Tema 8. Estrés Lumínico PDF

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Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología Tema 8. Estrés lumínico. 1. Introducción. La luz es una señal esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas, además es muy importante para la fotomorfogénesis, es decir, la forma de la planta en presencia de luz. La luz es interpretada por la planta a través de fotorreceptores: o Fotorreceptores de luz roja y roja lejana (600-800nm): fitocromos. o Fotorreceptores de luz azul (400-500 nm) y UV-A (320-400): criptocromos. o Fotorreceptores de luz UV-B (280-320 nm): proteína UVR8 (Triptófano), cromóforos asociados al PSII, etc. El fotorreceptor que más se conoce es el fitocromo ya que fue el primero que se describió en 1952 mientras se estudiaba la germinación de las semillas de lechuga en luz y oscuridad; en dicha investigación también se estudiaron los efectos de la luz rojo lejano y rojo cercano. Dependiendo del tipo de luz las semillas germinaban o no y se propuso que había un receptor para la luz roja con dos pigmentos o un pigmento con dos formas interconvertibles, más adelante se confirmó que era un único receptor con dos formas: - Pr: forma inactiva. - Pfr: forma activa. La cantidad de luz rojo cercano y rojo lejano a lo largo del día varía y la forma que predomina va variando, pero en ninguna de las dos condiciones se anula ninguna de las dos formas, es decir, para que se mantenga la vida de la planta siempre hay presencia de ambas formas: o En las horas centrales del día, las formas del fitocromo están en equilibrio: el 60% en la forma Pfr y el 40% en la forma Pr. o Cuando el fitocromo se encuentra en condiciones de luz roja saturantes la forma Pfr no llega al 100%: el 85% está en la forma Pfr y el 15% en la forma Pr. 105  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología El fitocromo se sintetiza a partir de dos familias multigénicas: - Tipo I: PHYA (amanecer, anochecer y oscuridad), muy sensibles a la luz. - Tipo II: PHY-B, C, D, E (luz del día). El fitocromo está formado por una molécula de dímeros de proteínas y una parte cromófora (fitocromodulina) que tienen dobles enlaces conjugados y permiten que los electrones estén deslocalizados y puedan ser excitados por la luz. También tiene la capacidad de absorber luz de la zona del azul, por lo que podría ser un receptor a dicha luz. Además, a partir de estudios recientes se piensa que son capaces de reaccionar frente a la temperatura (termorreceptor). Los fotorreceptores de luz azul, UVA-A y UVA-B no son bien conocidos, se piensa que son fitocromos o flavonoides. Los receptores que se conocen para la luz azul son: o Criptocromos: implicados en la inhibición de la elongación del tallo. Al igual que el fitocromo, el criptocromo está formado por una parte proteica y un grupo cromóforo (FAD) y presenta dos formas: CRY 1 (degradado por la luz) y CRY2 (estable). o Fototropinas: implicadas en el fototropismo y movimiento de cloroplastos. Al igual que el fitocromo, la fototropina está formado por una parte proteica y un grupo cromóforo (FMN) y presenta dos formas: PHOT 1 (respuesta a baja intensidad de luz) y PHOT2 (respuesta a altas tasas de flujo de luz). o Zeaxantina: implicada en la fotorrecepción de luz azul en las células guarda. Su espectro de absorción coincide con el espectro de acción de la luz azul y presenta una importante relación entre la evolución diaria de la apertura del estoma, la radiación y el contenido en zeaxantina. La sensibilidad de las células guarda aumenta con la concentración de zeaxantina. o Fitocromo. Los pigmentos fotosintéticos también son capaces de actuar como receptores de la luz debido a que poseen un sistema de dobles enlaces conjugados: En general, estos pigmentos pueden absorber luz visible: o Carotenoides: destacan los carotenos (hidrocarburos puros como el b-caroteno) y las xantofilas (hidrocarburos oxigenados como la luteína). o Clorofilas. 106  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La energía que reciben las plantas del sol está incluida en lo que se conoce como espectro fisible, entre 400-700 nm del espectro total de la luz solar. Además, algunas funciones pueden responder a longitudes de onda más bajas (ultravioleta). Cuando más baja es la longitud de onda mayor es la energía que aporta, pero también son más peligrosas ya que dañan las células. La luz es esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas y esta va a afectar de diferente forma según su intensidad, dirección, duración y color (longitud de onda). Los efectos negativos de la luz se producen cuando hay una baja o alta intensidad o cuando hay radiación UV (UV-B). Las respuestas de las plantas a la luz cuando afecta negativamente son: - el desarrollo en luz de las plántulas (desetiolación). - la adaptación de la capacidad fotosintética a la intensidad lumínica. - la floración en respuesta a cambios en el fotoperiodo o duración día-noche. - el fototropismo o crecimiento hacia la fuente de luz. - la inducción de la germinación de las semillas. - el síndrome de huida de la sombra. 107  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología 2. Efectos de la luz en la planta. En la siguiente figura se muestra un esquema de los efectos que provoca la luz en la planta: 2.1. Baja intensidad de luz. El fitocromo permite a las plantas adaptarse a cambios en las condiciones de luz. Las respuestas del fitocromo pueden clasificarse según la cantidad de luz que requieren: § VLFR - Respuestas a muy bajos flujos (cantidad de luz). § LFR - Respuestas a bajos flujos. § HIR - Respuestas a alta irradiancia. En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de respuestas fotorreversibles típicas inducidas por el fitocromo en plantas superiores e inferiores: 108  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología Como se comentó anteriormente, el fitocromo se encuentra en equilibrio y se puede calcular una razón entre luz roja y roja lejana (R/RL) que se utiliza como índice de densidad y para conocer la proximidad de vegetación: En la siguiente figura se muestran varios ejemplos de las diferentes razones que se pueden encontrar en la naturaleza: (1) En la radiación solar directa R/RL es constante, con valores entre 1,05 y 1,25. (2) En un día muy nublado la intensidad total se puede reducir hasta 10 veces (3) En la zona de sombra vegetal los valores de R/RL oscilan entre 0,05 y 0,15 (parte del rojo lejano incidente se refleja). Esto hace que disminuya la razón R:RL captada por las plantas vecinas (4) Los pigmentos fotosintéticos de las plantas (clorofilas y carotenoides) son casi transparentes al rojo lejano. (5) La relación R/RL de la luz que se filtra informa a la semilla enterrada o a la plántula emergente de las condiciones en la superficie (5a, 5b). (6) Un incremento de R/RL informa a las plantas acuáticas de la profundidad a que se hallan (el agua absorbe luz roja lejana). Cuando las plantas se encuentran en presencia de mucha vegetación y se encuentran bajo plantas de mayor elongación, se produce una atenuación de la radiación, por lo que estas plantas necesitan desarrollar adaptaciones para intensidades luminosas bajas. Esta diferencia se entre un bosque y un cultivo en intensivo, pero también puede ocurrir en una misma planta: la parte más alta recibe luz pero la parte baja no. 109  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La respuesta de las plantas para evitar el sombreamiento es cambiar su forma de crecimiento elongando los entrenudos para alargar el tallo y cambiar la posición de las hojas en el tallo, de esta manera también se logra aumentar el área fotosintética. Estos cambios fisiológicos frente a la luz tienen importancia económica en la agricultura. En los cultivos intensivos hay una alta densidad vegetal por lo que las plantas tendrían que plantarse a cierta distancia, reduciendo el número de plantas por cultivos pero aumentando la productividad. La proximidad de los individuos activa las respuestas para evitar el sombreamiento (síndrome de huida de la sombra): alargamiento de los tallos de las plantas y disminución de la cosecha. En la siguiente figura se muestra un estudio de plantas de tabaco transgénicas que expresan una menor cantidad de fitocromos: El movimiento de cloroplastos también está determinado por la luz, respondiendo sobre todo a la luz azul: - cuando hay una baja intensidad de luz y la luz azul es débil, se provoca que los cloroplastos se agrupen en las caras superior e inferior de las células - cuando hay una alta intensidad de luz y la luz azul es alta, se provoca que los cloroplastos se agrupen en las caras laterales de las células. La razón principal de esto es la sensibilidad del fotosistema a la luz azul. 110  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología El movimiento de las hojas y la apertura de los estomas también está determinado por la luz, respondiendo sobre todo a la luz azul: En respuesta a la luz hay plantas que pueden tener dos tipos de hojas, dependiendo de la época del año y donde estén situadas (parte alta o baja de la planta), por lo que puede haber hojas de sol y hojas de sombra. Estas hojas pueden presentarse individualmente en las plantas o pueden presentarse simultáneamente. 2.2. Alta intensidad de luz. La alta intensidad la luz puede ser nociva para la planta ya que se puede producir el efecto de fotoinhibición, es decir, la inhibición de la fotosíntesis causada por el exceso de radiación. La eficiencia máxima del PSII disminuye cuando disminuye la relación Fv/Fm, que se puede medir con aparatos. Por tanto, la inhibición de la fotosíntesis indica que la planta está sometida a condiciones estresantes y las altas intensidades de luz disminuyen la productividad, aunque el daño por altas intensidades de luz puede ser reversible (protección de los fotosistemas) o irreversible (daño en el aparato fotosintético). 111  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología En caso de que exista una exposición adicional de las plantas a otros factores de estrés aumenta el efecto fotoinhibidor de alta intensidad de la luz. En la fotoinhibición se puede diferenciar varias fases y puntos: La fotoinhibición se puede medir a través de cambios en la eficiencia, en la capacidad fotosintética, en la emisión de fluorescencia por la clorofila,... Los tipos de fotoinhibición que se diferencian son: 1. Fotoinhibición crónica (fotodaño). El daño en el PSII inducido por luz reduce la eficiencia fotosintética y reduce la capacidad fotosintética. Se puede dar una reversión lenta del daño cuando las plantas en exceso de luz se pasan a condiciones de poca luz La disminución de la eficiencia fotoquímica del PSII es paralela a la disminución en la eficiencia fotosintética de emisión de O2 o absorción de CO2. En las siguientes gráficas se muestra cuando se produce la fotoinhibición crónica, la línea roja hace referencia a plantas no expuestas previamente a luz intensa y la línea negra hace referencia a plantas previamente expuestas a luz intensa: 112  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología El sitio de daño por las altas intensidades de luz en el fotosistema es el polipéptido D1 del Centro de reacción del PSII, esto provoca una disminución de la eficiencia de separación de cargas (e-) del PSII y, por tanto una disminución en la eficiencia fotoquímica del PSII: ≠Fv/Fm. Por otra parte, también se produce la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS). 2. Fotoinhibición dinámica (fotoprotección). La disipación de energía a través de NPQ: provoca un aumento de la temperatura y la posterior inhibición de los centros de reacción PSII rápidamente reversible (ciclo de las xantofilas). La exposición a fotoinhibición dinámica (PID) o crónica (PIC) modifica las curvas de producción de O2 en respuesta a la luz, respecto a plantas no fotoinhibidas (control): En la gráfica de la izquierda la línea roja hace referencia a las DEPS (Ciclo xantofilas) la línea negra a la relación Fv/Fm y las rayas discontinuas a la recuperación de la fotoinhibición. Se observa como las xantofilas actúan como fotoinhibidores y reducen la relación Fv/Fm. En la gráfica de la derecha la línea roja hace referencia a plantas previamente expuestas a luz intensa, la línea negra hace referencia a plantas no expuestas previamente a luz intensa y las rayas discontinuas a la recuperación de la fotoinhibición. Se observa como en el PID se vuelven a alcanzar los ratios de fotosíntesis del control, pero en el PIC no. El mecanismo de fotoprotección evitan que se disminuya la eficiencia en los procesos fotoquímicos de manera permanente. Este mecanismo es dependiente de la luz y de carácter rápidamente reversible: una baja relación Fv/Fm, una baja fluorescencia en oscuridad (F0) y un mayor valor qN o NPQ (apagado no fotoquímico); todo esto permite una mayor tasa de disipación térmica del exceso de energía a nivel del PSII. La fotoprotección previene la fotoinactivación disminuyendo la presión de excitación en los centros de reacción del PSII. 113  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La fotoinactivación consiste en la disminución, dependiente de la luz, del número de centros de reacción del PSII funcionales. Este efecto es lentamente reversible cuando hay un valor alto de F0, es decir, hay una mayor emisión de fluorescencia de la antena durante la exposición a luz excesiva. La fotoprotección produciría cambios en la antena y en la fotoinactivación de centros de reacción del PSII. La protección del PSI se lleva a cabo mediante la disipación del exceso de energía lumínica (separación de LHC del PSII, ciclo de las xantofilas, flujo cíclico de electrones, degradación de la proteína D1, etc.) La radiación UV también produce fotoinhibición: daños por fotooxidación, alteraciones en las membranas celulares y en el DNA de las plantas. Las plantas de los trópicos soportan niveles de radiación UV-B más altos que en otras latitudes, debido al ángulo en el cenit solar y a la delgada capa de ozono (O3): alta resistencia propia a la radiación UV-B. En las hojas de los árboles tropicales, con exposición a la luz solar intensa, la radiación UV-A y UV-B producen reducción reversible de la eficiencia potencial del PSII. La sensibilidad del PSII a la radiación UV-B natural depende del grado de resistencia, estado de desarrollo, etc. 3. Adaptación y reparación. 3.1. Mecanismos de protección frente al exceso de luz. Entre los mecanismos de protección que presentan las plantas frente al exceso de luz destacan: 1. Prevenir la absorción de luz excesiva: movimientos foliares paraheliotrópicos, desarrollo de estructuras reflectantes en la epidermis (pubescencia, ceras, sales), movimientos de los cloroplastos, protectores solares (antocianinas), etc. 2. Disipar el exceso de energía absorbida: destinos alternativos de electrones (fotorrespiración, reducción univalente del O2 a nivel del fotosistema I=‘reacción de Mehler’= flujo pseudocíclico de electrones). 3. Eliminar especies reactivas de oxígeno (ROS): Ciclo de las xantofilas (NPQ) y luteína. 114  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología 3.2. Regulación y reparación de la maquinaria fotosintética. La fotorespiración o ciclo C2 permite a la planta consumir energía aunque en el proceso de pierde carbono y nitrógeno, pero evita que se sobrecaliente el fotosistema. Los sistemas fotosintéticos absorben grandes cantidades de energía luminosa y la transforman en energía química, pero en exceso hay producción de ROS y daños en los fotosistemas. Para evitar estos problemas, los organismos fotosintéticos han desarrollado complejos mecanismos de regulación y reparación (apagado o enfriamiento no fotoquímico). El ciclo de la síntesis de xantofilas actúa en la regulación del flujo de energía en el complejo antena para evitar el exceso de excitación en los centros de reacción. Los carotenoides (carotenos y xantofilas) sirven como agentes fotoprotectores, además de como pigmentos accesorios de la fotosíntesis que producen el enfriamiento no fotoquímico (mecanismo protector y regulador). Actúan como aceptores de energía de excitación (extinción rápida del estado excitado de clorofila) transformándose en carotenoides triplete (3car*) que emiten la energía en forma de calor y disminuyen las ROS. 115  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La regulación del flujo de energía en el complejo antena sirve para evitar el exceso de excitación en los centros de reacción (PSII y PSI): La luz también afecta en la expresión de los genes: La luz regula la expresión y la fotoaclimación de los genes nucleares va a determinar cómo funcionan los orgánulos, a esto se le conoce como regulación retrógrada: regulación de la expresión génica nuclear por el cloroplasto y la mitocondria. 4. Radiación UV-B. Un tipo especial de respuesta frente a la luz es la que tienen las plantas frente a la radiación UV-B. El estudio de la radiación UV-B es relativamente reciente y se ha determinado su posible efecto como una señal medioambiental que permita a la planta aclimatarse o tolerar los cambios ambientales (estresor o agente estrenaste). 116  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología Hay una complicada retroalimentación entre el agotamiento de ozono y el cambio climático que esta implicada en las respuestas de las plantas a radiaciones UV: La radiación Ultravioleta-B cuando está en valores relativamente bajos puede causar eustrés (mecanismos que permite a las plantas adaptarse a los cambios medioambientales) y una señal reguladora que tiene utilidad en la agricultura para mejorar la productividad de cultivos La radiación UV-B es un parámetro ambiental dinámico por que cambia a lo largo del día, de las estaciones y de la zona geográfica: - Variaciones predecibles (hora del día, latitud o altitud). - Variaciones menos predecible (variación ligada al sombreado de la planta, contaminación atmosférica o condiciones meteorológicas). Radiación UV-B es un estresante “potencial” del daño oxidativo raro en plantas sanas bajo condiciones ambientalmente adecuadas. Hay un fotorreceptor UV-B específico, los flavonoides, y hay vías de señalización específicas (expresión de cientos de genes). Las plantas que toleran la exposición a radiación UV-B pueden aumentar su tolerancia a otros factores. La exposición a múltiples factores de estrés aumenta el estrés o tolerancia cruzada y genera una respuestas de aclimatación inducidas por UV: eliminación mejorada de ROS, ajustes morfológicos, fisiológicos y bioquímicos. La radiación UV (UV-B) es perjudicial para el crecimiento y desarrollo las plantas ya que produce daños en material genético y maquinaria fotosintética El material genético sufre ciclos continuos de daño y reparación del daño. Los niveles normales de UV-B inducen la dimerización del ADN, pero se repara rápidamente a través de fotorreparación mediada por fotoliasas. 117  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología Las tasas más altas de fluencia UV-B se producen cerca del ecuador, donde hace más calor y hay sequía. Como se ha comentado anteriormente, la radiación UV-B es un regulador medioambiental que controla procesos celulares, metabólicos, de desarrollo y de protección contra el estrés en plantas.: - Alteración del valor nutritivo, tolerancia a plagas y enfermedades, reproducción sexual, etc. - Puede afectar las relaciones tróficas y a la función de los ecosistemas. - Potencial herramienta valiosa para la agricultura sostenible. La percepción y señalización de radiación UV-B y sus efectos en la expresión génica es la siguiente: a. Las plantas "miden" la radiación UV-B para regular los procesos de defensa y reparación. b. Usan la radiación UV-B como fuente de información sobre su entorno: control de la expresión de una amplia gama de genes (tolerancia al estrés abiótico y/o biótico). c. Algunos genes se expresan de forma transitoria, y otros permanecen activados largos periodos. 118  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología Por otro lado, la producción de metabolitos es una respuesta a UV-B o Metabolitos secundarios: compuestos fenólicos, poliaminas, tocoferoles, glucosinolatos, glucósidos cianogénicos, alcaloides y terpenoides (xantofilas, carotenos y mono y diterpenos),... o Antioxidantes (eliminación de ROS): - enzimáticos (superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa, catalasa y glutatión reductasa). - no enzimáticos (ascorbato, glutatión, carotenoides, fenoles, tocoferoles,...) El aumento de las defensas antioxidantes produce una tolerancia cruzada entre UV-B y otros factores estresantes. También se producen alteraciones morfológicas inducidas por UV-B: § Tolerancia a los rayos UV-B: capacidad celular y/o adaptaciones morfológicas (transmisión epidérmica de rayos UV). § Los niveles de UV-B bajo un dosel cerrado de hojas pueden disminuir hasta en un 98- 99%. § La presencia de mecanismos efectivos de protección frente a UV-B, en una especie particular, puede reflejar adaptación a otros factores distintos a los valores UV-B. 119  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La radiación UV-B es un importante regulador que controla las interacciones ecológicas entre plantas y otros organismos: Puede reducir las infecciones de las plantas por microbios patógenos (agricultura sostenible). Afecta a las relaciones planta-herbívoro. Las plantas criadas bajo UV-B son menos susceptibles a los insectos herbívoros. Muchos fitoquímicos inducidos por UV-B son farmacológicamente activos, nutricionalmente importantes y/o afectan al color, sabor o digestibilidad de los tejidos vegetales. Los terpenos incluyen muchos disuasores y toxinas. La radiación UV-B puede alterar la composición de especies y la diversidad de comunidades de consumidores del dosel. Existen efectos directos o indirectos de la radiación UV-B sobre el éxito reproductivo de la planta: - Puede modular de forma específica los rasgos reproductivos (UVR8) en bajas concentraciones de UV-B o por vías de señalización genéricas en altas concentraciones de UV-B. - Polinizadores y frugívoros: efecto directo por UV-B o indirecto (respuesta de las plantas a UV-B) en mayor o menor medida. 120  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología La radiación UV-B es, por tanto, una señal de protección y para ajustar el crecimiento y el desarrollo a condiciones ambientales muy amplias, por lo que es una potencial herramienta valiosa para la agricultura sostenible 121  Biotecnología de la Respuesta al Estrés Universidad de Almería 4º Biotecnología 122