© 2013 American Society of Plant Biologists ¿Por qué estudiar las plantas?

© 2013 American Society of Plant Biologists

¿Por qué estudiar las plantas?

www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009


Las plantas, como la mayoría de los animales, son eucariotas multicelulares

BacteriaArchaea Animales

Plantas

Hongos

Ancestros comunesCrédito de fotos: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; Tom Donald


Las plantas son diversas

Algas verdes

Hepáticas

Musgos

Plantas Vasculares

Helechos

Plantas con semillas

Plantas con flores

Gimnospermas

GramíneasPlantas de hojas

anchas

Plantas Terrestres

Las plantas evolucionaron la habilidad de prosperar en

diversos hábitats terrestres

Imágenes cortesía de Tom Donald

Licofitas


Las plantas nos hacen felices

Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Crédito de foto: Tom Donald

Un gran número de personas reporta una mayor satisfacción en el ambiente laboral cuando están en contacto con plantas.


Las plantas son organismos sorprendentes

Flor más grande (~ 1m)

Ser vivo más longevo (~ 5000 years)

Organismo de gran tamaño (> 100m)

Crédito de fotos: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs


Sin plantas no sería posible nuestra vida

•Las plantas generan la mayoría del oxígeno que respiramos.

•Las plantas sintetizan la mayoría de la energía química almacenada que consumimos como alimento o quemamos como combustible.

•Las plantas sintetizan una gran variedad de químicos útiles.


¡No podemos vivir sin oxígeno!

XX

SIN oxígenoJoseph Priestley reconoció el efecto “dañino” de la respiración animal sobre el aire. Un animal mantenido en un envase sellado eventualmente muere.


Producción de oxígeno

Priestley también observó que las plantas tienen la habilidad de “recuperar” el aire. Ahora sabemos que lo hacen porque generan oxígeno como un subproducto de la fotosíntesis.

¡No podemos vivir sin oxígeno!


Las plantas fijan el dióxido de carbono en moléculas ricas en energía que los

animales usan como alimentosCO2

Las plantas convierten el gas CO2 a los azúcares a través del proceso de fotosíntesis.


Las plantas pueden producir una gran variedad de químicos

vitamina A

vitamina Cvanilina

cafeína

morfina

CO2



Para promover la conservación de especies en peligro de extinción y de ambientes amenazados.

Para aumentar nuestros conocimientos sobre el mundo natural.

Para aprovechar mejor la habilidad de las plantas a suministrarnos alimentos, medicinas y energía.

Crédito de foto: Tom Donald


Estudiar las plantas nos ayuda a comprender nuestro mundo

Dibujo de corcho realizado por Robert Hooke, descubridor de las “células”

Las células fueron “descubiertas” en plantas

Fotografía del corcho

Crédito de foto: ©David B. Fankhauser, Ph.D


Los primeros virus purificados fueron aislados de plantas

Virus del mosaico del tabaco

Virus infectan a los humanos, asi como a las plantas. En los seres humanos causan muchas enfermedades entre ellas SIDA, hepatitis, SARS, gripe porcina, cáncer cervical, varicela y polio.

Crédito de imagen 1994 Rothamsted Research.

En plantas se reportan enfermedades importantes causadas por virus como el mosaico de tabaco, la marchitez manchada en tomate y el mosaico de yuca.


Mendel estableció las leyes de la herencia estudiando chicharos



...lo cual ha facilitado nuestra comprensión de las enfermedades que afectan los seres humanos, como la anemia falciforme...


...y la hemofilia, así como muchas otras enfermedades determinadas por factores genéticos.

Pedigrí de una familia portadora del alelo de la hemofilia



El trabajo de Mendel fue la base para las ciencias de genética vegetal y fitomejoramiento.

Fitomejorador, Norman Borlaug1914-2009, recibió elPremio Nobel en 1970.



¿POR QUÉ ESTUDIAR LAS PLANTAS?


La población mundial está en contínuo aumento...

En 2020, la población mundial se habrá triplicado con respecto a 1950, pasando de 2,5 a 7,5 billónes


Un objetivo importante del estudio de las plantas es aumentar la producción de alimentos; estimaciones indican que requerimos aumentar la producción de alimentos un 70% en los próximos 40 años.

La población mundial contínua a aumentar...


La malnutrición y el hambre son causas mayores de la mortalidad infantil

En el 2004, 60 millones de personas murieron en todo elmundo

(Fuente: World Health Organization, 2008)


10 millones fueron niños de menos de 5 años, de los cuales el 99% vivía en países con ingresos bajos o medianos.

(Fuente: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)



5 millones de niños menos de 5 años mueren cada año de desnutrición y causas relacionadas con ésta condición.Es decir, cada 6 segundos muere un niño en edad preescolar por una causa que puede ser prevenida



La deficiencia de vitamina A causa la muerte de un millón de niños cada año.

(Fuente: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)



¿Cómo respondería el mundo contra una enfermedad que afectaba la

población de EE.UU, Canadá y la UE?


Globalmente, más de un billón de gente sufre hambre crónica cada año

Un billón es la población total de EE.UU, Canadá y la UE.

(Fuente: FAO news release, 19 June 2009)


…Aproximadamente la población total de EE.UU, Canadá, la UE y China.

(Fuente: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

Cada año, más de dos billónes de personas sufren anemia crónica debido a la deficiencia de hierro


¿QUÉ PUEDEN HACER LOS CIENTÍFICOS AL RESPECTO A ESTOS

RETOS?


A través del desarrollo de las plantas se podría aumentar la tolerancia a la sequía y a otros

estreses bajar demanda de agua y fertilizantes hacer las mas resistentes a patógenos mejorara la calidad nutricional

Los biólogos que estudian plantas pueden contribuir a

mitigar el hambre


Muchas veces, el crecimiento vegetal es limitado por la falta del agua

Fuente de la imagen: IWMI

Áreas física o económica de escasez de agua

Poca o ninguna escasez de agua

Escasez física de agua

Escasez física de agua emergente

Escasez económica de agua

No estimado


La sequía es acentuada por el incremento global de la temperatura

Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m

En regiones de clima caluroso, el rendimiento de los cultivos baja ~3 – 5% con cada incremento de 1°C.

Modelo del aumento de la temperatura media en tierras agrícolas para el año 2050.

Cambio de temperatura promedio (°C)

Alto 5

Bajo 0


Incluso la sequía moderada reduce los rendimientos

El estrés hídrico moderado reduce la tasa fotosintética y el crecimiento. La sequía extrema es letal.


El calor y la sequía reducen el rendimiento vegetal


Necesitamos plantas capaces de crecer bien, incluso bajo estrés


Más terrenos se convierten en tierras de cultivo para compensar la pérdida del

rendimiento vegetal


rendimiento vegetal





La sustitución de bosques por cultivos aumenta el nivel

de CO2 en la atmósfera

La sustitución de bosques por cultivos aumenta el nivel

de CO2 en la atmósfera


rendimiento vegetal


rendimiento vegetal





La manipulación de solo un gen puede aumentar la tolerancia a la

sequía en plantas

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.

RehidrataciónIrrigado 10 días sequía 20 días sequía

Resistente a sequía

Silvestre


Un sistema de raíces más desarrollado contribuye a la tolerancia a la sequía

Plántulas Plantas adultas

Silvestre SilvestreTolerante

sequía

Tolerante sequía

El mejoramiento del sistema radical de las plantas permitiría su crecimiento en regiones propensas a la sequía.

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.


Los fertilizantes son recursos que requieren mucha energía

•Los cultivos requieren fertilizantes– potasio, fosfato, nitrógeno y otros nutrientes

•El potasio y el fosfato son recursos no-renovables, extraídos de la tierra

•La síntesis de fertilizantes nitrogenados requiere cantidades enormes de energía

Crédito de fotos: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374


La fertilización agrícola da origen a un gran cantidad de polución

Foto cortesía de NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

La escorrentía superficial de fertilizantes hacia a ecosistemas acuáticos causa zonas muertas, pues promueve la explosión de algas que luego perecen y reducen los niveles de oxígeno en el agua (eutrofización), haciendo la vida animal imposible.


Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.

Sistemas de transporte más eficientes en la raíces reducirían

los requerimientos de fertilizantes.

La captura de nutrientes por la planta puede mejorarse


Los científicos realizan cruces hibridos entre plantas de cultivo y plantas perennes para reducir la dependencia de fertilizantes y agua de los cultivos

Wes Jackson del Land Institute sostiene al relativo perenne del trigo Thinopyrum intermedium

Las plantas perennes adquieren agua y nutrientes mejor que la mayoría de las

plantas de cultivo

Crédito de foto: Jodi Torpey, westerngardeners.com


Actualmente, dos graves enfermedades amenazan el suministro mundial de alimentos

Phytophthora infestans, causante del tizón tardío de la papa, ha re-emergido como una amenaza.

Puccinia graminis tritici, la roya negra del trigo, ha desarrollado una forma altamente agresiva.

Crédito de fotos: www.news.cornell.edu; www.fao.org


El tizón tardío destroza las plantas de papa

El tizón tardío de la papa es causado por el hongo Phytophthora infestans. El brote de la enfermedad en 1840s destruyó cultivos de la papa y causó más de un millón de muertes de gente en Europa.

Crédito de fotos: USDA; Scott Bauer

Infectada Tratada


Identificación de genes de resistencia

Resistente

Inoculadas con hongos No inoculadas

Susceptible

Las plantas a la izquierda portan genes de resistencia y no muestran sintomas de la enfermedad.

Song, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.

Los genetistas han identificado el gen que confiere resistencia y lo han introducido en variedades comestibles.


La roya negra del trigo es una amenaza emergente

• Una nueva cepa del hongo, muy patogénica, apareció en Uganda en 1999 – se ha denominado Ug99.• La mayoría de las variedades de trigo cultivadas no tienen resistencia a esta cepa.

Plantas de trigo infectadasCrédito de foto: ARS USDA


Ug99, una amenaza sin fronteras para el trigo

Este es un problema mundial que requiere atención global. Las esporas de Ug99 no respetan las fronteras nacionales…

– Agencia de las Naciones Unidas para la Alimentación y la

Agricultura (FAO)

Crédito de foto: ARS USDA


El hongo es transportado por el viento

Ug99 se encuentra en Uganda, Kenya, Ethiopia, Sudan, Yemen e Irán, y amenaza regiones del Cercano Oriente, Africa del Este, Asia Central y Meridional.

Las corrientes de viento, transportadoras de esporas, se muestran en rojo. Crédito de foto: www.wheatrust.cornell.edu


El trigo es el principal cultivo para alimentación en muchas de las regiones amenazadas, especialmente para los habitantes más pobres.

Trayectoria probable de Ug99

Crédito de foto: www.wheatrust.cornell.edu

El hongo es transportado por el viento


Equipos internacionales de científicos cooperan para monitorear la diseminación de Ug99 y para desarrollar variedades de trigo resistentes.

Actualmente, se desconoce si estas variedades se desarrollarán a tiempo para evitar la hambruna…

Crédito de fotos: Bluemoose; FAO


Los biólogos vegetales estudian como mantener la frescura poscosecha

Despues de la cosecha, los frutos se ablandan, maduran y eventualmente se pudren.

Estos procesos hacen al fruto menos atractivo y afectan su calidad nutricional.

Crédito de fotos: Cornell University ; ARC


El almacenamiento inadecuado de las papas causa enverdecimiento y promueve la producción de solanina. La solanina es dañina y es tóxica en grandes cantidades.

Crédito de fotos: Dr. C.M. Chrisitensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

Crecimiento de un hongo del género Aspergillus sobre granos de maiz

Las pérdidas poscosecha afectan 50% o más de las cosechas de cereales

Los biólogos vegetales estudian como mantener la frescura poscosecha

Escala enverdecimiento

Días= -0.106+0.6937 (GS)


Deficiencia de vitamina A

Hambre

Normalmente, las dietas de subsistencia son pobres en nutrientes. Nuestro cuerpo requiere tanto las vitaminas y minerales así como calorías. La malnutrición es una enfermedad asociada con la pobreza.

Anemia infantil

Al mejora el contenido de nutrientes en plantas aliviaría la malnutrición

Fuente de imágenes: Petaholmes basado en WHO data; WHO


La fortificación de alimentos con vitaminas (tales como folato y vitamina A) y micronutrientes (como hierro, cinc y yodo) ha reducido dramaticamente la malnutrición en la mayor parte del mundo.

Crédito de foto: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi


La mandioca es un alimento básico en gran parte de África pero bajo en nutrientes

Los científicos han identificado una variante que produce mucha más vitamina A que la variedad estándar.

Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell : tpc.110.077560.

Variedad blanca estándar

Variedad amarilla fue descubierta recientemente


Alimentos biofortificados

Arroz enriquecido con hierro

Tomates silvestres (rojos) y enriquecidos

con antioxidantes (morados)

Crédito de fotos: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).

Arroz enriquecido con vitamina A


Las plantas nos proveen más que

alimentos

Las plantas:• son fuentes de nuevas drogas terapeúticas• suministran mejores fibras para papel y textiles• nos surten de productos renovables• proveen fuentes de energia renovable



Las plantas producen cientos de compuestos empleados como medicinas o drogas

•Sauce (Salix), su corteza da origen a aspirina (ácido acetilsalicílico)•Campanilla (Digitalis purpurea), sus flores contienen la digitalina, usada en tratamientos cardiacos •Tejo del Pacífico (Taxus brevifolia) da origne al taxol (tratamiento de cáncer)•Café (Coffea arabica) y té (Camellia sinensis) son fuentes de cafeína (estimulantes)


La malaria mata millones de seres humanos

Regiones del mundo de alto riesgo de malaria

Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048


El protozoo Plasmodium causa la malaria

Plasmodium al interior de una célula de ratón

Imagen de Ute Frevert; falso color de Margaret Shear.


Plasmodium es transferido a los humanos por mosquitos infectados

Crédito de foto: CDC


Pero las especies de Plasmodium están desarrollando resistencia a la quinina, por lo cual es necesario encontrarnuevos recursos de compuestos anti-maláricos. Créditos imágenes: Köhler; CDC

La corteza de cinchona contiene quinina, la cual mata al Plasmodium


¿Gin y quinina?

(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Soldados británicos en las regiones tropicales recibieron pildoras de quinina para prevenir la malaria. Para disimular su amargo sabor, la quinina fue mezclada con agua carbonatada dulce (“tonic”) y frecuentemente con ginebra– dando origen del “gin and tonic.”


Artemisia annua es una planta con novedosa actividad antimalárica

Crédito de foto: www.anamed.net

Artemisinina

Artemisia ha sido usada por herboristas chinos durante miles de años. En 1972 el ingrediente activo, artemisinina, fue purificado.


Los biólogos vegetales desarrollan Artemisia con mayor producción

Crédito de foto: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/


Ó ?

Las plantas pueden producir vacunas y anticuerpos comestibles, de forma segura y

económica

¿


La pared celular vegetal provee importantes materiales duraderos

La madera está compuesta principalmente por paredes celulares vegetales.



Paredes celulares

Crédito de foto: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

La pared celular primaria está compuesta mayormente por carbohidratos y proteínas.

Algunas células producen una pared secundaria rígida que contiene lignina, un compuesto reticulado insoluble.

Lamela

media

Pared celular primari

a

Membrana

plasmática

Pectina

Microfibrillas de celulosa

Hemicelulosa

Proteínas solubles


Madera y fibras por dondequier

Rembrandt van Rijn (1631)

Vestido hechos de fibras vegetales (algodón, lino)

Las fibras vegetales son empleadas para hacer papel, y en la antigüedad papiro.

La madera es usada en edificaciones y mobiliario.

Lienzos hechos de fibras de lino o cáñamo


Las plantas suministran fibras para elaborar papel y telas

El algodón está siendo mejorado para incrementar su resistencia a pestes y aumentar la producción de fibras.

Crédito de fotos: Chen Lab; IFPC


La secuenciación del genoma del álamo, fuente de fibra para papel, se

completó recientemente

Esta información es utilizada para mejorar la eficiencia de la producción de papel.

Crédito de foto: ChmlTech.com

15-25% Lignina

23-32%Hemicelulosa

38-50% Celulosa

Blanqueamiento de pulpa

El color oscuro de la pulpa se debe principalmente a la lignina residual. Esta es removida gradualmente durante el blanqueamiento

Luego de cocción O2 Blanqueamiento


Las plantas pueden reemplazar al petróleo en muchos productos y propósitos

creativecartoons.org.

Desafortunadamente, toma millones y millones de años convertir materia orgánica muerta en petróleo…y estamos agotándolo.

El petróleo es un recurso NO renovable


Cuando crezca quiero ser

combustible fósil

creativecartoons.org.

El petróleo es un recurso NO renovable

Desafortunadamente, toma millones y millones de años convertir materia orgánica muerta en petróleo…y estamos agotándolo.

Las plantas pueden reemplazar al petróleo en muchos productos y propósitos


Las plantas como recursos de biocombustibles

Energía solar

Fuente imágenes: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Azúcares, almidón y la celulosa pueden fermentarse a etanol


Fuente imágenes: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

El biodiésel, producido a partir de canola, algas y soya, está reemplazando

el diésel derivado del petróleo.

Las plantas como fuentes de diésel


Los cultivos bioenergéticos no deberían afectar la producción ni el precio de los

alimentos

Miscanthus giganteus es un cultivo bioenergético, perenne y de crecimiento rápido, que crece en terrenos no aptos para la producción de alimentos.

Foto cortesía de S. Long Lab, University of Illinois, 2006


El etanol obtenido de la celulosa es una fuente importante de energía

Paredes celulares provenientes de tallos de maíz y otros residuos agrícolas.

Etanol

Fuente imágenes: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Molécula de celulosa

Glucosa Celobiosa

La celulosa está constituida por moléculas dobles de glucosa (celobiosa)

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa

Pre-tratamiento


Las plantas son fuentes de productos renovables y biodegradables

Energía de la luz solar

Producción de plásticos a partir de material vegetal renovable

Foto cortesía de S. Long Lab, University of Illinois, 2006


Energía de la luz solar

Biodegradación Los científicos están investigando formas

rentables para obtener plásticos a partir de plantas.

Foto cortesia de S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Las plantas son fuentes de productos renovables y biodegradables



El estudio de las plantas incrementa nuestro conocimiento sobre las formas de vida en general y nos ayuda manejar sus usos para mantenernos alimentados, sanos, protegidos, vestidos y felices.


“Why Study Plants?”

Created by the American Society for Plant Biology and published in

the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of

The Plant Cell (http://www.plantcell.org)



Translated by Thaura Ghneim Herrera, Universidad ICESI,

Colombia, and

Maria Elena Zavala, California State University Northridge, USA,

Documents

© 2013 American Society of Plant Biologists ¿Por qué estudiar las plantas?