Efectos de factores ambientales sobre la regulación del desarrollo de la hoja primaria de plantas de girasol (helianthus annuus l)
- Autores: Lourdes de la Mata Sáez
- Directores de la Tesis: Eloísa Agüera Buendía (dir. tes.), Purificación de la Haba Hermida (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Pliego Alfaro (presid.), Pedro Piedras Montilla (secret.), Agustín González (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias y Ciencias Agroalimentarias por la Universidad de Córdoba
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- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D./Dª Lourdes de la Mata Sáez 1. introducción o motivación de la tesis El girasol (Heliantus annuus L.) tiene su origen en el continente Americano, en el siglo XVI llegó a Europa y allí se extendió al resto del mundo donde se cultiva de forma intensiva (Putt, 1997). El girasol es una de las cinco fuentes más importantes de aceite comestible a nivel mundial, por lo tanto posee un gran valor tanto agronómico como económico (Cantamutto y Poverene 2007). Esta planta también se usa en procesos de fitorremediación, en la producción de biodiesel y con fines ornamentales (Mani et al. 2007; Arzamendi et al. 2008).
Los gases atmosféricos más importantes que producen el efecto invernadero en la atmósfera son: CO2, N2O, NO y CH4.; estos absorben la radiación infrarroja que emite la tierra por refracción de la luz que recibe del sol, manteniendo así una temperatura apropiada para la vida en la tierra. El CO2 es un componente natural y necesario en la atmósfera terrestre, sin embargo, debido a la actividad humana y a la quema de combustibles fósiles para la obtención de energía, los niveles de CO2 han aumentado hasta valores muy elevados (Keeling 1960). En general elevados niveles de CO2, tienden a aumentar el crecimiento de las plantas y a producir grandes cantidades de biomasa especialmente en plantas C3. La elevada concentración de CO2 en la atmósfera puede influir positivamente tanto en la división como en la expansión celular (Kinsman et al. 1997).
La elevada concentración de CO2 incrementa la velocidad de fotosíntesis en plantas C3 ya que la enzima ribulosa-1,5-bisfostato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), involucrada en los procesos fijación de CO2 y fotorrespiración (Drake et al. 1997).
La enzima nitrato reductasa (NR) contiene un sitio activo de reducción de nitrato. Participa en la transferencia de electrones del NAD(P)H al nitrato, la planta asimila de este modo el nitrato que capta de la raíz (Maldonado et al. 2000).
Actualmente se considera que el par enzimático formado por la GS y la glutamato sintasa (GOGAT) constituye, en la parte aérea de las plantas, la principal vía para la asimilación de amonio (Bernard y Habash 2009). El amonio puede proceder no sólo de la reducción del nitrato, sino también de la fotorrespiración y del catabolismo de proteínas de reserva (Wallsgrove et al. 1987).
La GS es una proteína con alta afinidad por el amonio, evitando así su toxicidad. En las hojas existen dos isoenzimas, GS1 y GS2, con distinta composición y diferente localización celular (Maldonado et al. 2000). La GS1 está localizada en el citosol y la GS2 en el cloroplasto. Diferentes estudios mostraron que tanto las isoformas cloroplástica y citosólica de la GS se afectan por estrés abiótico (Brugière et al. 1999; Martinelli et al. 2007; Bernard y Habash, 2009).
La GDH cataliza el proceso reversible de aminación/desaminación entre el 2-oxoglutarato y glutamato. La GDH aminante cataliza la incorporación de un grupo amino al 2-oxoglutarato para producir glutamato con el fin de suministrar nitrógeno orgánico a los órganos en crecimiento (Lehman y Ratajczak 2008).
Numerosos estudios indican un papel predominante de la GDH desaminante en procesos catabólicos, entre ellos destacan la activación en oscuridad, durante el proceso de senescencia, durante la germinación de las semillas y en situaciones limitantes de carbono (Miflin y Habash 2002). El amonio y la edad de la hoja regulan la GDH positivamente de forma que en plantas de tabaco durante la senescencia, incrementan los niveles de transcritos de la GDH (Laurière y Daussant 1983; Masclaux et al. 2000; Masclaux-Dubresse et al. 2005; Purnell y Botella 2007).
Otro factor que afecta al crecimiento y desarrollo de la planta es la irradiancia y el tiempo de exposición a la misma. Elevada intensidad lumínica durante largos periodos de tiempo provoca disminución del contenido en clorofila y un daño irreversible en el fotosistema II (PSII), inhibiendo la fotosíntesis, disminuyendo el crecimiento, provocando peroxidación de lípidos de membrana y acelerando el proceso de senescencia en las plantas (Prášil et al. 1992; Mishra y Shingal 1992; Melis 1999; Schansker y van Rensen 1999; Astolfi et al. 2001). Las membranas fotosintéticas pueden ser fácilmente dañadas por la gran cantidad de energía absorbida por los pigmentos de forma que, si esta energía no puede ser almacenada, es necesario un mecanismo de protección. Para evitar el daño fotooxidativo, las plantas tienen sistemas fotoprotectores de alta eficiencia que operan mediante dos mecanismos. El primero implica la disipación del exceso de energía de excitación en forma de calor en los pigmentos antena del PSII (Taiz y Zeiger 2010). En el segundo mecanismo fotoprotector están involucradas enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD), la cual convierte aniones superóxido en peroxido der4 hidrógeno, catalasa y ascorbato peroxidasa (APX), las cuales detoxifican el peroxido de hidrógeno (Asada 1999; Logan et al. 2006). Se ha descrito cambios en la actividad y expresión de enzimas antioxidantes en respuesta a estrés causado por alta intensidad luminosa, aunque en diferente grado, dependiendo de la planta y de las condiciones del tratamiento (Hernández et al. 2006; Ariz et al. 2010).
La elevada temperatura afecta al crecimiento, desarrollo y distribución de las plantas limitando la productividad de los cultivos al influir en todos los procesos fisiológicos de las plantas. Por ello, la fotosíntesis se ve alterada a elevada temperatura ya que se afectan las membranas tilacoidales además de la forma y disposición tilacoidal (Semenova 2004). Por otro lado, la elevada temperatura también produce fotoinhibición del PSII a través de su efecto sobre el complejo productor de oxígeno, el cual se destruye por calor (Aro et al. 1993; Murata et al. 2006; Takahashi y Murata 2008).
También se ha observado que la elevada temperatura disminuye los niveles de actividad de enzimas antioxidantes (Zhang et al. 2012) e induce en las plantas estrés oxidativo (Foyer y Harbinson, 1994) ya que se producen ROS tales como radical superóxido, peróxido de hidrógeno y radical hidroxilo (Dat et al. 1998).
La senescencia foliar es el estado final del ciclo de vida de las plantas. Sin embargo, no es el resultado de un proceso de degeneración, sino un proceso de desarrollo encaminado a conseguir el desmantelamiento y reciclaje ordenado de una parte de las estructuras y moléculas que, en un determinado momento, ya no resultan útiles para la planta (Lim et al. 2007). Es un proceso programado genéticamente y que puede activarse prematuramente debido a los efectos de la exposición a estrés medioambiental o a la falta de nutrientes (Quirino et al. 2000; Lim et al. 2003, 2007; Wingler et al. 2009). La acción combinada de señales externas e internas puede estar involucrada en la inducción del proceso de senescencia de la hoja como consecuencia de la acumulación de azúcares (Agüera et al. 2010).
El proceso de senescencia está asociado a procesos tales como el cese de la fotosíntesis, la degradación de estructuras celulares y a la disminución de clorofilas (Ougham et al. 2008), carotenoides y proteínas, así como a un incremento de peroxidación lipídica en las membranas celulares (Srivalli y Khanna-Chopra 2004; Agüera et al. 2010).
El estado redox de las células foliares es también un marcador importante del proceso de senescencia, el cual puede cambiar al incrementar los niveles de ROS. Las ROS son moléculas químicamente reactivas que se forman continuamente como subproductos de diferentes rutas metabólicas en diferentes compartimentos celulares (Foyer y Harbinson 1994; Apel y Hirt 2004). Los niveles de ROS se elevan cuando las plantas superiores son sometidas a distintos tipos de estrés (Zulfugarov et al. 2011). Las ROS en plantas son eliminadas mediante mecanismos enzimáticos y no enzimáticos, la SOD, la catalasa y la APX son las enzimas responsables de los mecanismos enzimáticos, así como otras enzimas antioxidantes como la glutatión reductasa (Mittler 2002).
El objetivo principal de la presente tesis ha sido estudiar el efecto de distintas condiciones ambientales sobre el proceso de desarrollo de hojas de plantas de girasol (Helianthus annuus L.) para así poder comprobar la implicación que el cambio climático en curso va a tener sobre este cultivo. Para ello, hemos enfocado este estudio abordando, en diferentes capítulos, tres de los factores ambientales más importantes que afectan al desarrollo de las plantas: elevada concentración atmosférica del CO2 (Capítulo I y II), variaciones en la intensidad luminosa (Capítulo III), y elevada temperatura (Capítulo IV).
2. Contenido de la investigación Capítulo I: Growth under elevated atmospheric CO2 concentration accelerates leaf senescence in sunflower (Helianthus annuus L.) plants 1. Determinar el posible efecto de la elevada concentración de CO2 atmosférico (800 µL L−1) sobre el desarrollo de hojas primarias de girasol y su influencia sobre la inducción del proceso de senescencia. Para ello, se analizaron los siguientes parámetros, en hojas de 16, 22, 32 y 42 días: 1.1.-Parámetros de crecimiento: peso seco, superficie foliar, masa foliar específica (SLM) y proteína soluble.
1.2.-Contenido en pigmentos fotosintéticos: clorofila a, clorofila b, clorofila total y carotenoides.
1.3.-Velocidad de fijación fotosintética de CO2, velocidad de transpiración y conductancia estomática.
1.4.-Contenido en azúcares solubles (glucosa, fructosa, sacarosa) y almidón.
1.5.-Contenido de carbono, nitrógeno y razón carbono/nitrógeno (C/N).
1.6.-Estado oxidativo de la hoja: contenido en H2O2 y actividad de enzimas antioxidantes (catalasa y APX).
Capítulo II: Elevated CO2 concentrations alter nitrogen metabolism and accelerate senescence in sunflower (Helianthus annuus L.) plants 2. Determinar los posibles cambios que una elevada concentración de CO2 atmosférica (800 µL L−1) produce en el metabolismo del nitrógeno durante el desarrollo de hojas primarias de girasol (16, 22, 32 y 42 días) y su efecto sobre la inducción del proceso de senescencia. Para ello se realizó: 2.1.-Diseño de cebadores moleculares para la amplificación de los genes glutamina sintetasa: GS1 y GS2, estudio de la especificidad de los cebadores y optimización.
2.2.-Análisis de expresión de los transcritos de las isoformas GS1 y GS2.
2.3.-Determinación de la actividad de las enzimas del metabolismo del nitrógeno: NR, GS y GDH.
Capítulo III: Study of the senescence process in primary leaves of sunflower (Helianthus annuus L.) plants under two different light intensities 3. Estudiar el efecto de dos intensidades lumínicas (350 y 125 µmoles de fotones m–2 s–1) durante el desarrollo de hojas primarias de girasol y su efecto sobre la inducción del proceso de senescencia. Para ello, se analizaron los siguientes parámetros en hojas de 16, 22, 32, 42 y 50 días: 3.1.-Parámetros de crecimiento: peso seco, superficie foliar, SLM y proteína soluble.
3.2.-Contenido en pigmentos fotosintéticos: clorofila a, clorofila b y carotenoides.
3.3.-Velocidad de fijación fotosintética de CO2, velocidad de transpiración y conductancia estomática.
3.4.-Contenido en azúcares solubles (glucosa, fructosa, sacarosa) y almidón.
3.5.-Actividad de las enzimas de la asimilación del nitrógeno: NR, GS y GDH.
3.6.-Estado oxidativo de la hoja: contenido en H2O2 y actividad de enzimas antioxidantes (catalasa y APX).
Capítulo IV: High temperature promotes an early senescence in primary leaves of sunflower (Helianthus annuus L.) plants.
4. Estudiar el efecto del incremento de temperatura (régimen día/noche de 23/19 ºC a 33/29 ºC), durante el desarrollo de hojas primarias de girasol (16, 22, 28, 32 y 42 días) y determinar su implicación sobre el proceso de senescencia. Par ello se analizaron: 4.1.- Parámetros de crecimiento: peso seco, superficie foliar, SLM y proteína soluble.
4.2-Contenido en pigmentos fotosintéticos: clorofila a, clorofila b, razón clorofila a/b y carotenoides.
4.3.-Velocidad de fijación fotosintética de CO2, velocidad de transpiración y conductancia estomática.
4.5.-Contenido en azúcares solubles (glucosa, fructosa, sacarosa) y almidón.
4.6.-Actividad de las enzimas de la asimilación del nitrógeno: NR, GS y GDH.
4.7.-Estado oxidativo de la hoja: contenido en H2O2 y actividad de enzimas antioxidantes (catalasa y APX).
3. Conclusión Como resultado del tratamiento de las plantas de girasol con los factores predichos en el cambio climático se observó un claro adelantamiento de la senescencia. Este proceso se lleva a cabo en la planta con el objetivo de ceder los nutrientes a las hojas jóvenes para que mantengan su funcionalidad. Estos resultados contribuyen al conocimiento de los efectos que el calentamiento global va a tener en los principales cultivos.
A continuación se detallan las conclusiones de cada capítulo:
Capítulo I: Growth under elevated atmospheric CO2 concentration accelerates leaf senescence in sunflower (Helianthus annuus L.) plants.
1. Hojas jóvenes de plantas de girasol cultivadas a elevado CO2, mostraron una mayor velocidad de crecimiento como se refleja por la elevada SLM referida a peso seco.
2. El contenido en pigmentos fotosintéticos disminuyó con el desarrollo de la hoja, especialmente en plantas que crecieron en condiciones de alto CO2 lo que indica que el elevado CO2 acelera la degradación de clorofila y también probablemente la senescencia de la hoja.
3. El elevado CO2 provocó un incremento en la velocidad de fotosíntesis, contenido en azúcares solubles y almidón y en la tasas C/N a lo largo del desarrollo de la hoja. Probablemente un desequilibrio en la relación C/N sería uno de los factores que contribuyen a acelerar la senescencia de la hoja de plantas de girasol.
4. El elevado CO2 incrementa el estado oxidativo de la célula en plantas de girasol ya que se observó un incremento en el contenido de H2O2 y una disminución en la actividad de enzimas antioxidantes, lo que podría conducir a una senescencia temprana en hojas de plantas de girasol.
Capítulo II: Elevated CO2 concentrations alter nitrogen metabolism and accelerate senescence in sunflower (Helianthus annuus L.) plants 5. El elevado CO2 disminuyó significativamente la actividad de enzimas del metabolismo del nitrógeno NR y GS y los niveles de transcritos de la isoforma GS2. Por otro lado, incrementó la actividad GDH desaminante así como los niveles de transcritos de la isoforma G1 durante la ontogenia de hojas primarias de plantas de girasol.
6. El elevado CO2 condujo a una senescencia temprana en hojas primarias de girasol debido a una disminución en la asimilación de nitrógeno como consecuencia de los efectos sobre enzimas claves del metabolismo del nitrógeno a nivel transcripcional (GS1 y GS2) y postranscripcional (NR, GS y GDH).
Capítulo III Study of the senescence process in primary leaves of sunflower (Helianthus annuus L.) plants under two different light intensities 7. El contenido en pigmentos fotosintéticos disminuyó con el desarrollo de la hoja, especialmente en plantas que crecieron a elevada irradiancia, lo que indica que la elevada irradiancia acelera la degradación de clorofila y también probablemente la senescencia de la hoja.
8. A elevada irradiancia el contenido en carotenoides fue mayor durante el desarrollo de la hoja como estrategia adaptativa de las plantas para la protección de la maquinaria fotosintética.
9. La acumulación de glucosa observada a elevada irradiancia en hojas maduras de girasol puede actuar como señal de inducción en el proceso de senescencia.
10. La elevada irradiancia incrementó significativamente el contenido de H2O2 en hojas de plantas de girasol y produjo una menor protección oxidativa lo que es una de las causas de la senescencia temprana de la hoja.
Capítulo IV: High temperature promotes an early senescence in primary leaves of sunflower (Helianthus annuus L.) plants.
11. En hojas primarias de girasol la elevada temperatura induce el proceso de senescencia ya que disminuye el crecimiento, altera el metabolismo del carbono y del nitrógeno y disminuye el estado oxidativo de la planta.
