FISIOLOGÍA DE LAS PLANTAS FRENTE AL ESTRÉS HÍDRICO-MONOGRAFÍA

FISIOLOGÍA DE LAS PLANTAS FRENTE AL ESTRÉS HÍDRICO

INTRODUCCIÓN

La mayoría de los autores usan el término de “estrés vegetal” en un sentido muy amplio, lo cual justifica establecer una unificación del concepto de estrés vegetal. Esto es correcto ya que una multitud de agentes de estrés con diferentes modos de acción pueden inducir, además de efectos muy específicos, una respuesta igual o muy similar en la planta. Las plantas no tienen muchas posibilidades de respuesta ante un estrés, pero además de una aclimatación específica, responden en general con un crecimiento o respuesta de adaptación del tipo alta-luminosidad o baja-luminosidad. De la literatura se desprende, sin embargo, que varios autores consideran casi cada pequeña modificación y cambio de vías metabólicas, respuestas de crecimiento y patrones de desarrollo de la planta como respuestas y efectos del estrés. En este sentido, los términos “estrés vegetal” y “respuesta al estrés” son exagerados. El término estrés no debería aplicarse a meros y rápidos reajustes del flujo metabólico, por ejemplo a la tasa fotosintética o de respiración o transpiración inducidos por cambios en la densidad de flujo fotónico (luz de sol  «  nubosidad), una disminución en la temperatura o un incremento en la humedad del aire. Las plantas están aclimatadas a tales disparadores del metabolismo celular y actividades fisiológicas que ocurren frecuentemente y responden de manera flexible a las condiciones ambientales cambiantes. Además, los cambios diurnos en las actividades metabólicas, patrones de crecimiento y división celular que se encuentran regularmente en los cambios día - noche en el atardecer y noche - día en la mañana, no representan efectos de estrés, y pueden ser considerados como una reordenación en las actividades metabólicas y de crecimiento de acuerdo a la ocurrencia de ciertos procesos metabólicos preferentemente durante el día o la noche. Además, las plantas no sólo responden a cambios ambientales mediante una rápida aclimatación, sino por adaptaciones particulares a largo plazo, por ejemplo el tamaño y grosor de la hoja, la densidad estomática, la estructura y función de los cloroplastos, los niveles enzimáticos ya sea con alta o baja luminosidad durante el crecimiento. De acuerdo con el tipo y naturaleza de las aclimataciones, éstas pueden tener lugar entre 1 o 2 días hasta una semana. Con tales respuestas de adaptación las plantas pueden evitar los límites impuestos por el estrés y adaptarse de una manera óptima a condiciones ambientales nuevas y cambiantes.

Las plantas a menudo están expuestas a eventos de estrés repentinos o a largo plazo los cuales reducen la actividad celular y el crecimiento de las plantas al mínimo, a pesar de su capacidad para una rápida aclimatación de los flujos metabólicos y otros tipos de respuestas de adaptación más lentas así como ciertos mecanismos de tolerancia al estrés. Esto puede llevar a un daño severo y eventualmente causar la muerte celular si los mecanismos para enfrentar o reparar el estrés se ven demasiado exigidos. Existen muchos factores naturales o antropogénicos de estrés los cuales, dependiendo de su intensidad y duración, pueden causar daño a las plantas. Los factores de estrés también pueden ser clasificados como bióticos o abióticos. Con el fin de diferenciar entre respuesta regular de aclimatación y adaptación, por un lado, y efectos del estrés, factores causantes de estrés y limitaciones impuestas por el estrés, por otro lado, se necesita un concepto unificado general de estrés vegetal. En los pasados 60 años, los conceptos de estrés vegetal han sido sucesivamente desarrollados por varios autores. Este concepto parece ser apenas conocido por la comunidad botánica, aunque el término estrés está siendo usado en el presente en muchas publicaciones.

FISIOLOGÍA DE LAS PLANTAS FRENTE AL ESTRÉS HÍDRICO

DEFINICIÓN DE ESTRÉS VEGETAL

H. Selye (1936, 1956) desarrolló el concepto general de estrés para organismos vivos, que puede ser resumido en los 2 conceptos siguientes: “Todos los agentes pueden actuar como estresantes, produciendo estrés y una acción específica” y “Existen respuestas específicas y respuestas generales no específicas para cada estrés”. J. Levitt (1980) definió estrés como: “Cualquier factor ambiental potencialmente desfavorable para los organismos vivos”.

Sobre la base de varias observaciones en plantas, y también bajo la inclusión del concepto original de resistencia a la sequía de Stocker (1932 y 1947), el ecofisiólogo vegetal Larcher (1987) resumió el concepto de estrés vegetal y enunció que “Todos los organismos experimentan estrés, aunque el camino mediante el cual lo expresan difiere de acuerdo a su nivel de organización”. A partir del punto de vista botánico, él describió estrés como “un estado en el cual las demandas crecientes sobre una planta tienden a una desestabilización inicial de las funciones, seguido por una normalización y resistencia mejorada” y también “Si se exceden los límites de tolerancia y la capacidad de adaptación se satura, el resultado puede ser un daño permanente e incluso la muerte”. Larcher (1987) manifestó que “el estrés contiene elementos destructivos y constructivos y que es un factor de selección como así también una fuerza conductora para mejorar la resistencia y evolución adaptativa.”.

CONCEPTO DE ESTRÉS EN FÍSICA Y BOTÁNICA

De acuerdo con la definición física, los significados de los términos estrés, tensión y daño son los siguientes:

·         Estrés: es un estado de la planta bajo la condición de una fuerza aplicada (causa)

·         Tensión o deformación: es la respuesta al estrés y a la fuerza aplicada a la planta (esto es la expresión o efecto del estrés antes del daño).

·         Daño: es el resultado de un estrés demasiado alto, el cual ya no puede ser compensado.

xEn botánica y fisiología vegetal, el término tensión se usa raramente y a menudo no se conoce. Tensión normalmente se conoce como respuestas al estrés. Sobre la base del concepto de estrés en física, queda claro que puede haber estrés y tensión en plantas, y que un daño no necesariamente ocurre aún cuando la planta sufre largos períodos de estrés y continua tensión. Con una tensión específica (y limitada vitalidad) la planta puede sobrevivir también bajo continuas limitaciones por estrés, aunque lo hace con actividades metabólicas y tasas de crecimiento muy reducidas. Por ejemplo, en la Northen Black Forest en Herrenalb, un pino (Pinus silvestris L.) de 170 años de edad crece en el portal y paredes de la iglesia de un monasterio Románico primitivo, aproximadamente 4 m sobre el suelo, pero sus raíces se encuentran solamente en las rocas de esta pared, hasta 2 m sobre el suelo y no tienen acceso al suelo ni al agua. Por lo tanto, bajo continuo estrés, (principalmente estrés hídrico) y tensión, este pino funcionó de manera tal que creció hasta los 9 m de altura en los 170 años y visualmente aparece como un árbol totalmente intacto y sano. Las limitaciones del crecimiento debido a esta ubicación están documentadas por muchas menos agujas en el año, tanto como por ramificaciones más cortas y finas, en comparación con pinos que crecen en mejores condiciones. La reducción del área de la hoja o aguja, o sea de la superficie de transpiración, es uno de los principales mecanismos para superar el estrés hídrico que se ha encontrado en árboles de hoja ancha y coníferas.

LAS DIFERENTES FASES INDUCIDAS POR EL ESTRÉS

En base al concepto original de estrés de Selye (1936,1956) y tomando en cuenta los resultados de Stocker (1932, 1956), uno debe diferenciar tres fases en las respuestas de las plantas al estrés, a las cuales ha sido agregada una cuarta respuesta por Lichtenthaler (1988). Antes de la exposición al estrés las plantas se encuentran en una situación fisiológica estándar, la cual es un óptimo dentro del conjunto de límites impuestos por las condiciones de crecimiento, luz y aporte de minerales del lugar. Los agentes estresantes o eventos complejos de estrés tenderán a las tres fases de respuesta y, por último, a la fase de regeneración, luego de quitar el agente de estrés, si el daño no ha sido demasiado severo. Las siguientes son las cuatro fases consecutivas:

1.    Fase de respuesta: reacción de alarma ( Al principio del estrés)

•      Desviación de la norma funcional

•      Disminución de la vitalidad

•      Los procesos catabólicos exceden el anabolismo

2.    Fase de restitución: estado de resistencia (Continúa el estrés)

•      Proceso de adaptación

•      Proceso de reparación

•      Rustificación (reactivación)

3.    Fase final: estado de agotamiento (estrés a largo plazo)

•      Intensidad del estrés demasiado alta

•      Sobrecarga de la capacidad de adaptación

•      Enfermedad crónica o muerte

4.    Fase de regeneración: regeneración parcial o completa de la función fisiológica cuando el agente estresante desaparece y el daño no fue demasiado grave.

Al comienzo del estrés las plantas reaccionan con una disminución de varias funciones fisiológicas, tales como el funcionamiento de la fotosíntesis, transporte y acumulación de metabolitos y/o absorción y translocación de iones. Debido a esta disminución de las actividades metabólicas, las plantas se desvían de su fisiología estándar normal y declina su vitalidad. En las plantas que no poseen mecanismos de tolerancia al estrés o cuyos mecanismos de tolerancia son escasos, rápidamente ocurrirá daño agudo, por lo tanto tendrán una resistencia mínima baja (figura 2).

Durante esta fase de alarma la mayoría de las plantas activarán, sin embargo, sus mecanismos de enfrentamiento al estrés mediante aclimataciones rápidas de sus flujos metabólicos y por activación de sus procesos de reparación y adaptaciones metabólicas y morfológicas a largo plazo. Esta fase también se conoce con el nombre de síndrome de alarma general (SAG). El SAG también puede valer para el síndrome de aclimatación general o síndrome de adaptación general. Los procesos de reparación y adaptaciones no solamente tenderán a la restitución de las funciones fisiológicas previas sino también a una rustificación de las plantas mediante el establecimiento de un nuevo estándar fisiológico. Este es un estado óptimo de fisiología o nuevo estándar fisiológico bajo las condiciones ambientales cambiadas, el cual corresponde al máximo de resistencia de las plantas (Figura 2).

Ante un largo período de estrés y una dosis que provoca una sobrecarga de los mecanismos de enfrentamiento al estrés, el estado de agotamiento (fase final) muestra de qué manera la fisiología y vitalidad se pierden progresivamente. Esto causa daño y finalmente muerte celular. Sin embargo, cuando los agentes de estrés se quitan en el momento justo antes de que el proceso de senescencia se torne dominante, las plantas se regenerarán y ajustarán a nuevos estándares fisiológicos (fase de regeneración). El momento y estado de agotamiento en que los agentes estresantes se remueven define el nuevo estándar fisiológico hacia el cual se moverán las plantas, entre el mínimo y máximo de resistencia (Fig. 2).

El período que la planta permanezca en el nuevo estándar fisiológico depende de factores externos e internos. En plantas a campo, este es definitivamente no demasiado largo. Los cambios endógenos en el programa de desarrollo de las plantas siempre han estado asociados con cambios en su programa fisiológico y actividad, lo cual resulta, nuevamente, en un nuevo estándar fisiológico. Además, los siguientes eventos de estrés se harán visibles rápidamente y estos requieren nuevamente una reordenación del estándar fisiológico de la planta a un nuevo “óptimo” dentro del conjunto de posibilidades limitadas por las restricciones del estrés. Uno podría pensa que la exposición de las plantas al estrés es un evento común, que puede ocurrir diariamente, ya que existen muchos agentes que causan estrés, los cuales a menudo actúan simultáneamente. Por lo tanto, el estrés y la tensión son eventos rutinarios en la vida de una planta. El hecho de que la planta se encuentre bajo estrés y tensión continuos, sin embargo, no significa que necesariamente deba ocurrir un daño. Si el estrés no es demasiado largo en duración o alto en intensidad, las plantas se orientarán ellas mismas dentro del rango marcado por el máximo y mínimo de resistencia (Fig. 2), y en tales casos los síntomas de daño no se detectan. Con respecto a tales hallazgos se debe diferenciar entre la detección del estrés y la tensión por un lado y la detección de síntomas claros de estrés por otro lado. Ambos procesos pueden requerir diferentes métodos de detección, ya que los métodos de detección de daños pueden no permitir controlar el estrés y la tensión en plantas. Si se quiere tener medida del estrés y tensión con el fin de evitar daño y garantizar un crecimiento y rendimiento óptimos, no se debe esperar hasta que los síntomas de daño se detecten visualmente, sino responder mucho antes. Esto requiere una detección temprana del estrés y la tensión es plantas.

EL AGUA EN LAS PLANTAS

El agua es la molécula esencial para la vida; en las plantas constituye típicamente del 80 al 95% de la masa de los tejidos en crecimiento y desempeña varias funciones únicas.

Es el solvente más abundante y mejor conocido y, como tal, permite el movimiento de moléculas dentro y entre las células. Debido a sus propiedades polares, tiene gran influencia en la estructura y la estabilidad de moléculas tales como proteínas, polisacáridos y otras (Kirkham, 2005). Igualmente, la expansión celular y la integridad fisicoquímica de la pared dependen del agua. Una lista de los procesos que son regulados por el volumen celular y la hidrodinámica incluyen, además de los mencionados, crecimiento y proliferación, exocitosis, endocitosis, cambios en la forma celular, señalización de hormonas, metabolismo, excitabilidad, migración celular, obtención de nutrientes, filtración de desechos, necrosis y apoptosis (Wehner et al., 2003; Zonia y Munnik, 2007). Teniendo en cuenta la gran importancia del agua en las plantas, se puede considerar que una cantidad limitada o excesiva de agua para estas constituye un factor inductor de situaciones adversas o estresantes.

La regulación final de la osmolaridad, la tensión de la membrana y la presión hidrostática es critica para el funcionamiento celular. El agua viaja desde las zonas donde el potencial hídrico es mayor (menos negativo) hacia las zonas donde este es menor (mas negativo). El potencial hídrico se define según la ecuación: Ψw = p - s donde “Ψw” es el potencial hídrico; “p” es la presión de turgor o la fuerza hidrostática ejercida en la célula vegetal contra la pared celular y es de signo (+), y “s” es la presión osmótica, que es una medida de la concentración de los solutos (Taiz y Zeiger, 2006). La interacción del agua con los solutos disueltos en esta tiene un efecto negativo sobre el Ψw, ya que disminuye la cantidad de agua libre disponible en el sistema, por lo que se resta en la ecuación (Nilsen y Orcutt, 1996). La reducción en el valor del Ψw, consecuencia de la interacción del agua con los materiales insolubles y las paredes, define al potencial mátrico, que no aparece en la ecuación por haberse comprobado empíricamente que su contribución al valor del Ψw es despreciable en la mayoría de los casos. El turgor es, según la ecuación, directamente proporcional al potencial hídrico. La principal fuerza motora que impulsa al agua en su viaje a la parte aérea es la perdida de agua en las hojas por transpiración. Esto supone que las hojas son los órganos de las plantas que presentan los potenciales hídricos más negativos (Zyalalov, 2004).

ESTRÉS HÍDRICO Y RESPUESTAS DE LAS PLANTAS

El estrés por déficit hídrico o por sequía se produce en las plantas en respuesta a un ambiente escaso en agua, en donde la tasa de transpiración excede a la toma de agua. El déficit hídrico no solo ocurre cuando hay poca agua en el ambiente, sino también por bajas temperaturas y por una elevada salinidad del suelo. Estas condiciones, capaces de inducir una disminución del agua disponible del citoplasma de las células, también se conocen como estrés osmótico

(Levitt, 1980).

De acuerdo con los requerimientos de agua, las plantas pueden ser consideradas como hidrofitas si están adaptadas a vivir total o parcialmente sumergidas en el agua (en general no toleran potenciales hídricos más negativos de -5 a -10 bares); como mesófitas si están adaptadas a un aporte moderado de agua (en general no toleran potenciales hídricos más negativos de -20 bares) y como xerofitas si están adaptadas a ambientes áridos (en general no toleran potenciales hídricos más negativos de -40 bares) (Nilsen y Orcutt, 1996).

Las plantas a lo largo de su desarrollo experimentan algún grado de estres por deficit hidrico. En los sistemas naturales, un deficit de agua puede ser el resultado de bajas precipitaciones, baja capacidad de retencion de agua del suelo, excesiva salinidad, temperaturas extremas frias o calientes, baja presion de vapor atmosferica o una combinación de estos factores (Nilsen y Orcutt, 1996). Por otro lado, una tercera parte de la superficie del planeta se considera como arida o semiarida, mientras que la mayoria de la superficie restante esta sujeta a periodos temporales de deficit hidrico. De esta manera, el agua constituye el principal factor limitante del crecimiento de las plantas en la tierra, actuando como una fuerza selectiva de primer grado para la evolucion y distribucion de las especies vegetales (Hanson y Hitz, 1982).

Las plantas han respondido al estres hidrico desarrollando evolutivamente adaptaciones tanto a nivel morfológico como anatomico y celular, que les permiten vivir en condiciones de constante estres hidrico (Nilsen y Orcutt, 1996).

Las plantas que son capaces de adquirir mas agua o que hacen un uso mas eficiente de esta podran tener resistencia al estres por sequia. De esta manera, algunas plantas poseen adaptaciones tales como el desarrollo del metabolismo C4

y del metabolismo acido de las crasulaceas o CAM, que les permiten explotar ambientes mas aridos. Asi, en las plantas C4 hay una separacion fisica entre el proceso de asimilacion de CO2, que se produce en celulas del mesofilo y la reduccion de este a carbohidratos que tiene lugar en otro tipo celular especializado (parenquima perivascular) donde se acumula el CO2. En este metabolismo se genera una mayor concentracion de CO2 en las celulas especializadas que puede estar en equilibrio con la atmosfera externa.

Esta elevada concentracion de CO2 en el sitio de carboxilacion de la ribulosa bifosfato resulta en una supresion de la oxigenacion (fotorrespiracion).

El metabolismo acido de las crasulaceas (CAM) consiste en una separacion temporal de la fijacion del CO2 respecto a las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis (Black y Osmond, 2003; Luttge, 2004). El CO2 atmosferico

se acumula durante la noche, cuando la mayor humedad  del ambiente permite tener los estomas abiertos. El CO2 se asimila como acido malico y se almacena en la vacuola. Con  la llegada del dia se cierran los estomas, lo que detiene la

asimilacion de CO2 y previene la perdida de agua (Black y Osmond, 2003). Se metaboliza el acido malico, produciéndose CO2 que, con el ATP y el poder reductor generado en las reacciones luminosas de la fotosintesis, va a ser reducido a carbohidratos en el ciclo de Calvin o ciclo C3 de reducción del carbono (PCR). Además, la alta concentración de CO2 generada en el citoplasma celular reduce la fotorrespiracion drásticamente y por tanto el dano oxidativo.

Las plantas tambien poseen mecanismos de aclimatación que se activan en respuesta a estrés hídrico (Nilsen y Orcutt, 1996). Cuando el deficit hidrico se desarrolla lentamente, se dan cambios en procesos de desarrollo que tienen varios efectos sobre el crecimiento. Uno de principal importancia es la limitacion específica de la expansion foliar. Aunque el area foliar es importante, pues de ella depende la fotosintesis, una rapida expansion foliar puede afectar negativamente

la adaptacion a la poca disponibilidad de agua. Otro proceso que se modifica es el crecimiento radicular. La disponibilidad de agua afecta la relacion entre el crecimiento de la parte aerea y la raiz; la raiz continua su desarrollo mientras que la parte aerea deja de crecer por causa del estres. Asi, las plantas son capaces de continuar el desarrollo de sus raices en busqueda de agua en zonas mas profundas del suelo (Potters et al., 2007; Shao et al., 2008).

Otro mecanismo de resistencia a nivel fisiologico es el cierre de estomas, ya que estos son los responsables de la mayor proporcion de perdida de agua en las plantas (Taiz y Zeiger, 2006). El proceso de cierre de los estomas, cuando el mesofilo comienza a sufrir deshidratacion, esta regulado por el acido abscisico (ABA) (Leung y Giraudat, 1998). El contenido de ABA en la hoja se incrementa debido a la descompartamentalizacion y redistribucion desde los cloroplastos de las celulas del mesofilo y a la sintesis y transporte desde las raices, siendo liberado al apoplasto para llegar a las celulas guarda a traves de la corriente de transpiracion (Zhang y Outlaw, 2001). Esta fitohormona produce una perdida de iones K+ (calculada en 4-8 veces de disminución, desde 400-800 mM hasta 100 mM) y de aniones Cl- o malato2- en las celulas guarda, que provoca una salida de agua del citoplasma, dando lugar al cierre del estoma (Roelfsema y Hedrich, 2002).

A nivel celular, otra respuesta de resistencia es el ajuste osmótico, que consiste en una disminución del potencial hídrico en los tejidos vegetales, lo cual tiene como consecuencia la entrada de agua y, por tanto, no se presenta una disminución en el turgor o en la productividad fotosintética. El ajuste osmótico se da en las plantas a través de la biosíntesis de osmolitos organicos de bajo peso molecular y por la acumulación de iones, fundamentalmente K+ (Cushman, 2001). En general, las enzimas son sensibles a las altas concentraciones de iones, como el Na+. La acumulación de iones durante el ajuste osmótico ocurre principalmente en la vacuola, mientras que en el citoplasma se acumulan solutos que no afectan negativamente la funcionalidad de macromoléculas celulares (Buchanan et al., 2000). Estos solutos son moléculas orgánicas de bajo peso molecular  (osmolitos) como polioles (azucares), metilaminas, aminoácidos libres y derivados de aminoácidos. Diferentes tipos de organismos como plantas, bacterias, hongos y animales presentan osmolitos compatibles que se caracterizan por no alterar la estructura y función de las macromoléculas, cuando se acumulan en altas concentraciones. Se propone que estos osmolitos compatibles no interaccionan con sustratos y cofactores enzimáticos, ni afectan negativamente las interacciones entre las macromoléculas y el solvente (Yancey et al., 1982). La acumulación de osmolitos compatibles tambien tiene como consecuencia la osmoproteccion, que está dada por la capacidad estabilizadora de algunos de estos solutos sobre macromoleculas como las proteínas y los sistemas de membrana celulares. La sobre-expresion de este tipo de compuestos ha sido usada para proteger a las plantas de los efectos causados por el estrés osmótico, obteniéndose resultados positivos en varias especies.

Una respuesta molecular de las plantas al estrés, y quizá una de las mas importantes, es la modificación de la expresión de genes. Durante el déficit hídrico, diferentes tipos celulares responden incrementando o disminuyendo la expresión de algunos genes. Igualmente, se ha visto que muchos genes que no se expresan en condiciones de irrigación óptima pueden empezar a hacerlo bajo déficit hídrico.

Como parte de esta respuesta molecular de las plantas al déficit hídrico se ha determinado la acumulación de proteínas nuevas utilizando electroforesis uni y bidimensional (Bray, 1993). De otro lado, se han realizado estudios de rastreo diferencial de bibliotecas génicas hechas a partir de plantas estresadas y plantas bien irrigadas. Esto ha llevado a la clonación y al análisis de muchos de los genes obtenidos a partir de estos rastreos (Skriver y Mundy, 1990; Bray, 1993). Igualmente, el análisis de la expresión de genes en diferentes mutantes afectadas en la respuesta al déficit hídrico como las aba (bloqueadas en la síntesis de ABA)

y las abi (insensibles a ABA) ha permitido identificar varios genes importantes en dicha respuesta. Una estrategia relevante en la identificacion de genes relacionados con el estrés hídrico está basada en los ESTs (Expressed Sequence

Tag) generados en diferentes librerias de cDNA, obtenidas a partir de tejidos sometidos a tratamientos de deshidratación.

Otras aproximaciones recientes, como la PCR en tiempo real y los micro y macroarreglos, han permitido el analisis simultaneo de miles de genes en tejidos de plantas control y estresadas en diferentes estados de desarrollo (Chen et al., 2002; Oh et al., 2005; Sreenivasulu et al., 2006). El principal objetivo de estos estudios fue entender el estrés hídrico a nivel molecular y hallar los genes que son importantes para la tolerancia al mismo, los cuales han desempeñado un papel, sin duda relevante, en la adaptación de las plantas a dicho estrés. La respuesta de las plantas a diferentes tipos de estrés generalmente incluye la alteración en la expresión de proteínas. Estos cambios generalmente están relacionados con el aumento o la disminución de la expresión de genes específicos, y dependen de la naturaleza, duración y severidad del estrés. Aquí se revisaran aquellas que se aumentan durante la condición de estrés, ya que aunque la disminución de proteínas particulares puede tener un significado fisiológico importante, la mayoría de investigaciones se enfocan en las que se aumentan durante el estrés porque se cree que puedan tener una función adaptativa o de protección a dicha condición. Entre las más importantes por su efecto protector potencial estan las proteinas LEA (Late Embriogenesis Abundant Proteins), las involucradas en las vias de síntesis de los osmolitos y las que funcionan como antioxidantes (Bray, 1997; Zhu et al., 2002; Bartles y Kotchoni, 2003).

Un grupo grande de genes que se inducen por estrés osmótico corresponde a los genes que codifican para las proteínas LEA (Baker et al., 1988; Mundy y Chua, 1988; Dure et al., 1989). La expresión de estos genes en condiciones de estrés ha sido asociada a la protección de la integridad celular y al mantenimiento de la homeostasis iónica. Las LEA son varias familias de proteínas que se acumulan en altos niveles durante la etapa madura de la embriogenesis, justo antes del inicio de la desecacion de la semilla. Algunas de ellas tambien se acumulan en tejidos vegetativos en respuesta al estres osmotico generado por diversos agentes ambientales (deshidratacion, salinidad, frio y congelamiento) (Galau et al., 1986; Baker et al., 1988; Bray, 1993). Durante el desarrollo embrionario, y en la gran mayoria de los casos indicados para diferentes tipos de estres medioambiental, la induccion de la expresion de los genes lea esta mediada por el ABA. Esta fitohormona es capaz de inducir precozmente la expresion de dichos genes en embriones inmaduros o en tejidos vegetativos no estresados cuando se aplica exógenamente (Dure III, 1993). Las proteinas LEA son proteínas altamente hidrofilicas, ricas en glicina y en aminoácidos cargados que se caracterizan por no tener una estructura globular, y ser, por tanto, resistentes a la coagulacion por efecto de las altas temperaturas (Dure III, 1993). Las proteínas LEA se agrupan en varias familias o grupos de acuerdo con la homologia en la secuencia de   aminoacidos, y fueron descritas primeramente por Dure en algodon (Ingram y Bartels, 1996; Colmenero-Flores et al., 1997).

Se ha propuesto que las proteinas LEA protegen proteínas y membranas del dano debido a la deshidratacion. El agua, como resultado de su constante dielectrica, mantiene in vivo la estructura de proteinas y fosfolipidos, y es posible que proteinas tales como las LEA D-11 y D-13, las cuales forman una estructura en “random coil” (aminoácidos orientados al azar), sustituyan el agua y mantengan la estructura de proteinas y membranas en ausencia de esta. Para proteinas tales como la D-29, que pueden formar hélices anfifilicas, se ha propuesto que puedan actuar como trampas de iones, secuestrando iones que estan concentrados durante la desecacion (Baker et al., 1988). Aunque estas funciones no se han probado, existe evidencia circunstancial que sugiere su papel como protectoras en diferentes tipos de estres. Se ha obtenido evidencia directa del papel de, al menos, algunas de estas proteinas en la tolerancia a la sequia, como es el caso de la Em de trigo, una proteína altamente hidrofilica, perteneciente al grupo 1, la cual fue sobre-expresada en levadura y confirio resistencia contra diferentes tipos de estres osmotico (Swire-Clark y Marcotte, 1999). Otro ejemplo es el de la proteina LEA del grupo 3, la HVA1 de cebada, que al ser sobre-expresada en plantas de arroz confiere resistencia a estres hidrico y salino (Xu et al., 1996). Esta misma proteina, al ser expresada en levadura, confiere resistencia a estres salino y a congelamiento (Zhang et al., 2000). Otras dos proteinas fueron expresadas en levadura, la LE25 de tomate, perteneciente al grupo 4, que confiere resistencia a estres salino y por frio (Imai et al., 1995) y la LE4 perteneciente al grupo 2, que  confiere resistencia a estres salino y a congelamiento (Zhang et al., 2000). Los datos obtenidos a partir de la sobre-expresión de estas y otras proteínas LEA apoyan la hipótesis de que diferentes proteínas LEA desempeñan un papel importante en la protección contra la deshidratación celular (Wang et al., 2006).

Aun cuando la mayoría de los genes lea se expresan en plantas sometidas a diferentes condiciones de estrés, se ha encontrado que algunos genes lea se expresan en diferentes órganos vegetativos durante el desarrollo normal de las plantas (Yamaguchi-Shinozaki y Shinozaki, 1993; Iwasaki et al., 1995; Rouse et al., 1996; Colmenero-Flores et al., 1999, Moreno-Fonseca y Covarrubias, 2001). Su función en estas condiciones se desconoce.

Los osmolitos son compuestos que representan una función importante en el ajuste osmótico, y protegen a las células de las especies reactivas de oxigeno (Pinhero et al., 2001). En muchas plantas durante condiciones de estrés hay una sobre-expresión de las enzimas clave en la biosíntesis de osmolitos como la prolina y otros aminoácidos, las poliamidas y los compuestos cuaternarios de amonio como la glicina betaina, la sacarosa, los polioles, los azucares alcoholes y otros oligosacáridos (Tamura et al., 2003). La acumulación de prolina, además de inducir ajuste osmótico, protege las membranas y las proteínas de la deshidratación, y actúa como desintoxicador de radicales libres. Otros osmolitos como la glicina betaina solo ocurren en algunas plantas superiores, y su síntesis puede ser inducida tanto por estrés hídrico como por estrés salino, por sobre-expresión de las enzimas colina mono-oxigenasa (CMO) y betaina aldehído deshidrogenasa (Nakamura et al., 2001). La glicina betaina ha mostrado proteger enzimas y membranas, así como estabilizar complejos proteína-pigmento del PSII en condiciones de estrés (Papageorgiou y Morata, 1995). La sobre-expresión de estos y otros osmolitos en plantas transgénicas confieren un cierto grado de tolerancia al   estrés hídrico (Cortina y Culianez-Macia, 2005; Ashraf y Foolad, 2007).

Otro grupo de proteínas que se sobre-expresan durante el estrés hídrico son las enzimas antioxidantes que, junto con compuestos no proteicos, detoxifican a las plantas de los radicales libres. Estos radicales como el superoxido y el peróxido de hidrogeno se generan debido a un aumento en la tasa de fotorreduccion del O2 en los cloroplastos (Robinson y Bunce, 2000). Entre las principales enzimas están la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa (CAT), la ascorbato peroxidasa (APX), la peroxidasa (POD), la glutatión reductasa (GR) y la monodehidroascorbato reductasa (MDAR) (Apel y Hirt, 2004). Otro grupo de proteínas que se expresan durante estrés hídrico incluye las de choque término, las proteínas transportadoras de iones y aquellas que permiten el transporte de agua (acuaporinas), las proteasas, las proteínas kinasas, las fosfatasas, las proteínas involucradas en el metabolismo de los fosfolípidos y los factores transcripciones.

El ácido abcísico en la planta: percepción y traducción de señales

El ABA regula dos procesos básicos para el desarrollo de las plantas; uno es la maduración y germinación de la semilla, donde está involucrado en los procesos de adquisición de la dormancia, acumulación de reservas nutritivas y adquisición de la tolerancia a desecación (Busk y Pagés, 1998; Leung y Giraudat, 1998). De otro lado, está involucrado en el proceso de adaptación de la planta a diferentes tipos de estrés ambiental como el frío, la salinidad y la deshidratación. Se ha comprobado que durante estos estreses los niveles de ABA se incrementan en tejidos vegetativos. Esta relación llevó a proponer que el ABA es uno de los mediadores de dichas respuestas (Galau et al., 1986; Zeevaart y Creelmen, 1988; Bray, 1991). Así, los niveles de ácido abscísico en una planta serían determinantes de su comportamiento frente a una condición de estrés. Estos niveles son modulados por un balance preciso entre la biosíntesis y el catabolismo de esta hormona.

La fitohormona ABA es sintetizada a partir del precursor carotenoide C40, por la vía 2-C-metil-d-eritritol-4-fosfato (MEP). La primera enzima relacionada directamente con su síntesis es la 9-cis-epoxicarotenoide dioxigenasa (NCED), la cual está localizada en los plástidos y rompe un precursor epoxi carotenoide para formar xantosina (C15) y un metabolito (C25). La forma biológicamente activa de ABA se produce a partir de cis-xantosina por dos pasos enzimáticos vía aldehído abscísico y es catalizada por AtABA2. La oxidación del aldehído abscísico a ácido carboxílico es el último paso en la biosíntesis del ABA y es catalizado por una abscísico aldehído oxidasa (AAO), la cual requiere un cofactor molibdeno (MoCo) para su actividad catalítica (Cutler y Krochko, 1999; Nambara y Marion-Poll, 2005). Además de esta vía, hay evidencia que sugiere la existencia  de al menos otra vía alternativa menor (Tabaeizadeh, 1998). Se ha propuesto que la NCED es la principal enzima regulatoria debido a que su expresión está correlacionada con los niveles endógenos de ABA (Schwartz et al., 2003).

Adicional a esta regulación, la sobre-expresión de genes que codifican enzimas regulatorias de la vía MEP (1-doexi-Dxylulosa 5-fosfato sintasa), de la biosíntesis de carotenoides (fitoeno sintasa) y del ciclo de las xantofilas (ZEP) causan un aumento en la acumulación de ABA en semillas y plántulas (Marín et al., 1996; Frey et al., 1999; Estévez et al., 2001). Durante el estrés abiótico varios de estos genes están sobre-expresados. En N. plumbaginifolia, L. esculentum y Arabidopsis la expresión del gen zep se induce en raíces por estrés hídrico rápido o progresivo (Audran et al., 1998; Bittner et al., 2001). La inducción de la expresión del gen nced, en condiciones de estrés hídrico, se ha observado en raíces y hojas en varias especies incluyendo P. vulgaris y Arabidospsis. Adicionalmente, la sobre-expresión del gen Atnced3 en plantas transgénicas de Arabidopsis aumentan

los niveles de ABA y la tolerancia a la deshidratación (Tian et al., 2004; Melhorn et al., 2008).

Por vías catabólicas los niveles de ABA activo en las plantas pueden disminuirse por un proceso de degradación y por la conjugación con azúcares. En el proceso de degradación, el ABA es primero hidrolizado a 8´-hidroxi ABA (C-8´), el cual es convertido a ácido faseico. La familia de genes P450 CYP707 de Arabidopsis codifica para las enzimas que catalizan este paso (Kushiro et al., 2004). El análisis de estos genes indica que su expresión está regulada tanto por estrés como por desarrollo. En la otra vía, el ABA es conjugado con la glucosa por una ABA glucosiltransferasa para obtener una forma fisiológicamente inactiva, ABA glucosil ester (Hirayama y Shinozaki, 2007) que es liberada por una β-glucosidasa (BG). En Arabidopsis se determinó que la proteína AtBG1 está involucrada en la regulación de los niveles endógenos de ABA (Hirayama y Shinozaki, 2007). En Arabidopsis se induce la expresión de varios genes cyp70a en respuesta a deshidratación y más aún durante la rehidratación. Igualmente se ha observado que los tratamientos de estrés activan la AtBG1 a través  de polimerización. La liberación del ABA por la AtBG1 es suficiente para inducir la expresión de genes de respuesta a estrés, lo cual sugiere que la AtBG1 contribuye al aumento de los niveles intra y extracelulares de ABA (Hirayama y Shinozaki, 2007).

En muchos casos, las mutantes aba (con reducidos niveles  de ABA endógeno) y abi (insensibles al ABA) han sido usadas para apoyar la hipótesis de que el ABA endógeno regula la expresión génica (Chandler y Robertson, 1994). La mayoría de estas mutantes muestran una excesiva pérdida de agua debido a los defectos en la regulación estomatal, la cual lleva a un incremento en la tendencia a marchitez. Igualmente, genes que se regulan a través del ABA presentan en estas mutantes niveles muy bajos de expresión durante las diferentes condiciones de estrés y durante la embriogénesis (Giraudat et al., 1994).

Recientemente se han descrito varios receptores potenciales de ABA que incluyen una proteína FCA que regula el tiempo de floración (Razem et al., 2006), la subunidad H de una Mg-quelatasa (Shen et al., 2006) y la proteína G (GCR2) acoplada a receptor (Liu et al., 2007). Estudios en los que se ha utilizado el ABA conjugado a una proteína o a un compuesto químico han indicado sitios de reconocimiento para el ABA tanto en la superficie celular como en los espacios intracelulares (Bray, 1997; Finkelstein et al., 2002). La identificación de varios receptores parece consistente con estas observaciones; sin embargo, aún no está claro si estos recetores están involucrados en vías de señalización que modifican las respuestas de las plantas a los estreses ambientales. Después de tratamientos con ABA en las células se acumulan segundos mensajeros como Ca2+ y ácido fosfatidico (PA). Además se han descrito otros segundos mensajeros como las especies reactivas de oxigeno (ROS) (Laloi et al., 2004; Pitzschke et al., 2006) el óxido nítrico y componentes relacionados con los fosfolípidos, como el fosfatidil inositol 3-fosfato y el inositol trifosfato (Hirayama y Shinozaki, 2007). Igualmente hay evidencias que revelan la conexión entre los segundos mensajeros y los componentes de las vías de señalización en respuesta al ABA. Se han identificado dos proteínas fosfatasas de la clase 2C serina/treonina (PP2Cs), la ABI1 y la ABI2, que se han colocado en la parte superior de la vía de transducción. Las mutantes en estos genes, abi1-1 y abi2-1, son denominadas marchitas, carecen de dormancia y tienen una sensibilidad reducida a ABA exógeno respecto a la inhibición de la germinación (Koornneef et al., 1984).

Estas actúan paralelamente a la vía mediada por la adenosin 5’-difosfato ribosa cíclica (cADPR) y el Ca2+ (Himmelbach et al., 1998; Himmelbach et al., 2003). Se ha sugerido que las fosfatasas (PP2Cs) son parte de un mecanismo de control negativo ejercido por un represor que ejerce su control negativo en forma fosforilada y se inactiva al ser desfosforilado por las fosfatasas. En este contexto, la activación de las fosfatasas (PP2Cs) por un incremento en el pH inducido por ABA, lleva a la inactivación del represor y, por tanto, promueve la señalización de la vía de cADPR (Himmelbach et al., 2003). Igualmente se ha encontrado que las especies reactivas de oxigeno como el H2O2 reducen la actividad PP2C de ABI1 y ABI2 in vitro.

Estudios recientes han mostrado una conexión entre la PP2C y una kinasa relacionada a SNF1 (SnRKs), específicamente kinasas tipo SnRK2 y SnRK3. Estudios genéticos y bioquímicos han mostrado la función clave de la SnRK2 en

el movimiento de los estomas, la expresión de genes en respuesta a ABA y las respuestas a ABA durante condiciones de estrés y en la germinación (Johnson et al., 2002; Fujii et al., 2007). Además, OST1, una proteína kinasa que media la regulación de la apertura de los estomas en respuesta a ABA en Arabidopsis, requiere una función normal de ABI1 para su activación dependiente del ABA. La SnRK2s para su activación necesita la fosforilacion en varios residuos Ser/Thr en el lazo P, lo que sugiere que otras kinasas pueden funcionar por encima de la SnRK2s en la vía de señalización de ABA (Kobayashi et al., 2005). Alternativamente estos residuos podrían autofosforilarse, en respuesta a algunos estímulos que activan estas kinasas, y PPC2 podría regular su estado.

Debido a la importancia del Ca2+ como segundo mensajero  en la respuesta a ABA, la función de CDPK en respuesta a ABA ha sido ampliamente estudiada (Cheng et al., 2002). En estudios recientes se identificó la función de CDPK en

la respuesta a ABA al comprobarse que AtCPK32 regula factores de transcripción relacionados con el ABA (ABRE BINDING FACTOR) como el 4/ABSCISIC ACID RESPONSIVE ELEMENT BINDING PROTEIN (AREB) (Choi et al., 2005). ABA también activa cascadas de proteínas kinasas activadas por mitogenos (MAPK) y se ha encontrado que la fosforilacion en muchos factores de  transcripción de respuesta a ABA y a estrés es necesaria para su funcionamiento (Yamaguchi-Shinosaki y Shinosaki, 2006). Recientemente tambien se ha acumulado evidencia que sugiere que la respuesta a ABA incluye metabolismo de RNAm. Aunque la vía de señalización que se genera a través de ABA durante el estrés aún no se ha caracterizado completamente, a través de muchos estudios se ha encontrado evidencia de que esta vía interactúa con otras vías de señalización que tampoco han sido descritas. Por ejemplo la expresión del gen lea cor47 presenta un efecto aditivo en respuesta a tratamientos de ABA y manitol (Chak et al., 2000). Estos investigadores, usando mutantes semi-dominantes abi1 y abi2, encontraron que la expresión génica estaba más dañada en abi2 en respuesta a estrés inducido por manitol que en la mutante abi1. Es probable que en la respuesta a estrés haya vías solapadas o en interacción, las cuales son dependientes e independientes ABA (Bray, 2002).

Expresión de genes durante el estrés dependiente de ABA

Se ha determinado que una parte importante de la respuesta fisiológica a ABA se da a través de la expresión génica de Novo (Bohnert y Jensen, 1996). Muchos genes que se expresan durante la fase tardía de desarrollo del embrión pueden ser inducidos por el ABA exógeno en embriones y tejido vegetativo (Mundy y Chua, 1988). Tambien se ha determinado que los niveles endógenos de ABA se incrementan en diferentes condiciones de estrés, incluido el déficit hídrico. Estos datos, junto con el estudio de promotores y la caracterización de las mutantes deficientes en ABA de A. thaliana y de maíz, apoyan la participación del ABA endógeno en la regulación de la expresión de genes durante estrés. Estos cambios en la expresión génica le pueden conferir a la planta la habilidad para responder apropiadamente al estrés y sobrevivir a dicha condición.

Sin embargo, no todos los genes que se inducen bajo estrés tienen una función adaptativa, ya que muchos de estos cambios en la expresión son efectos de danos a nivel celular. Las plantas sometidas a déficit hídrico presentan alteraciones en procesos fisiológicos y metabólicos, como reducción en las tasas de fotosíntesis, disminución de la síntesis de proteínas totales y en las tasas de crecimiento. Estas alteraciones pueden ocasionar un cambio en el nivel de expresión de genes específicos que indica el daño y que no están involucrados en procesos de adaptación a la condición estresante.

Los genes inducidos durante estrés a través del ABA pueden dividirse en dos grupos. Están los que se inducen por ABA y cuya expresión es independiente de la síntesis de proteínas, es decir, donde no se requiere síntesis de proteínas de Novo para su inducción. De otro lado, están los genes inducidos por ABA de una manera dependiente de la síntesis de Novo de proteínas (Shinozaki y Yamaguchi-Shinozaki, 1996). La disección funcional de los promotores de los genes que responden al ABA, basada principalmente en sistemas de expresión transitoria, ha permitido la identificación de varios elementos en cis involucrados en la expresión de genes por ABA (Bray, 2002; Hirayama y Shinozaki, 2007).

En la regulación transcripciones de genes por el ABA se han identificado factores que actúan tanto en cis como en trans. La caracterización de los promotores de los genes inducibles por ABA, Em de trigo y rab16A de arroz, mostro que un elemento en cis conocido como ABRE (Abscisic Acid Response Element) es importante para la transcripción dependiente de ABA (Guiltinan et al., 1990).

Actualmente, más de 20 elementos tipo ABRE funcionales han sido hallados en promotores de genes que responden al ABA. El elemento es definido como una secuencia de 8-10 pares de bases con una secuencia ACGT, que corresponde al núcleo o centro del factor transcripcional en cis conocido como caja G. Las secuencias que flanquean el núcleo de ACGT son importantes para el funcionamiento in vivo de este elemento. Estudios de expresión indican que la secuencia (C/T)ACGTGGC es un ABRE fuerte; sin embargo, otras secuencias son igualmente funcionales (Busk y Pages, 1998). En plantas se han clonado varios

factores de transcripción en trans con dominios básicos, tipo cremalleras de leucina (bZip), que se unen al ABRE como dímeros.

El ABRE no es el único elemento que tiene un núcleo de ACGT; estos elementos ACGT son hallados en muchos promotores y median la inducción por luz, anaerobiosis, luz UV y ácido cumarico. Por tanto, es evidente que, además del núcleo ACGT, otros factores son importantes para determinar su especificidad. Por tal razón, no todas las secuencias que tienen un núcleo de ACGT funcionan como ABRE, aunque estén en un promotor de un gen inducible por ABA. Así, el elemento ABRE es una secuencia que contiene un ACGT y que está definido más por su función, ya que las secuencias que lo flanquean no muestran consenso (Busk y Pages, 1998).

Para los genes hva1 y hva22 se encontró que además de los elementos que contienen núcleos de ACGT se requieren secuencias adicionales denominadas CE (coupling elements) para mediar la inducción de estos genes en respuesta a ABA (Shen et al., 1996). A partir del análisis de estos promotores, se determinó el complejo mínimo de respuesta a ABA (ABRC) que consta de un coupling element y un ABRE capaces de conferir inducción por ABA a un promotor mínimo (Vasil et al., 1995). Las secuencias de los elementos CE son diferentes pero presentan un alto contenido de citocinas y guaninas. Los ABRC también pueden estar compuestos por dos cajas G, como sucede en el promotor del gen Em de trigo. En contraste, otros ABRC constan de un ABRE y de un elemento en cis no relacionado con la caja G (Busk y Pages, 1998; Leung y Giraudat, 1998).

Entre los elementos que median la respuesta al ABA se han descrito elementos tipo Myb y Myc en el gen rd22 de A. thaliana. Puesto que estos elementos median la respuesta del gen rd22 a estrés hídrico y parecen regular la inducción de una manera dependiente de la síntesis de proteínas, se ha sugerido que Myb y Myc pueden regular genes cuya inducción por ABA depende de la síntesis de proteínas, lo cual no sucede en la regulación vía ABRE (Iwasaki et al., 1995; Yamaguchi-Shinozaki y Shinozaki, 1994; Abe et al., 1997). Sin embargo, los genes rab16A y OsEm que están regulados a través de ABRE requieren síntesis de proteínas para su inducción, y esta regulación podría depender de la síntesis de Novo de una proteína tipo cremallera de leucina (bZip).

Otros elementos en cis involucrados en la inducción de la transcripción por ABA incluyen el sph o ASCE que media la inducción del gen C1 en el endospermo de maíz (Hattori et al., 1992), un elemento del promotor del gen cdet274-45  de C. plantagineum y el motivo TT del gen dc3 de zanahoria (Kim et al., 1997); este último motivo es considerado como un ABRE imperfecto.

Expresión de genes durante el estrés independiente de ABA

Aunque la expresión de muchos genes que se inducen durante estrés hídrico se incrementa considerablemente por aplicaciones de ABA, no hay una correlación consistente entre los niveles de mRNA y los niveles de ABA en estas condiciones. Estas evidencias sugieren fuertemente que la expresión de algunos genes durante deshidratación es total o parcialmente independiente de ABA (Chandler y Robertson, 1994). Se ha planteado que esto podría sugerir la presencia de factores adicionales involucrados en la modulación de algunos genes durante estrés. Algunos estudios que involucran aplicaciones exógenas de ABA indican que los niveles de expresión de genes inducidos por ABA pueden ser incrementados por factores adicionales presentes solamente en plantas estresadas (Chandler y Robertson, 1994). De esta manera, las plantas no estresadas carecen de los elementos capaces de interactuar con ABA, y por tanto

no alcanzan los niveles adecuados de expresión presentes en la condición de estrés. Estos factores, presentes en las plantas estresadas, podrían interactuar sinergisticamente con los factores inducidos por ABA para generar una respuesta mayor.

Cabe señalar que algunos genes son inducidos por ABA, pero su expresión durante deshidratación es independiente de ABA. Por ejemplo el gen de la kinasa RPK1, aislado de A. thaliana, es inducido tanto por deshidratación como por tratamiento con ABA (Hong et al., 1997). Al examinar la respuesta a deshidratación de este gen en las mutantes de A. thaliana deficientes en la síntesis de ABA (aba-1) y en las mutantes insensibles (abi-1, abi-2 y abi-3), se encontraron los mismos niveles de mRNA respecto a las plantas control.

Analizando el promotor del gen rd29A de A. thaliana (Yamaguchi-Shinozaki y Shinozaki, 1994) se identificó un elemento en cis de 9 pares de bases, de respuesta a deshidratación (DRE). Este elemento DRE es necesario para la inducción por estrés del gen rd29A, aun en ausencia de niveles elevados de ABA. La misma secuencia ha sido hallada en promotores de otros genes que responden a ABA (Busk et al., 1997) y en genes regulados por estrés osmótico y baja temperatura en Arabidopsis (Iwasaki et al., 1995). Estos genes se inducen por el respectivo estrés en las mutantes de A. thaliana aba o abi, lo cual sugiere que la expresión de estos genes bajo estrés no requiere ABA, aunque respondan a tratamientos con ABA. Estas observaciones prueban que la  habilidad de un gen para responder a ABA, en condiciones óptimas de crecimiento, no implica necesariamente que la respuesta de este gen bajo estrés este regulada a través de ABA. Es posible que ABA participe como modulador de la expresión de este gen en otras condiciones de estrés o de desarrollo. Varios factores de transcripción, que interactúan con la secuencia DRE de 9 pares de bases, han sido detectados en extractos nucleares de plantas de Arabidopsis no tratadas y deshidratadas (Nakashima et al., 2000). La sobre-expresión de los genes rd29A y dreb1a de Arabidopsis en plantas de papa produjeron un incremento en la tolerancia

al congelamiento (Behnam et al., 2007). Recientemente, en Arabidopsis, se descubrieron dos proteínas, DRIP1 y DRIP2, que interactúan con el factor DREB2A y que in vitro pueden mediar la ubiquitinizacion de este factor, funcionando como reguladores negativos en la respuesta  de las plantas a estrés hídrico (Qin et al., 2008).

Con base en estos datos, Shinozaki y Yamaguchi-Shinozaki (1996) plantean la existencia de al menos cuatro vías independientes de regulación génica durante estrés hídrico: dos dependientes de ABA (una dependiente de la síntesis de proteínas y la otra independiente de la síntesis de proteínas) y dos independientes de ABA, a través del elementos tipo DRE/CTR (Yamaguchi-Shinozaki y Shinozaki, 1994). Se ha demostrado que la vía independiente para frio también está regulada por elementos tipo DRE/CTR que responden exclusivamente a frio (Nakashima et al., 2000).

LAS PLANTAS Y LA SEQUÍA

La Tabla 2 resume algunas características que se presume pueden contribuir a dotar a las plantas de resistencia a la sequía. Es muy importante notar que de los atributos incluidos en esa lista, para solamente unos pocos hay pruebas más o menos robustas de que pueden contribuir a la resistencia a la sequía (p.ej. desarrollo fenológico apropiado, reducción de la carga de radiación, ajuste osmótico). También resulta importante notar que los atributos mencionados no son aditivos ni tienen valor general: de poco vale la capacidad de profundizar las raíces si el régimen hídrico del ambiente de interés es tal que solamente se recargan con agua, en promedio, el primer metro de suelo en la mayoría de los años.

Especies que eluden la sequía

El ejemplo más conocido lo constituyen las especies anuales efímeras que en regiones desérticas germinan, crecen, florecen y completan la maduración de las semillas en pocas semanas, después que una lluvia ha humedecido el suelo.

Las especies anuales de climas mediterráneos también maduran precozmente, antes que se agote el agua en el suelo. Cuando la precocidad es importante, la capacidad de tolerar bajas temperaturas durante la germinación y el establecimiento de las plántulas, es una característica valiosa que permite adelantar la siembra, y asegurar que se alcance la madurez antes que el agua sea una limitación seria.

Tratándose de especies cultivadas es importante tener presente que la mayor parte del éxito que han logrado lo Fito mejoradores en relación al objetivo de obtener cultivares tolerantes a la sequía proviene del hecho que han logrado ajustar el ciclo de los cultivos al patrón de disponibilidad hídrica de cada zona. Así, en la Argentina se ha buscado adelantar la fecha de floración del maíz para la zona núcleo para evitar los efectos de las frecuentes sequías en la segunda mitad de diciembre. En Australia se ha logrado adelantar la fecha de floración de trigo todo lo que permite la fecha probable de la última helada, minimizando de esa manera el impacto de la sequía terminal. En ambos sistemas se han mejorado las posibilidades de los cultivos de eludir las sequías propias de cada sistema.

Plantas que toleran la sequía

Existen características que se supone pueden contribuir a que las plantas resistan mejor las sequías que coinciden con una parte importante de su ciclo. Pueden clasificarse en dos grupos, las que retardan o postergan el desarrollo de la deshidratación, y las que toleran la deshidratación.

a)Especies que mantienen alto contenido de agua en los tejidos

Las características morfológicas o fisiológicas que reducen la pérdida de agua por transpiración, o aumentan la absorción de agua, pueden evitar la deshidratación. La cutícula gruesa, la sensibilidad estomática, el enrollamiento de las hojas, reducen la pérdida de agua, y un sistema radical profundo aumenta la absorción de agua.

Una de las garantías más efectivas contra el daño por sequía en la vegetación natural o en los cultivos, es un sistema radical extenso en cuanto a superficie abarcada, profundidad, o ambas cosas a la vez. La estructura más apropiada depende de los patrones de oferta de agua propia del sistema. Por ejemplo, los cactus que viven en zonas de lluvias poco intensas tienen un sistema muy extenso pero poco profundo. En los cultivos, la situación es algo más compleja porque normalmente se los siembra en poblaciones relativamente densas, aunque la densidad es una variable manejable por el hombre. Aun para los cultivos, una mayor profundización de raíces puede ser una ventaja en sistemas en que queda algo de agua disponible en estratos profundos del suelo. Se ha sugerido que el sorgo y el girasol tienen ventajas en este sentido sobre el maíz.

Hay gran número de características morfológicas que reducen la pérdida de agua. Los cambios en la orientación de las hojas, y el enrollamiento cuando se marchitan, reducen la carga de radiación recibida. La presencia de pelos y ceras reducen la temperatura foliar y la transpiración. La muerte y caída de hojas disminuye el área transpiratoria así como el área fotosintetizante. Sin embargo, la caída de las hojas inferiores, más viejas, tiene probablemente poco efecto porque sus tasas de transpiración y fotosíntesis son menores que las de las hojas superiores más jóvenes y más expuestas.

La reducción de la pérdida de agua por cierre estomático es muy efectiva, especialmente si está asociada con baja transpiración cuticular. Muchas xerófitas (especies que viven en zonas áridas y que presentan adaptaciones a ese ambiente) tienen altas tasas de transpiración cuando el suelo está húmedo. Cuando se seca, las estomas se mantienen cerradas todo el día, existiendo conservación del agua pero siendo la fotosíntesis nula. En sorgo y otras especies se ha encontrado que las diferencias en el control estomático están relacionadas con la tolerancia a la sequía. Ya se mencionó que en algunas especies las estomas se cierran cuando disminuye la humedad atmosférica. Este mecanismo conserva el agua durante las horas más cálidas y secas del día, pero no está presente en otras especies que provienen del mismo hábitat.

El déficit hídrico tiene efectos importantes sobre la bioquímica y fisiología de las plantas. El ácido abscísico y la prolina se acumulan en muchas especies, y la betaína en algunas, en condiciones de sequía. Esta acumulación se considera una adaptación al estrés, pero la correlación entre la acumulación y el desarrollo del estrés no es una prueba de que la sustancia acumulada tenga algún valor adaptativo para la tolerancia. La acumulación podría ser el resultado de la perturbación de los caminos metabólicos normales. Se ha propuesto que la prolina (y la betaína en algunas gramíneas y quenopodiáceas) desempeña un papel en el ajuste osmótico, pero no está confirmado. El ácido abscísico interviene, como ya se ha visto, en el cierre estomático. Las plantas con metabolismo CAM cierran las estomas durante el día, y fijan CO₂ como ácido málico durante la noche. De este modo se reduce marcadamente la pérdida de agua por unidad de materia seca producida.

b)Especies que toleran bajo contenido de agua en los tejidos.

La deshidratación severa que llega a producirse con sequías prolongadas, ocasiona daño irreversible y muerte. La intensidad del déficit hídrico que puede ser tolerado varía según la especie, entre -2,0 y -2,5 MPa en girasol y más de -10 MPa en algunas xerófitas. Posiblemente las diferencias se relacionan con algunas propiedades del citoplasma y las membranas celulares, y generalmente el daño por deshidratación se atribuye a cambios físicos en la estructura celular.

Cuando se produce la deshidratación de un tejido, se produce una reducción del Ψ_o al concentrarse los solutos celulares. Se ha visto que existen especies o cultivares que tienen la capacidad de disminuir aún más el Ψ_o, aumentando la concentración interna de solutos debido a un aumento neto en la cantidad de solutos celulares. Este último proceso se conoce como ajuste osmótico, y contribuye a mantener la turgencia y los procesos que de ella dependen, con bajo potencial agua. También contribuye a mantener la apertura estomática, y el funcionamiento del aparato fotosintético. Las conexiones entre el ajuste osmótico y procesos fisiológicos que permiten mantener el rendimiento bajo sequía no están claros, aunque es evidente que los cultivares con alto ajuste osmótico sobreviven durante más tiempo expuestos a la sequía. Sea cual fuera la conexión, se han establecido correlaciones positivas entre una alta expresión de éste carácter y la resistencia a la sequía en varias especies cultivadas. Los solutos involucrados en el ajuste osmótico son iones inorgánicos, carbohidratos y ácidos orgánicos. La acumulación de prolina y betaína ya fue discutida. Aminoácidos y otros compuestos orgánicos pueden acumularse porque no se utilizan a causa del crecimiento reducido y cuando desaparece el estrés quedan disponibles para su utilización. Se ha sugerido que una mayor elasticidad de las paredes celulares también podría contribuir a mantener la turgencia en protoplastos parcialmente deshidratados, pero existen pocas evidencias a favor de esta posibilidad.

Por último, se conocen algunas especies no cultivadas que se caracterizan por una muy alta capacidad para tolerar la deshidratación y recuperar posteriormente su funcionalidad (v.gr. plantas de resurrección). Se supone que las estructuras celulares tienen propiedades especiales que permiten tolerar estas variaciones en hidratación.

Conclusiones

Diferentes aproximaciones metodológicas han permitido la caracterización progresiva de genes individuales y la identificación de vías asociadas con la señalización inter e intracelular inducida por el estrés por déficit hídrico. Aunque aún faltan muchos de los componentes involucrados en las respuestas al déficit hídrico, en los últimos anos se ha avanzado notablemente en el conocimiento de las bases moleculares de estas respuestas en las plantas. La caracterización de estos genes y vías permite tener una mejor comprensión de los mecanismos bioquímicos y fisiológicos involucrados en la tolerancia al estrés que han desarrollado muchas plantas a lo largo de su proceso evolutivo. Debido al cambio climático y los procesos de desertización que ocurren en todo el mundo, en un futuro probablemente la unica manera de cultivar plantas sea en condiciones de déficit hídrico permanente. Desde esta perspectiva es necesario tener cultivares con mayor resistencia o tolerancia al déficit hídrico. Aunque la mayoría de las plantas que presentan ventaja frente al estrés hídrico no son de interés económico, es posible obtener plantas cultivables tolerantes, por transferencia genética. Muchos de los genes que se inducen por estrés caracterizados en los diferentes estudios citados y en otros, son candidatos potenciales para la producción de plantas cultivables tolerantes o resistentes al déficit hídrico.

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