Inicio
 
  Acerca de Por Qué Biotecnología (Programa Educativo)
 
  La Biotecnología
 
  Recursos para la enseñanza de la biotecnología
 
  El Cuaderno
 
  Trabajos Prácticos
 
  Glosario de términos de biotecnología
 
  Links recomendados
 
  Cursos y capacitaciones docentes
 
  Dónde estudiar biotecnología
 
  Suscríbase a publicaciones
 
  Contáctenos
 
  facebook  
Cuaderno Nº 125  

Respuestas de las plantas al estrés
 

Si una persona, un perro, un gato, o cualquier mamífero se enfrentan a una situación de estrés, su organismo produce adrenalina. Esta hormona lo preparará para movilizar grandes cantidades de energía, lo que le permitirá reaccionar a ese estrés, ya sea peleando o escapando.

Pero, ¿qué hace una planta en esa situación? Ciertamente no puede escapar. Debido a su naturaleza sésil, las plantas deben prosperar en el lugar que les toca crecer y la manera en que lo hacen es asombrosa ya que, aunque no se note a simple vista, reaccionan ampliamente a las situaciones de estrés, lo que les permite subsistir.

Las plantas también se estresan

A través de todo el planeta, las plantas habitan un amplio rango de ambientes con diversas combinaciones de condiciones abióticas (factores como sequía, frío, calor, salinidad, etc.) y múltiples interacciones bióticas (con otros seres vivos). Existen plantas que crecen en ambientes con temperaturas que alcanzan los –35° C, en zonas que sobrepasan los 55° C, en lugares donde la radiación alcanza picos máximos, en sitios donde la oscuridad es total, en regiones secas, o con alta salinidad. La falta de agua, los suelos salinos y las bajas temperaturas son las situaciones adversas más frecuentes que las plantas deben afrontar y esto es lo que se conoce como estrés. En este contexto, entonces, se define al estrés como el conjunto de condiciones capaces de producir una influencia desventajosa en los procesos fisiológicos de las plantas. Como resultado, el estrés puede ocasionar desde cambios en el crecimiento hasta daño en células y/o tejidos, y modificar la expresión de genes.

Existen múltiples tipos de estrés que, comúnmente, se dividen en: abióticos (físicos y químicos) y bióticos (ver Tabla). A estas señales externas deben sumarse factores internos propios de la planta, es decir, su nivel hormonal previo al estrés, su genotipo, momento del ciclo celular por el que atraviesa, así como también la duración e intensidad de cada tipo de estrés. Según estudiosos del tema, la interacción de estos factores genera 1010 (o sea 100 mil millones) de combinaciones posibles de factores estresantes. Esto da una idea de lo vasto y complejo que resulta el estudio del estrés y las respuestas de las plantas.

Tabla: Lista parcial de las fuentes de estrés ambiental en las plantas

Ampliar Imagen

Ambientes adversos más frecuentes y las reacciones de las plantas

Estrés hídrico

La mayoría de las plantas están expuestas a distintos grados y tipos de estrés en algún momento de su desarrollo, pero sin duda la falta de agua es la fuente de estrés más común y frecuente. En la Argentina, las áreas subhúmedas, semiáridas y áridas (tierras secas), representan el 75% de la superficie total (según datos de la Secretaría de Desarrollo Sustentable y Política Ambiental de la Nación). A nivel mundial, Naciones Unidas calcula que la sequía y la desertificación afectan a una de cada tres personas en el mundo, totalizando 2.100 millones que viven en tierras secas o áridas, y 1.000 millones que tienen su subsistencia amenazada por la desertificación, una situación que se extiende por todos los continentes, según datos de la ONU. Las tierras secas, que abarcan desde desiertos a zonas semiáridas y subhúmedas, con lluvias escasas e irregulares, ocupan más del 40% de la superficie del planeta (Figura 1), acogen un tercio de las cosechas y la mitad del ganado. La degradación de esas tierras representa un problema a gran escala con consecuencias económicas, sociales y ambientales en un centenar de países del mundo. Se estima que para el 2025, cerca de dos tercios de la población mundial vivirán en áreas con déficit hídrico.

Ampliar Imagen

Figura 1: Mapa de zonas áridas, húmedas, irrigadas y desérticas del mundo.
Fuente:
http://strikehold.files.wordpress.com/2010/04/
syngentafoundation-778.jpg?w=495&h=373
Mapa de zonas áridas, húmedas, irrigadas y desérticas del mundo.

Los procesos evolutivos han dotado a las plantas de combinaciones elaboradas de rasgos morfológicos, anatómicos, fisiológicos y de comportamiento, manteniendo poblaciones exitosas en diversas condiciones ambientales. En zonas donde falta agua, la relación entre la superficie y el volumen es un valor fundamental en la adaptación a estas condiciones de escasez: captar la mayor cantidad posible de luz solar es una función necesaria en toda planta, pero a través de la superficie de las hojas también se pierde agua. Las plantas de los climas secos y donde abunda la luz, como en los desiertos, tienen formas esféricas, ya que la esfera es el cuerpo que ofrece una menor superficie para un volumen dado. Otra capacidad de estas plantas es eludir la falta de agua mediante un ciclo de vida corto en el cual producen poca biomasa y cuando la disponibilidad de agua es casi nula se mantienen en estado de semilla. Hojas pequeñas u hojas como espinas son otra posibilidad a la hora de reducir la evaporación y captar algo de rocío. Otras plantas son como enormes barriles que almacenan el agua en sus tallos, como por ejemplo los cactus y las euforbias (Figura 2a); otras poseen raíces muy desarrolladas para absorber el poco agua disponible. Hay plantas que pasan la estación desfavorable en forma de yemas protegidas en bulbos, rizomas, tubérculos... el resto de la planta puede morir (Figura 2b). Muchos árboles detienen su actividad y pierden sus hojas, pero conservan sus yemas bien protegidas por escamas.

Ampliar Imagen

Figura 2 a y b: Adaptaciones que evitan la pérdida de agua

La evolución ha dotado a las plantas de características que le permiten hacer frente a la falta de agua.
a) Hojas pequeñas y los reservorios de agua como los que poseen los cactus. Fuente: http://2.bp.blogspot.com/_XHAiXUxG_EY/
SqUKpNvq9xI/AAAAAAAAABc/7gUPO50ffBg/
s320/Plantas+043.jpg

b) Yemas protegidas en bulbos durante la estación desfavorable. Fuente: http://www.aquaplant.cl/aguadulce/plantas/
InfoPlantas/NuevasPlantas/img/crinum_thaianum.jpg

Sin embargo, existen limitantes biofísicas y bioquímicas en la estructura y función de las plantas que impiden el desarrollo de ciertos rasgos y características en un hábitat en particular. Entonces, más allá de las adaptaciones al déficit hídrico ¿qué le pasa a una planta cuando le falta agua? Las plantas responden a la falta de agua y esa respuesta depende principalmente de la intensidad y duración de ese estrés. Cuando recién comienza el estrés, la planta entra en lo que podríamos llamar “fase de alarma”, en la cual disminuye o detiene sus funciones fisiológicas básicas: al disminuir el contenido de agua en la planta, las células pierden turgencia, en consecuencia la expansión celular se detiene y con ello disminuye el crecimiento de las hojas. Con menor área foliar (superficie de la hoja) la planta transpira menos, conservando el agua limitante en el suelo para su uso por períodos más prolongados. Se considera entonces la reducción del área foliar como la primera línea de defensa frente al estrés hídrico. La pérdida de turgencia se manifiesta en el aspecto marchito de las hojas, que toma distintas formas según la especie (Figura 3). En los cereales, por ejemplo, la hoja se enrolla mientras que en el tomate pierde su posición erguida.

Ampliar Imagen

Figura 3: Hojas en estrés hídrico

A comienzos del estrés las hojas pierden turgencia y presentan una apariencia fláccida.

Fuente: http://www.salinitymanagement.org/
Salinity%20Management%20Guide/images/
module_sp/sp-7c06.jpg

Luego de la fase de alarma, la planta entra en una “fase de resistencia”, acomodando el metabolismo celular a las nuevas condiciones: como consecuencia de la inhibición en la expansión de las hojas, la planta reduce el consumo de carbono y energía; una gran proporción de los fotoasimilados (sustancias sintetizadas mediante la fotosíntesis, ver cuaderno nº 106 y 107) se redistribuyen hacia las raíces donde se utilizarán para el futuro crecimiento de la planta. Se genera así una disminución en la relación vástago/raíz, pues crece más la raíz que la parte aérea de la planta. En estas circunstancias, las raíces crecen preferencialmente hacia capas más profundas del suelo, donde la pérdida de agua es menor. Sin embargo, si la planta ya tiene fruto, esa parte de la planta será el destino privilegiado para las sustancias nutritivas, ya que de él depende la perpetuación de la planta a través de las semillas. De esta manera, se alcanza un estado fisiológico óptimo para las nuevas condiciones. En la naturaleza la falta de agua puede darse no gradualmente, sino de manera repentina. En esos casos, cuando el estrés es rápido, o cuando se produce luego de que el área foliar ya llegó al máximo, la planta responde cerrando los estomas, unos poros que poseen las hojas por los que respiran y transpiran (Figura 4). Al cerrar los estomas, reduce la transpiración y por lo tanto la pérdida de agua. Esta respuesta puede generarse de dos maneras: de forma pasiva, por la pérdida de turgencia en las células que forman los estomas (o células de la guarda) cuando las condiciones atmosféricas son demandantes, o de manera activa donde el cierre estomático es determinado por el estado hídrico de toda la hoja o de las raíces, y en el que intervienen procesos metabólicos.

Ampliar Imagen

Figura 4: Fotografía microscópica de un estoma

Los estomas son poros (Pore) presentes en las hojas, por donde la planta realiza el intercambio gaseoso. Poseen dos células encargadas de su apertura (foto izquierda) y cierre (foto derecha), llamadas células de la guarda (Guard cells). En la fotografía también se indican los cloroplastos (Chloroplast), organelas donde se realiza la fotosíntesis.

Fuente: http://www.colorado.edu/geography/
class_homepages/geog_3251_sum08/
01_stomata.jpg

En los comienzos del estrés, el cierre de los estomas hace que la planta use más eficientemente el agua, debido a que transpira menos. Pero, cuando la intensidad o duración del estrés aumenta, la planta entra en la “fase de agotamiento” y comienza a afectarse la fotosíntesis (ver cuaderno nº 106 y 107); progresivamente se irá inhibiendo el metabolismo de las hojas y con ello la cantidad de fotoasimilados disponibles para ser exportados desde las hojas hacia otras partes de la planta. Este proceso de distribución de fotoasimilados, llamado translocación, también se verá afectado, pero solo en estadios tardíos del estrés, lo que permite a las plantas movilizar y usar reservas donde lo necesitan (por ejemplo en las semillas en crecimiento) aún en condiciones de estrés severo. En la mayoría de las especies, la habilidad de translocar fotoasimilados es el factor clave de su resistencia a la sequía. Cuando la falta de agua es muy severa, la mayoría de las plantas poseen también la capacidad de responder mediante un mecanismo que involucra un incremento en la concentración de iones y de solutos compatibles (moléculas que pueden acumularse en la célula sin modificar el metabolismo central, ver cuaderno nº 105). Este es un proceso complejo, multifactorial, pero podría resumirme del siguiente modo: las plantas poseen una característica físico-química denominada potencial hídrico que determina la dirección e intensidad del movimiento del agua en relación con su ambiente. El potencial hídrico será más bajo, más negativo, cuanto mayor sea la concentración de iones y solutos en las células. El tejido que posea un potencial hídrico bajo, tenderá a absorber agua de su entorno (siempre que este presente un potencial hídrico más elevado). Este diferencial tiene como consecuencia, entonces, la entrada de agua a la célula. El proceso fisiológico de sintetizar solutos se denomina ajuste osmótico y la planta capaz de realizarlo, puede mantener la elongación celular, la turgencia de sus hojas y facilitar el intercambio gaseoso aún cuando el agua es escasa.

Estrés salino

En condiciones naturales, las plantas terrestres superiores se encuentran con tierras de alta concentración salina, ya sea en cercanías al mar o en estuarios, donde el agua marina y el agua fresca suelen mezclarse. En zonas lejanas a la costa, filtraciones naturales de sales provenientes de depósitos geológicos marinos pueden ser arrastradas hacia zonas adyacentes generando tierras estériles para la agricultura. Sin embargo, un problema aún mayor es la acumulación de sales como consecuencia del riego. La evaporación y transpiración remueven del suelo el agua pura como vapor y, si el agua de riego contiene altas concentraciones de sales que no tienen posibilidad de fluir, estas se acumulan alcanzando niveles que son dañinos para la mayoría de las especies. Se estima que cerca de 1/3 de las zonas irrigadas en la Tierra están afectadas por estrés salino.

Solutos disueltos en la zona de la raíz de una planta generan una baja en el potencial hídrico del suelo. Así, el balance general de agua de la planta es afectado, porque las hojas necesitan desarrollar un potencial hídrico aún menor para mantener el gradiente cuesta arriba entre el suelo y las hojas. En este caso, el efecto de la sal es el mismo que el producido por déficit hídrico, ya que la consecuencia es también la deshidratación. Asimismo y en paralelo, existe un efecto de la sal que está relacionado con la toxicidad misma del ión, al acumularse en concentraciones dañinas de Na+, Cl- o SO42- en las células

Uno de los posibles mecanismos de toxicidad del Na+ es el hecho de estar directamente involucrado con la interferencia en los transportadores celulares de K+, un macronutriente esencial. ¿Qué ocurre en la planta ante esta situación? A nivel celular, las plantas disminuirán su potencial hídrico mediante varios procesos: acumulación de los iones en una vacuola (ver Cuaderno nº 80) o expulsándolos hacia fuera de la célula y/o sintetizando solutos compatibles en el citoplasma celular. A nivel fisiológico, las plantas reducen el daño ocasionado por la sal excluyéndola de los meristemas (regiones de la planta en crecimiento). La presencia de Na+ en las hojas es minimizada por su absorción en el flujo de sus vasos conductores durante la transpiración. Existe un grupo de plantas, denominadas halófitas, que no excluyen el Na+, sino que poseen unas glándulas en la superficie de las hojas donde almacenan la sal en forma de cristales (Figura 5).

Ampliar Imagen

Figura 5: Glándulas salinas. Adaptación frente a la sal

Las plantas halófitas poseen unas glándulas en la superficie de sus hojas donde almacenan la sal en forma de cristales

Fuente: http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/
intrbiol/malvo250.jpg

Bajas temperaturas

La baja temperatura es un fenómeno que aparece periódicamente en el 90% de las tierras secas del planeta. Aunque la biomasa de la zona ecuatorial posee una amplia variedad de géneros y especies, las plantas que alimentan al mundo crecen principalmente en regiones donde las bajas temperaturas son un problema ambiental.Hay dos tipos de daño que las plantas pueden sufrir al ser expuestas a bajas temperaturas. El primero es el daño por enfriamiento que ocurre aproximadamente entre los 20° C y 0° C. El daño resultante incluye, dependiendo del estado en el que se encuentre la planta, una variedad de disrupciones fisiológicas en la germinación (ver cuaderno nº 109), en el desarrollo de flores y frutos, retardo en la maduración, entre otros.

Además, el enfriamiento modifica el metabolismo celular (ver cuaderno nº 105) ya que son afectadas las reacciones enzimáticas, la velocidad a la que las sustancias se mueven dentro de las células, la fluidez de las membranas, con lo que el transporte de agua y nutrientes a través de las mismas puede variar y afectar la producción de la planta. A menudo, el estrés por enfriamiento a temperaturas no letales es reversible. Las especies vegetales adaptadas a regiones templadas del planeta varían durante el transcurso del año en su habilidad para sobrevivir al frío: la mayoría de las especies poseen una habilidad denominada “aclimatación”. Este mecanismo le permite a la planta percibir las bajas temperaturas sobre cero durante el avance el invierno, disparar procesos bioquímicos específicos y reducir o eliminar el daño producido. Estos mecanismos incluyen principalmente la prevención de la desnaturalización de proteínas y precipitación de moléculas y la acumulación de solutos compatibles (principalmente de sacarosa y otros azúcares) que parecen contribuir de forma directa a la estabilización de las membranas celulares.

El segundo tipo de daño es el causado por congelamiento y ocurre cuando la temperatura externa cae por debajo del punto de congelación del agua. Lo que experimentan las plantas en esta situación es un congelamiento dentro y/o fuera de sus células. Cuando el congelamiento es intracelular, se daña la estructura citoplasmática y los cristales de hielo formados pueden literalmente matar a la célula. No es mejor la suerte que se corre si el congelamiento es extracelular, puesto que la formación de hielo fuera de la célula impone una fuerza deshidratadora a la solución no congelada intracelular, determinando que el agua sea transferida desde el interior hacia los cristales de hielo formados fuera de la célula. Como consecuencia, las membranas se van arrugando a medida que el volumen celular disminuye. Según la planta, la tolerancia a bajas temperatura difiere. Algunas variedades son tan susceptibles al daño por congelamiento que pueden morir al primer contacto con una helada (el arroz, el maíz y el tomate); no toleran hielo en sus tejidos y muestran rápidamente síntomas de daño que incluyen apariencia fláccida con pérdida de turgencia. El ejemplo opuesto se encuentra en algunos pastos, que pueden soportar la presencia de hielo extracelular en sus tejidos y sobrevivir a - 40° C.

En cuanto a las adaptaciones anatómicas y fisiológicas a zonas frías, las plantas que habitan estas regiones suelen tener formas redondeadas, muchos tallos densamente apretados, lo que genera un microambiente interior caldeado y resguardado del viento. Con esta forma se consigue retener también la humedad y los nutrientes (ya que estas plantas suelen vivir en sitios rocosos y muy azotados por el viento). Otras plantas de lugares fríos están recubiertas por una densa maraña de pelos lanosos, o son de colores oscuros para absorber calor y derretir la nieve. Existen plantas que pasan el invierno bajo tierra en forma de bulbo, como el tulipán y el jacinto, donde han almacenado alimentos. Hay árboles que pierden todas las hojas en invierno para que no se hielen, y otros que poseen hojas en forma de aguja y recubiertas de una capa dura para protegerse, como ocurre en los pinos, que pueden soportar temperaturas inferiores a los -50º C (Figura 6).

Ampliar Imagen

Figura 6: Bajas temperaturas

Los pinos son un ejemplo de especies vegetales que pueden vivir en condiciones de frío extremo.

Fuente: http://www.fotonatura.org/galerias/fotos/
usr10526/KDD-BN.jpg

La clave de la respuesta al estrés: el ácido abscísico

Las respuestas de las plantas a cada tipo de estrés son variadas y particulares. Sin embargo, existe un factor común a todas estas respuestas. Ese factor es una hormona vegetal, llamada ácido abscísico (comúnmente mencionada por sus siglas: ABA). El ácido abscísico fue descubierto a principio de los años ’60 de forma independiente por varios grupos de investigación. Se sabe que el ABA es necesario para el desarrollo de las semillas, regulando procesos esenciales para la vitalidad y la germinación. En 1970 se logró demostrar que la pérdida de agua causaba una rápida acumulación de ABA en la planta. Una década después, ya se sugería que en el suelo seco las raíces deshidratadas sintetizan ABA rápidamente y esto producía un aumento en su concentración en el flujo xilemático (vasos conductores de las plantas), viajando como información química, hasta alcanzar hojas y yemas, aún turgentes. Allí interviene en el cierre de los estomas, como una señal a larga distancia desde la raíz, o liberándose desde los reservorios de la hoja como resultado de la deshidratación propia del tejido foliar.

A largo plazo, además, el ABA influye sobre la tasa de crecimiento de raíces y hojas, aumentándola e inhibiéndola, respectivamente. No importa cual sea el motivo de estrés, ya que en general el resultado es la deshidratación celular, el ABA es la señal de que algo anda mal. A partir de su síntesis o liberación, se desencadenan procesos que conducen a salvar la situación. Además de la respuesta fisiológica, los procesos que involucran al ABA incluyen (en un estadio más avanzado del estrés), el encendido de toda una batería de genes (se cree que son cientos) cuyos productos intervienen en la respuesta a la adversidad: el ABA induce la síntesis de proteínas con funciones protectoras, proteínas de canales de agua, enzimas necesarias para la síntesis de osmoprotectores, proteínas anticongelantes, y muchas otras. Por esta razón, generalmente se refiere al ABA como la "hormona del estrés".

Lo que puede hacer la biotecnología por las plantas estresadas

Es sabido que el cambio climático está alterando, entre otras cosas, los regímenes de precipitaciones. Es por ello que la agricultura debe adaptarse empleando estrategias que van desde cambiar las prácticas agrícolas tradicionales, hasta el desarrollo de cultivos genéticamente modificados (ver cuaderno nº 5 y 8) que puedan tolerar mejor las sequías y otros tipos de estrés. Varias son las disciplinas científicas que, junto a la biotecnología, han puesto el foco en detectar los genes con que la naturaleza dotó a las plantas adaptadas a condiciones de estrés extremas, con el objetivo de identificarlos, aislarlos e insertarlos en plantas de interés agronómico (ver cuadernos nº 4, 6, 18, 26 y 28).

Existen numerosos grupos de investigación alrededor del mundo que estudian desde hace años este tema tan complejo. Según los expertos, es probable que para la próxima década los productores tengan en sus manos plantas de interés comercial resistentes a la sequía. Actualmente, compañías multinacionales participan en proyectos junto a instituciones públicas y privadas, aunando esfuerzos para poner la tecnología de maíz tolerante a la sequía a disposición de los pequeños agricultores de Kenia, Ruanda, Tanzania y Sudáfrica. También existen líneas de investigación abiertas en países como Argentina o Estados Unidos, en cultivos de algodón y soja. Otras empresas trabajan en desarrollos de híbridos de maíz capaces de usar el agua de modo más eficiente, manteniendo un mejor comportamiento en los períodos de estrés hídrico. En México, varios investigadores han identificado en condiciones naturales variedades de maíz que toleran la falta de agua, han aislado esos genes, los han secuenciado y están haciendo transformación genética de las variedades que más rinden. Recientemente, científicos australianos han conseguido expresar el gen de una proteína transportadora de sal exclusivamente en las células de las raíces de arroz. Esta nueva estrategia permitiría acumular la sal en las raíces, minimizando el daño en el resto de la planta. Asimismo, un grupo argentino de la UNL diseñó plantas transgénicas (ver cuadernos nº 18, 26 y 28) capaces de soportar heladas, sequías y la salinidad excesiva de los suelos. Aunque aún se encuentran en etapa de laboratorio, los resultados en especies modelo son muy alentadores. En la actualidad existen en el mercado plantas transgénicas con un gen que les confiere resistencia específica a un estrés biótico como la presencia de insectos lepidópteros (maíz y algodón Bt), resistencia que, además, ha demostrado no afectar a otros insectos del ambiente. Solo es cuestión de tiempo, para que los aportes conjuntos del mejoramiento tradicional y la biotecnología vegetal, den sus frutos. La toma de conciencia en el uso racional del agua, sumado al cuidado del medio ambiente como política de estado y al esfuerzo de un sinnúmero de científicos, agricultores y productores, sin duda hará realidad la posibilidad de obtener alimentos en cantidad y calidad para las generaciones venideras.

 
 

Ver cuaderno anterior

 
 
 

  Secciones de
El Cuaderno Nº125:
 
     
  Teoría  
     
  Consideraciones
Metodológicas
 
     
  Actividades  
     
  Material de consulta  
 
     
  Ediciones destacadas de "El Cuaderno"
 
El Cuaderno N° 43:
Datos de adopción y beneficios de cultivos GM 2015.2016
 
El Cuaderno N° 100:
Biotecnología, una historia...
 
 
® Copyright ArgenBio 2007 - Todos los derechos reservados - Términos y Condiciones