Tema 4: . Respuesta bioquímica de los vegetales a la

toxicidad por metales pesados.

. Transducción de señales durante el estrés oxidativo.

Principios básicos de la respuesta de los vegetales a la toxicidad por metales

•Regulación de la captación del metal y la distribución intracelular a larga distancia.

•Fluctuaciones ambientales pueden conducir a un incremento en las concentraciones internas de los iones metálicos.

•Participación de varios compartimientos celulares en este mecanismo, con moléculas que tienen afinidad por los MP y que estarían involucradas en su almacenamiento y destoxificación.

•La sobrecarga de iones puede conducir a concentraciones intracelulares más allá de las capacidades de almacenamiento y destoxificación de las células vegetales, esto lleva a un

DESEQUILIBRIO DEL BALANCE CELULAR QUE SE DESPLAZARÁ HACIA EL ESTADO PRO- OXIDATIVO

EAODEFENSAS

ANTIOXIDANTES

¿Cómo ajustan los vegetales sus sistemas metabólicos para mantener la homeostasis?

-Las acciones tóxicas de los MP son esencialmente ejercidas sobre las enzimas.

-Cadmio (Cd) es un metal pesado no esencial polutante del ambiente producto de la actividad industrial, agrícola y de los gases de los automóviles.

- Los síntomas de la toxicidad de Cd son fácilmente identificables.

- Detención del crecimiento- Clorosis - Deficiencia de fósforo- Reducción del transporte de magnesio.

-En general, se ha demostrado que Cd interfiere con la captación, transporte y uso de varios elementos (Ca, Mg, P y K) y de agua por parte de las plantas.

-Efectos citogenéticos de Cd: inhibe la división celular y produce alteración en los cromosomas. El bajo índice mitótico, es proporcional a la concentración y tiempo de exposición.

Cadmium-induced oxidative damage and antioxidativedefense mechanisms in Vigna mungo L.Alicia S. Molina, Carlos Nievas, María Verónica Pérez Chaca, Francisco Garibotto, Ulises González, Silvana M. Marsá, Celina Luna, María Sofía Giménez, Fanny ZirulnikPlant Growth Regulation, ISSN 0167-6903, vol. 56, N°3: 285- 295, 2008.

Fig. 4 Cytological analysis of metaphase and apoptotic nucleiin the roots of Vigna mungo seedlings exposed to 40 uM Cd for12 days. (A) Normal metaphase in control cells. (B) Cd inducedchromosome abnormalities. (C) Condensed chromatindistributed in the periphery of the nuclei with apoptotic pattern

CAPTACIÓN DE METALES POR LAS RAÍCES

•Selectividad de la captación de cationes.

•Transporte de un amplio rango de cationes divalentes (cobre, níquel, zinc y cadmio) hacia las células de raíces con sistemas carrier similares.

•La captación de Cd aumenta cuando disminuye el pH del suelo y disminuye cuando aumenta la capacidad de intercambio catiónico del suelo.

•Cd parece ser absorbido pasivamente y translocado libremente.

•Parte de la toxicidad de Cd sería resultado de la interferencia del mismo en procesos dependientes de zinc.

•Las diferencias en la habilidad de las plantas para acumular MP se han relacionado a diferencias en la morfología de la raíz.

•Se ha observado también que las hojas viejas contienen mayores concentraciones de Cd que las jóvenes.

•Se ha determinado mayor contenido de Cd en raíces que en hojas.

Planta entera

Hoja (ppb) Raíz (ppm)

0,0033 1,87

Contenido de Cd en raíces y hojas de plantas de soja sometidas a 40 M Cd durante 24 h.

Contenido de Cd en raíces y hojas de plantas de soja sometidas a 40 M Cd durante 24 h.

A - Lote Control (0 M Cd) 24 h B – Lote 40 µM Cadmio 24 h

PROTEÍNAS DE ALMACENAMIENTO DE METALES

•Son 2 las principales proteínas responsables del almacenamiento y destoxificación de MP: las ferritinas y metalotioneinas.

•Las ferritinas son proteínas multiméricas de almacenamiento de hierro capaces de secuestrar varios miles de átomos de hierro por molécula.

•En las plantas, son codificadas por una pequeña familia de genes y se localizan en los plastidios. Participan en la protección de estos contra el estrés, almacenando un exceso de hierro libre.

•Las metalotioneinas son pequeñas proteínas que secuestran el exceso de ciertos metales, más frecuentemente: zinc, cobre y cadmio, por coordinación de estos metales con residuos cisteína.

•Fitoquelatinas: también llamadas metalotioneinas de clase III, que a nivel celular son sintetizadas en el citosol y transportadas a las vacuolas.

TRANSPORTE DE MP A LARGA DISTANCIA

Los metales una vez captados por las raíces son transportados por la savia xilemática y translocados a las partes aéreas del vegetal ya quelados.

En la mayoría de las células vegetales, las vacuolas comprenden más del 80- 90% del volumen celular y actúan como un compartimiento central de almacenamiento de iones.

Se ha demostrado la rápida inducción de la síntesis y acumulación de fitoquelatinas en respuesta a un pequeño aumento de Cd u otros MP.

QUELACIÓN DE METALES POR PEQUEÑAS MOLÉCULAS Ácidos orgánicos, aminoácidos y derivados fosfatados.

Citrato, tiene una alta capacidad de quelación con hierro, níquel y Cd. Esta propiedad le confiere resistencia al vegetal ante concentraciones tóxicas

del MP

LA TOLERANCIA A LOS MP puede definirse como la habilidad para sobrevivir en un suelo que es tóxico para otras plantas y se manifiesta por una interacción entre genotipo y su ambiente.

MICORRIZAS: pueden ser muy eficientes para disminuir los efectos de la toxicidad de MP en las plantas huésped. La endosimbiosis formada entre plantas y microorganismos juega un importante papel en la agricultura y ecosistemas naturales.

La interacción endosimbiótica más conocida es la formada por planta y hongo, incluyendo interacciones de tipo parasitaria, que resultan en enfermedades como el moho. Y por otro lado la simbiosis mutualística establecida entre raíces y los hongos arbusculares micorrizales (AMF).

AMF (zygomycotina) se encuentran típicamente asociados con una gran variedad de plantas terrestres, preferiblemente angiospermas.

El establecimiento exitoso de esta asociación mutualística constituye una estrategia para mejorar el estatus nutricional de ambos participantes.

•El hongo recibe compuestos carbonados de la planta huésped y ésta se beneficia con una mayor captación de nutrientes (principalmente fósforo), con un aumento de tolerancia al estrés abiótico y resistencia a patógenos. •La penetración dentro de la raíz y el desarrollo intracelular de los AMF, involucra una compleja secuencia de eventos bioquímicos y citológicos con modificaciones intracelulares, que implican que el hongo debe ser reconocido claramente por la planta huésped.

•Se ha observado que los cambios inducidos por Cd en raíces micorrizadas estuvieron ausentes o fueron menores que en raíces no-micorrizadas.

•Estas observaciones sugieren que aunque los cambios en las condiciones de la rizósfera fueron percibidos por la raíz, la respuesta típica al estrés por Cd podría estar compensada. •Aún no se sabe si la micorrización protege las raíces de la injuria por Cd, evitando el acceso de éste a sitios extra o intracelulares sensibles o por quelantes intrínsecos o excretados o por otros sistemas de defensa.

•Es posible que AMF provean protección vía GSH ya que se encontraron mayores concentraciones de este tiol en cultivos puros de hongos que en raíces desnudas.

El desarrollo de asociaciones planta- micorriza tolerantes al estrés podría ser una nueva estrategia para la fitorremediación de suelos.

TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES DURANTE EL ESTRÉS OXIDATIVO

A pesar del daño celular extremo, las EAO pueden actuar:

- COMO MOLÉCULAS SEÑAL UBICUAS EN LOS

VEGETALES

- SON UN COMPONENTE CENTRAL EN LAS

RESPUESTAS AL ESTRÉS.

- EL NIVEL DE LAS MISMAS DETERMINA EL TIPO DE

RESPUESTA.

Aunque se conoce una parte substancial de la respuesta genómica y la

actividad de muchas enzimas afectadas por las EAO

LOS MECANISMOS MOLECULARES Y BIOQUÍMICOS DE ACLIMATACIÓN

AÚN NO SE CONOCEN Y LAS VÍAS DE SEÑALIZACIÓN INVOLUCRADAS

ESTÁN EN ESTUDIO.

Las EAO se comunican con otras moléculas señal y vías,

siendo parte de una red de señalización que controla las respuestas

“downstream” de EAO.

Datos recientes sugieren que las EAO no solo son moléculas señal de

estrés sino que también actuarían como señales en el crecimiento y

desarrollo vegetal.

•Se ha demostrado que bajo condiciones de estrés, una de las

estrategias que las plantas han desarrollado es DISMINUIR EL

CRECIMIENTO.

La habilidad para REDUCIR LA DIVISIÓN CELULAR bajo

condiciones desfavorables puede:

•Permitir la conservación de energía para la defensa

•Limitar el riesgo de daño heredable

La progresión del ciclo celular está bajo control negativo por

las EAO

Las plantas pueden censar, transducir y traducir las señales

de las EAO en respuestas celulares apropiadas, este proceso

requiere de la presencia de las

“PROTEÍNAS REDOX SENSIBLES”

que mantienen reversible el equilibrio oxidación/ reducción.

Las EAO pueden oxidar directamente a estas proteínas o

indirectamente a través de moléculas redox- sensibles tales

como: GSH o tioredoxinas.

Se están llevando a cabo estudios genéticos y fisiológicos

Para ubicar la posición de las señales EAO

•en las vías de transducción

•y cómo estas son percibidas y transducidas

•en respuestas específicas de la vía.

En cuanto a la expresión génica regulada

por el estado redox y

su relación con las EAO,

se han descripto dos etapas principales en la activación

transcripcional de factores de transcripción eucarióticos que

parecieran estar influenciados por el equilibrio redox:

Localización nuclear

unión al ADN

El estado pro-oxidante en el citoplasma

• determinado por la relación de GSH/ GSSG

• o por EAO

Activa a factores de transcripción (similares a NF-kB),

induce su translocación al núcleo,

donde se necesita un ambiente reductor

para la apropiada unión de estos al ADN.

Mientras que a bajas concentraciones las EAO

inducen

los genes de defensa y respuestas adaptativas.

A altas concentraciones

se inicia la muerte celular o apoptosis.

Para permitir este doble rol,

los niveles celulares de EAO deben ser

rigurosamente controlados.

Las numerosas fuentes de EAO

(cloroplastos, mitocondrias, peroxisomas,

apoplasto)

y el complejo sistema de eliminación de

oxidantes

proveen la flexibilidad necesaria para estas

funciones.

Cantidades subletales de EAO aclimatan a las

plantas

a condiciones de estrés biótico y abiótico

y reducen el desarrollo de las mismas,

probablemente como parte de un mecanismo de

aclimatación.

SIGNIFICADO FISIOLÓGICO DE LOS PEROXISOMAS COMO

FUENTES ADICIONALES DE MOLÉCULAS SEÑAL

Bajo condiciones fisiológicas normales,

la producción de H2O2 y O2.-

estaría controlada por CAT, APx y SOD

•Se sabe que CAT es inactivada por la luz y diferentes

condiciones de estrés, esto: la síntesis de proteínas

la generación de H2O2 y O2.-

•CAT es inhibida por los radicales O2.-

•CAT y APx son inhibidas por NO y ONOO- produciendo de

H2O2,

por aumento de beta- oxidación de ácidos grasos.

La destrucción de las defensas antioxidantes peroxisomales

se trasladarían al citosol

crearían condiciones tóxicas en la célula vegetal

conduciendo a daño oxidativo y posiblemente a muerte

celular.

La producción de EAO y NO tiene un doble efecto

•Aumento de productos con gran daño oxidativo.

•Disminución de los niveles de NO, H2O2 y O2.- que actuarían

como moléculas señal en muchos procesos fisiológicos

tales como

respuesta hipersensible a patógenos, crecimiento y

desarrollo.

•Estas moléculas mensajeras son mediadoras claves

en la muerte celular programada y

• funcionarían como parte de una vía de transducción de

señales

•que conduce a la inducción de la respuesta de defensa

•La función de estas moléculas señal en los PEROXISOMAS es

más relevante considerando que estas organelas proliferan

durante la senescencia

y bajo distintos estreses

(xenobióticos, ozono y metales pesados).

Se ha demostrado que H2O2 induce genes peroxisomales para

su proliferación

PAPEL EN LA SEÑALIZACIÓN CELULARDE

H2O2 y O2-

¿Cómo viajan las señales a través de los diferentes compartimentos celulares?

ELEMENTOS PROTEICOS Y BIOQUÍMICA DE LOS SISTEMAS DE SEÑALIZACIÓN DE 2 COMPONENTES

- Histidina- quinasa- Regulador de respuesta