Interacciones sustrato-planta

1. Interacciones sustrato-planta Mecanismos adaptativos AUTORES Dr. RAMIRO VALDES CARMENATE Dra. MARÍA IRENE BALBÍN ARIAS

2. Radiación solar • Temperatura • Características del cultivo • Fisiología, fenología • Arquitect. del dosel FACTORES QUE LA DEFINEN PRODUCCION POTENCIAL • Agua • Nutrientes • Nitrógeno • Fósforo FACTORES LIMITANTES PRODUCCION ASEQUIBLE Medidas para incrementar los Rend. • Malezas • Plagas • Enfermedades • Contaminantes FACTORES REDUCTORES PRODUCCION REAL Medidas protectoras 1500 5000 10000(kg·ha-1) NIVELES DE PRODUCCION

3. INTRODUCCIÓN La productividad vegetal se influencia por los estreses ambientales. La tolerancia se logra por transferencia de genes que codifiquen proteínas o enzimas desde otros organismos. El interés primordial son los mecanismos moleculares, pero se enmarca dentro de un proceso fisiológico integrado a las funciones celulares. El enfoque se basará en aquellas respuestas que involucran la síntesis de novo de proteínas y que su regulación dependa de ciertas fitohormonas.

4. Estrés medioambiental Conjunto de situaciones desfavorables para el desarrollo y funcionamiento óptimo de las plantas a las cuales se someten las mismas frecuentemente por alteraciones en el medio ambiente.

5. RESPUESTA Cualquier alteración estructural o funcional que se produzca en las plantas como consecuencia de un estrés

6. ADAPTACIÓN Modificaciones heredables que aumentan la probabilidad de que una planta sobreviva y se reproduzca en un ambiente particular ACOMODACIÓN Conjunto de modificaciones transitorias, no heredables que se producen por exposición a un cambio en el medio y que resultan positivas para la supervivencia

7. QUÍMICOS Clasificación de los estreses medioambientales FÍSICOS BIOLÓGICOS

8. SEQUÍA SALINIDAD Estreses abióticos FRIO CALOR ANAEROBIOSIS ILUMINACIÓN

9. Respuestas generales Inducción de la síntesis de ácido abscísico y etileno. También de cierre estomático. Alteración de otros reguladores como: citoquininas, AIA y poliaminas Adaptaciones y alteraciones del ciclo de crecimiento y desarrollo Inducción de senescencia y abscisión

10. PAPEL DE LAS PROTEÍNAS EN CONDICIONES DE ESTRÉS Mantenimiento del metabolismo básico en las células estresadas. Protección de componentes celulares dañados por las condiciones estresantes. Eliminación de los componentes celulares dañados Para el caso especifico de proteínas de estrés: Bloqueo físico de la entrada de agentes estresantes. Provocar la aparición de agentes de estrés biológico (inhibidores y fitoalexinas). Captación de agentes estresantes (quelatos)

11. PROCESOS COMUNES DE RESPUESTA DE LAS PLANTAS (NIVEL MOLECULAR). Percepción de señales ambientales (biofísica o iónica) por un receptor especifico o sistemas sensores. Transducción de las señales por un cambio de procesos que operan directamente sobre el metabolismo o por modificación de la expresión genética. Aparición de una respuesta fisiológica, haciendo el genotipo mas apto para el ambiente corriente.

12. MECANISMOS FRENTE A LAS DEFICIENCIAS NUTRICIONALES I. AUMENTAR EFICIENCIA EN LA TOMA DE NUTRIENTES • Modificar morfología del sistema radical. • Formar asociaciones simbióticas para mejorar transporte. • Aumentar eficiencia en el mecanismo de transporte a través de membranas. • Modificar rizosfera para aumentar disponibilidad de nutrientes (quelatantes, reductores). II. AUMENTAR EFICIENCIA EN UTILIZACIÓN DENUTRIENTES • Aumentar eficiencia en el transporte de nutrientes. • Modificación genética de las especies.

13. COMPONENTES DEL ESTRÉS SALINO Osmótico Iónico Elevada concentración salina Disminuye el Ψ suelo Induce un estrés hídrico en las plantas Componente osmótico de la salinidad

14. PLANTAS QUE SOBREVIVEN A LA SEQUIA ACUMULACIÓN DE SOLUTOS COMPATIBLES AMINOÁCIDOS ( Prolina) POLIOLES (Manitol). AZUCARES (sacarosa, trehalosa). AMINAS CUATERNARIAS (glicin-betaina)

15. Plantas tolerantes Excluyen los iones Cl- y Na+ del citosol, mediante: • Almacenamiento en vacuolas. • Inhibición de su entrada. • Estimulación de su salida de las células. Clasificación Exclusivas: Solo llega a las partes aéreas muy poca cantidad de sal. Inclusivas: Absorben la sal en grandes cantidades y la almacenan en tallos y hojas.

16. EJEMPLO 1995. El secuestro de NaCl en la vacuola: Mecanismo responsable de sobrevivencia de plantas en medio salino. 2001. Plantas de tomate transgénicas por sobreexpresión en Arabidopsis tolerantes a la sal, se cultivaron con concentración de NaCl 20 veces superior a plantas no transgénicas. Las plantas transgénicas incrementaron la cantidad de proteína antiporte y un aumento en la actividad antiporte Na+/H+. Los frutos de estas plantas mostraron bajos contenidos de dichos iones. Se demuestra que la acumulación de iones Na+ en vacuolas, mediado por un transporte antiporte vacuolar Na+/H+, permite a los frutos minimizar el efecto tóxico de la salinidad.

17. Mecanismos de interacción de las sustancias húmicas con las plantas a) Formación de complejos (sistema húmico-metal) (EFECTO INDIRECTO). b)  Acción directa de las sustancias húmicas interactuando con procesos metabólicos (respiración, síntesis proteica) (EFECTO DIRECTO). c) A partir de su actividad parecida a la hormonal (EFECTO DIRECTO). d) Su actividad catalítica: - Hidrólisis del p-nitrofenilacetato.   - Condensación del p-dimetilaminobenzaldehido con hidracina.

18. Efectos de las sustancias húmicas sobre la Productividad Biológica • Alta capacidad de intercambio iónico, retención de agua, alta capacidad buferante, disponibilidad de elementos minerales. • Incrementan actividad germinativa. • Estimulan procesos de formación de órganos, morfología y volumen de órganos.

19. Efectos de las sustancias húmicas sobre la Productividad Biológica • Favorecen el crecimiento vegetal. • Incrementan resistencia al estrés. • Favorecen el balance del metabolismo del carbono. • Favorecen el metabolismo del nitrógeno.

20. Efectos de las sustancias húmicas sobre la Productividad Biológica • Activa participación catalítica (tanto a nivel biológico como con agentes exógenos). • Incrementan permeabilidad de la membrana celular. • Componentes en medios de cultivo para propagación “in vitro”. • Acortamiento de fase de aclimatación.

21. Efectos de las sustancias húmicas sobre la Productividad Agrícola • Favorecen la calidad del fruto. • Incrementan volúmenes de producción. • Minimizan la aparición de elementos contaminantes (metales pesados) en los productos de la cosecha. • Contrarrestan la acción contaminante de herbicidas y de agentes xenobióticos orgánicos. • Disminución del tiempo de cosecha. • Disminución del costo de producción de vitroplantas.

22. IMPACTO AMBIENTAL RESTAURACIÓN ECOLÓGICA Algunos autores la dividen en: • Restauración. • Rehabilitación. • Reacondicionamiento. • Recuperación ecológica. • Bioremediación. Diferentes procesos para recuperar ambientes degradados con metales pesados (por ejemplo el suelo) • Remoción del suelo y resguardo en un sitio. • Lavado del suelo. • Métodos electrocinéticos. • Bioremediación . • Fitoremediación.

23. Remediación Aplicación de técnicas a corto y mediano plazo para sanear zonas contaminadas por sustancias tóxicas (metales pesados, hidrocarburos poliaromáticos (HPA) aislándolas hasta lograr la dilución, fragmentación o reconversión de los contaminantes en sustancias inocuas; o transformarlas en sustancias con menor toxicidad, utilizando microorganismos u otras sustancias químicas. Posteriormente, unas vez saneadas esas zonas, pasen a ser de protección y hasta de recreación. BIOREMEDIACIÓN Utilización de organismos vivos o sus enzimas para remover, neutralizar o descomponer compuestos orgánicos o inorgánicos, que pueden ser dañinos para la biota de ecosistemas acuáticos o terrestres. Puede emplearse in situ o transportar el suelo hacia un sitio donde se hace el tratamiento. Pueden también emplearse medios biotecnológicos. Se basa en la capacidad del microorganismo para bioacumular el metal, oxidarlo o reducirlo, o transformarlo a formas orgánicas.

24. FITOREMEDIACIÓN Representa el uso de pastos, hierbas o arbustos, carrizos, lirios, lechuga de agua, para que a través de sus sistemas de raíces extraigan las sustancias tóxicas y luego este material vegetativo se concentre en sitios de deposición segura, se incineren, o se utilicen en otros procesos de transformación química para la recuperación de metales pesados. Ventajas • Técnica económica. • Conservación del suelo superficial. • Previene la migración y lixiviación de compuestos tóxicos por el movimiento de agua en el suelo. • Tecnología en proceso de desarrollo.

25. FITOREMEDIACIÓN Técnicas • Rizofiltración. (Contaminantes • inorgánicos) • Fitoestabilización. • Rizodegradación. • Fitodegradación.(Contaminantes • Orgánicos) • Fitovolatilización.

26. ESPECIES VEGETALES ACUMULADORAS Planta ACUMULADORA de un elemento • Aquella que lo contiene en un valor de concentración que no afecta su desarrollo y que a su vez ocasiona toxicidad para otras especies. • Su contenido promedio del elemento en un tejido, es mucho mayor que el contenido de la fracción fina del suelo. • Incrementan la concentración de un elemento en su tejido, incluso en suelos o sustratos que tengan baja cantidad del elemento.

27. ESPECIES VEGETALES ACUMULADORAS Planta HIPERACUMULADORA • Son especies que contienen en sus tejidos una concentración mayor al 0.1% de Ni, Pb, Cu, Co. • Tienen la posibilidad de ser utilizadas como un medio para recuperar ambientes contaminados. • Son especies raras, ubicadas en áreas remotas, contribución muy restringida y en zonas afectadas por actividad minera. • Poseen baja producción de biomasa.

28. MECANISMOS FISIOLÓGICOS Presentan mecanismos fisiológicos que les evite enfrentar valores altos de concentración de elementos que son tóxicos para otras especies. Exclusión: Transporte del metal al interior de la planta disminuye, es limitado. bLa planta permite acumulación del metal, pero en una forma que no ocasione efectos tóxicos para la misma. Respuestas dependientes de: • Factores de adaptación ambiental (pH, potencial redox, minerales en el suelo, clima). • Factores genéticos.

29. CARACTERTISTICAS DE LAS ESPECIES VEGETALES • Profundidad de penetración de raíces. • Tasa de crecimiento y rendimiento. • Potencial para evapotranspirar desde el agua freática. • Capacidad para producir enzimas que puedan degradar a contaminantes. • Capacidad para acumular los contaminantes. La DISPONIBILIDAD del elemento tóxico depende de: • Capacidad para formar complejos con la materia orgánica. • Posibilidad de que sea adsorbido en la superficie de arcillas. • Formar compuestos con baja disponibilidad (sulfuros, carbonatos, fosfatos). • Poder coprecipitar en otros minerales.

30. Mecanismos generales de Fitoremediación • Bloquear la entrada de elementos tóxicos en las células. • Secuestro intracelular de los metales por asociaciones proteína-metal. • Conversión enzimática del metal a su forma menos tóxica. • Sistemas de eflujo para cationes y aniones codificados por genes de resistencia.

31. Fijación simbiótica de nitrógeno Leguminosae Rhizobium Bradyrhizobium Sinorhizobium Photorhizobium

32. REQUERIMIENTOS • LA ENZIMA NITROGENASA • PODER REDUCTOR • ATP y Mg 2+ • BAJO O CASI CERO NIVEL DE OXÍGENO • ELIMINACIÓN EFICIENTE DEL AMONIO LIBERADO

33. Bacterias en el interior de la caña Boddey et al., 1991 • Acetobacter diazotrophicus • Herbaspirillum seropedicae • Herbaspirillum rubrisubalbicans Brasil: La caña de azúcar puede obtener entre el 60 y el 80% del nitrógeno que necesita a partir de la contribución de la FBN

34. Acetobacter diazotrophicus Cepa de caña de azúcar Cepa tipo

35. Algunas características del Acetobacter diazotrophicus • Bacteria microaeróbica, Gram negativa, que acidifica el medio por formación de Acido acético. • Crecimiento óptimo con 10% de sacarosa pero mantiene el crecimiento en medios de hasta 30% de sacarosa. • pH óptimo de 5,5 puede fijar a pH = 2,5. • Presenta una mayor tolerancia al O2 que algunas otras bacterias como Azospirillum spp. Continúa fijando N2 dentro de la planta aún si la pO2 no es mucho más baja que la del aire.

38. Aislado 9C • Bacteria nitrofijadora que vive en el interior del tallo con características diferentes de todos los endófitos diazotróficos reportados en este cultivo. • Crece en condiciones de cultivo que pueden ser estrés para otros microorganismos. (420C); (pH 9,5); (30% de sacarosa); (10% de NaCl) • El mayor valor de actividad nitrogenasa se obtiene con 5 % de sacarosa. • Producción de hidrógeno 10 veces superior a la del Gluconacetobacter diazotrophicus.

39. Transformación genética de microorganismos fijadores de nitrógeno Introducción del gen de la Green Fluorescent protein (GFP) 9CTc Expresa Fluorescencia en Luz UV Resistencia a la tetraciclina

40. 9CTc creciendo en medio líquido Dygs con Tetraciclina 9CTc 9CTc 9CTc

41. Base del Tallo en plantas de caña de azúcar micropropagadas inoculadas con 9C transformado.

42. Base del tallo 100x inmersión

43. INGENIERIA METABÓLICA Requiere de una guía a partir de aproximación interactiva NECESITA Estimaciones in vivo de flujos metabólicos Tamaño del pool de intermediarios (métodos de trazadores isotópicos).

44. CONDICIONES DEL MODELO • a) Mapa metabólico (síntesis del osmolito). • b) Entrada de datos: • Mediciones del tamaño de los pools intermediarios y productos finales. • Cálculo de velocidades de flujos • (marcaje radiactivo). • c) Ajuste de datos al mecanismo descrito. • d) Terminación interactiva por variación • de las velocidades de flujo y tamaño del pool.

45. POTENCIALIDAD DE LOS MODELOS PREDECIR EL IMPACTO DE UNA MODIFICACIÓN SOBRE EL FLUJO DEL MECANISMO (insertar un transgene para regular desde fuera una etapa en la vía)

46. HORMONAS a)Se produce en una parte de un organismo, y como mensajero, se mueven a otras partes para inducir cambios en crecimiento y desarrollo. b)Los cambios se inducen a través de alteraciones en las concentraciones y en el balance entre las diferentes hormonas en el órgano afectado. ACCIÓN HORMONAL COMO SISTEMA DE RESPUESTA. 1)La hormona debe ENCONTRARSE en cantidad suficiente en las células adecuadas. 2)La hormona debe ser RECONOCIDA y CAPTURADA por las células blanco, a partir de proteínas receptoras (membrana plasmática). 3)La proteína receptora debe causar algún otro cambio metabólico que conduzca a la AMPLIFICACIÓN de la señal o el mensajero hormonal.