tokyo, 1997. Iturbe-Ormaetxe I, Escuredo P, Arrese-Igor C and Becana M: Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat. Plant Physiology 1998, 116: 173 – 181.. 43.

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