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Plant ROS Research


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LA FOTOSINTESIS: ORIGEN

José A. Hernández 

La teoría de la evolución más aceptada de Oparin-Haldane, sugiere  que las primeras células eran heterótrofas y que evolucionaron en las condiciones de atmósfera reducida (ausencia de oxígeno) existentes en la Tierra en ese momento. Estos simples organismos heterótrofos eran unicelulares y sobrevivían a partir de compuestos orgánicos presentes en el fondo oceánico. A medida que la materia orgánica comenzó a agotarse, las células evolucionaron gradualmente de ser heterótrofas a autótrofas. Este cambio permitió a las células utilizar compuestos químicos o la luz solar para sintetizar su propia materia orgánica para nutrirse. Estos nuevos organismos necesitaban únicamente compuestos inorgánicos, como el CO2, y una fuente de energía externa que les ayudara a transformarlos en compuestos orgánicos, fundamentalmente azúcares. Los primeros organismos autótrofos empleaban compuestos químicos que encontraban cerca de las chimeneas volcánicas (fumarolas), como el H2S, NH3, el Fe2+ (quimiosíntesis). Hace unos 3.500-3.200 millones de años ya habían colonizado zonas situadas más cerca de la superficie y allí encontraron una nueva fuente de energía para fabricar sus nutrientes: la luz del sol. La fotosíntesis había nacido. Hace 2.800 millones de años un grupo de bacterias llamadas cianobacterias desarrolló la habilidad de emplear el agua como donante de electrones en la fotosíntesis para elaborar sus nutrientes. Y como consecuencia de su actividad, comenzaron a emitir a la atmósfera el gas más tóxico y letal que existe: el Oxígeno, que es en sí mismo un radical libre pudiendo aceptar electrones de uno en uno favoreciendo la aparición de especies reactivas del oxígeno (ROS). Para más información: (https://cienciacebas.wordpress.com/2012/10/23/origen-del-oxigeno-en-la-atmosfera-terrestre-un-necesidad-para-vivir-una-amenaza-para-los-organismos-vivos/), y https://cienciacebas.wordpress.com/2012/11/05/especies-reactivas-del-oxigeno-amigos-o-enemigos/.

Las cianobacterias, mediante un proceso de endosimbiosis,  fueron las precursoras de los cloroplastos, permitiendo la evolución del Reino Plantae. El reino de las plantas engloba tres grupos de organismos fotosintéticos: Plantas y Algas Verdes (Chlorobionta), Algas Rojas (Rhodophyta) y Glaucófitos (Glaucophyta). Los tres grupos poseen plastidios (cloroplastos) derivados de una endosimbiosis primaria, es decir, mediante la adquisición de un organismo procariota y la posterior reducción de su genoma. Estudios moleculares basados en genes plastidiales y en la organización genómica de los plastidios corroboran la monofilia de este grupo y relacionan los plastidios con las cianobacterias (Ruiz-Trillo 2012). Probablemente, el origen de los plastos primarios por endosimbiosis esté asociado estrechamente al origen del linaje Plantae. La endosimbiosis se define como una asociación interespecífica en el cual uno de los simbiontes reside en el interior (endosimbionte) del otro (hospedador).

Este hecho indicaría que la fotosíntesis tiene un origen único y común en los eucariotas. Estudios moleculares señalan el origen de las plantas verdes (Chlorobionta o Viridiplantae) en la era Precámbrica, hace alrededor de 1000 millones de años, si bien se han encontrado fósiles anteriores (de hace 1400 millones de años) que podrían ser atribuidos a ancestros de los clorobiontes (Pedroche 2012).

Podemos definir el término clorobionte [del griego khloros (verde claro) y bion (vivir)] como seres con núcleo (eucariotas), autótrofos fotosintéticos caracterizados por la presencia de plastos envueltos por una doble membrana, con tilacoides compactos, presencia de clorofila a y b y con almidón intraplastidial como producto de reserva, células móviles con la presencia de dos flagelos (Pedroche 2012).

Las plantas, como organismos sésiles autótrofos, son capaces de captar energía luminosa y convertirla en energía química, que será usada como fuente de carbono. Por lo tanto, el proceso de fotosíntesis se define como la síntesis de carbohidratos por parte de las plantas verdes o por organismos pigmentados usando CO2 y agua para liberar Oxígeno molecular (O2) en presencia de luz solar.

Imagen1

Gracias al proceso de fotosíntesis es posible la vida en la tierra, ya que la vida se basa en este importante proceso, de modo que sin fotosíntesis NO habría vida, al menos como hoy la conocemos. La importancia y relevancia de este proceso en la comunidad científica es tan obvio que ha habido 10 premios Nobel a investigadores en el área de Química que han contribuido a un mejor conocimiento de la Fotosíntesis.

Premios nobel fotosintesis

Representación esquemática que representa las contribuciones significativas de los premios Nobel del campo de la fotosíntesis. Fuente: Wungrampha  et al 2018

Richard Willstatter (1915): Purificó la clorofila a y b

Hans Fischer (1930): Identificó la estructura molecular de las porfirinas, estructuras compartidas entre la clorofila y la hemoglobina.

Paul Karrer (1937): Identificó la estructura química de los carotenoides, vitamina A y C.

Richard Kuhn (1938): Descubrió los α, β, y γ-carotenos.

Melvin Calvin (1961): Describió la ruta de fijación del CO2 (Ciclo de Calvin–Benson–Bassham).

Robert Woodword (1965): Sintetizó la clorofila, la quinina, el colesterol, la cefalosporina y la colchicina.

Peter Mitchell (1978): Descubrió el mecanismo quimiostático de la síntesis del ATP.

Rudolph Marcus (1992): formuló las reacciones de tasa de transferencia de electrones (Marcus theory).

Robert Huber, Hartmut Michael, y Johann Dissenhofer (1988): Cristalizaron los complejos colectores de luz y el centro de reacción en Rhodobacter.

Paul Delos Boyer, John Ernest Walker y Jens Christian Skou (1997): Descubrieron la ATP sintasa, enzima responsable de la síntesis de ATP.

           Las contribuciones de todas estas investigaciones hizo posible poder conocer mejor el proceso de fotosíntesis. Sin embargo, queda todavía mucho para entender mejor dicho proceso con el fin de mejorar su rendimiento y la producción de alimentos. Esto adquiere una especial importancia si pensamos que la población humana podría superar los 9000 millones para 2050 y que cada vez habrá menos suelo disponible y menos agua para cultivar. Se prevé que para ese momento (año 2050), además de más población, tendremos unos 50 millones de hectáreas menos para dedicarlas al cultivo debido a las condiciones medioambientales, incluyendo la mayor salinización de suelos,  menos disponibilidad de agua y la aparición de nuevas plagas, entre otros problemas.

Bibliografía

Wungrampha S, Joshi R, Singla-Pareek SL, Areek A (2018) Photosynthesis and salinity: are these mutually exclusive? Photosynthetica Vol 56 (en prensa).

Pedroche FF (2012) Clorobiontes. En: El Árbol de la Vida: Sistemática y evolución de los seres vivos. Pablo Vargas y Rafael Zardoya (Eds.) Madrid ISBN 97-84-615-9740-6.

Ruiz-Trillo I (2012) Eucariotas. En: El Árbol de la Vida: Sistemática y evolución de los seres vivos. Pablo Vargas y Rafael Zardoya (Eds.) Madrid ISBN 97-84-615-9740-6.

 

Jose A Hernandez Dic 2017RecJosé A. Hernández es Investigador Científico del Grupo de Biotecnología de Frutales (CEBAS-CSIC)

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ACLIMATACIÓN DE PLANTAS DE STEVIA A CONDICIONES EX-VITRO Y ESTUDIO DE SU RESPUESTA A SALINIDAD

 

El Grupo de Biotecnología de Frutales ha conseguido micropropagar y aclimatar plantas de Stevia rebaudiana y estudiar su respuesta  a salinidad en macetas.

La Stevia es un edulcorante natural no calórico que posee una capacidad endulzante unas 300 veces superior a la sacarosa. La producción a gran escala de Stevia se ve limitada en primer lugar por la baja germinación de sus semillas. En este sentido, en nuestro grupo, hemos desarrollado un protocolo para multiplicar las plantas de Stevia en condiciones in vitro con el fin de obtener plantas clonales.

Enraizamiento de plantas in vitro y aclimatación a condiciones ex-vitro

Estas plantas, adaptadas a condiciones ex vitro (en macetas) se sometieron a estrés salino y comprobamos que desarrollaban mecanismos de adaptación para crecer con salinidades de 2 y 5 g/L.  Entre dichos mecanismos observamos adaptaciones fisiológicas relacionadas con el desarrollo, acumulación de iones y fluorescencia de clorofilas. Por otro lado, también tenían lugar una serie de adaptaciones a nivel bioquímico como cambios en enzimas antioxidantes, contenido de clorofilas y prolina (aminoácido implicado en la tolerancia a estrés salino). Estos cambios les permiten sobrevivir en dichas condiciones de estrés ya que les permiten un ajuste osmótico, una protección de la fotosíntesis y una defensa frente al estrés oxidativo provocado por la salinidad.

Control                         2 g/l                           5 g/l

Efecto de la salinidad en el crecimiento de plantas de stevia y en la fluorescencia de clorofila (de arriba a abajo, qN, qP y NPQ).

En lo que a la producción de esteviósidos, hemos descrito un aumento con la edad de la planta de los contenidos del esteviósido que tiene mejores características comerciales, el Rebaudiósido A, lo que puede tener un interés comercial. Además, observamos que la salinidad no afectaba de una forma significativa la concentración del Rebaudiósido A.

Este trabajo demuestra que es posible usar aguas salinas u otras fuentes alternativas, como aguas de depuradora, para crecer estas plantas así como para la producción de este tipo de edulcorantes naturales.

Stevia La Verdad

Equipo Investigador

 

Para más información

Daniel Cantabella, Abel Piqueras, José Ramón Acosta.Motos, Agustina Bernal-Vicente, José A. Hernández, Pedro Díaz-Vivancos (2017) Salt-tolerance mechanisms induced in Stevia rebaudiana Bertoni: Effects on mineral nutrition, antioxidative metabolism and steviol glycoside content. Plant Physiol Biochem 115: 484-496. d.o.i.:10.1016/j.plaphy.2017.04.023.


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La Fotorrespiración: Un mecanismo de protección para la fotosíntesis en condiciones de estrés ambiental

José A. Hernández Cortés (Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS-CSIC, Murcia)

La RUBISCO (Ribulosa 1,5 bifosfato Carboxilasa-Oxigenasa) tiene la capacidad de catalizar tanto la carboxilación (ciclo de Calvin-Benson) como la oxigenación de la Ribulosa 1,5-bifosfato (Miziorko y Lorimer 1983). Mientras que la carboxilación de la Ribulosa 1,5-bifosfato da lugar a dos moléculas de 3-fosfoglicerato, la oxigenación produce una molécula de 3-fosfoglicerato y otra de 2-fosfoglicerato. Este proceso de oxigenación de la Ribulosa 1,5 bifosfato se continúa con una serie de reacciones enzimáticas que tienen lugar en tres compartimentos celulares: cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias. Por eso no es raro ver a estos tres orgánulos muy próximos el uno del otro en una célula vegetal en hojas (Fig 1). A este conjunto de reacciones se le conoce con el nombre de fotorrrespiración (o ciclo fotosintético C2 de oxidación del carbono) y ocurre fundamentalmente en las plantas denominadas C3 (Ogren 1984).

Fig. 1. Micrografía mostrando la cercanía de cloroplastos (C), peroxisomas (P) y mitocondrias (M) en una célula vegetal de una planta C3. Micrografía tomada en cooperación con el Dr. Enrique Olmos (CEBAS-CSIC)

Fig. 1. Micrografía mostrando la cercanía de cloroplastos (C), peroxisomas (P) y mitocondrias (M) en una célula vegetal de una planta C3. Micrografía tomada en cooperación con el Dr. Enrique Olmos (CEBAS-CSIC)

 

¿Qué funciones tiene la Fotorrespiración

El valor adaptativo de la fotorrespiración todavía es materia de debate para muchos fisiólogos vegetales. La fotorrespiración funciona al mismo tiempo que el Ciclo de Calvin-Benson y contribuye a un amplio rango de procesos en el cloroplasto, desde bio-energéticos hasta del metabolismo del C y de asimilación de N. Por ejemplo, el fosfoglicerato se incorpora directamente al Ciclo de Calvin-Benson, mientras que el fosfoglicolato se hidroliza para producir glicolato, que es metabolizado en mitocondrias y en peroxisomas. En el peroxisoma el glicolato se transforma en glicina, que posteriormente es descarboxilada en la mitocondria para producir serina, NH4+ y NADH:

Glicina serina

El NH4+ difunde hasta el cloroplasto donde se asimila para formar glutamina (a partir de glutamato), mientras que el NADH puede ser oxidado en la cadena de transporte electrónico de la mitocondria. La serina puede difundir al peroxisoma donde es convertida en glicerato, el cual pasa al cloroplasto para ser fosforilado y formar 3-fosfoglicerato que de nuevo entra en el ciclo de Calvin-Benson.

Como funciones más reconocidas para esta ruta cabe destacar:

1.- Se recupera carbono que podría perderse en forma de 2-fosfoglicerato al principio de la ruta. La fotorrespiración recupera un 75% del carbono perdido como glicerato que de nuevo puede entrar al Ciclo de Calvin-Benson. Es decir, 2 moléculas de 2-fosfoglicolato (4 C) que se pierden en la oxigenación de la Rubisco se transforman en una molécula de 3-fosfoglicerato (3 C). Esta conversión requiere la hidrólisis de una molécula de ATP. Además, la descarboxilación de la glicina en la mitocondria libera una molécula de CO2 que podría llegar al cloroplasto y ser fijada por la Rubisco y entrar en el Ciclo de Calvin.

2.- Otra función atribuida a la fotorrespiración es minimizar la foto-inhibición del aparato fotosintético causado por un exceso de poder reductor formado en el cloroplasto en condiciones de estrés ambiental (alta intensidad luminosa, elevada temperatura, déficit hídrico, salinidad, etc…). Cuando los aceptores electrónicos están saturados, el aparato fotosintético usa sustratos alternativos para eliminar el exceso de poder reductor generado por el flujo electrónico. La fotosíntesis en estas condiciones puede dar lugar a la generación de especies reactivas del oxígeno (ROS) que pueden ocasionar daños oxidativos al cloroplasto y a la célula. La fotorrespiración consume  O2 y ATP en el cloroplasto evitando su acumulación. El consumo de O2 en el cloroplasto minimiza su uso como aceptor de electrones en el PSI (reacción de Mehler) o que interaccione con moléculas de clorofila excitadas. Esto minimiza la formación de ROS.

3.- En el estroma del cloroplasto, la glutamina sintetasa y la glutamato sintasa dependiente de ferredoxina (GOGAT) usan el NH4+ y el 2-oxoglutarato, para recuperar el N inicialmente perdido con el glutamato exportado desde el cloroplasto al peroxisoma. En estas reacciones se produce 2 moléculas de Ferredoxina oxidada (Fdox) y dos de ADP, que son empleadas como aceptores electrónicos en la cadena de transporte fotosintético.

En este sentido, la fotorrespiración disipa el exceso de equivalentes reducidos previniendo la sobre-reducción de la cadena de transporte fotosintético.

Cuando se produce un descenso en la relación CO2/O2 intracelular debido al cierre estomático, que se produce en respuesta a estrés hídrico o salino, se suele incrementar el flujo a través de la fotorrespiración.

Fig. 2.- La Fotorrespiración previene la sobre-reducción de la cadena de transporte electrónico en el cloroplasto. La ruta recupera el 75% del C perdido al principio en forma de fosfoglicolato. Además regenera aceptores electrónicos en la cadena de transporte fotosintético (Fdox y ADP) (Imagen tomada de Taiz y Zeiger 2006).

Fig. 2.- La Fotorrespiración previene la sobre-reducción de la cadena de transporte electrónico en el cloroplasto. La ruta recupera el 75% del C perdido al principio en forma de fosfoglicolato. Además regenera aceptores electrónicos en la cadena de transporte fotosintético (Fdox y ADP) (Imagen tomada de Taiz y Zeiger 2006).

 

Producción de H2O2 por la Fotorrespiración

En plantas C3 crecidas en condiciones que favorecen una elevada tasa de oxigenación de la Rubisco, tal como un día muy soleado, un estrés hídrico o salino, la ruta fotorrespiratoria es probablemente el proceso más importante y rápido en generar H2O2.

El H2O2 se forma en el peroxisoma durante la oxidación del glicolato a glioxilato por la enzima glicolato oxidasa. En esta situación, la enzima catalasa es crucial para eliminar el H2O2 generado en la fotorrespiración.glicolato oxidasa catalasa

La importancia de la catalasa para realizar esta función se ha demostrado con plantas mutantes que presentan baja actividad catalasa o empleando la tecnología antisentido (plantas transformadas con un gen que codifica para la catalasa pero insertado a la inversa provocando así la ausencia del correspondiente mRNA, por lo que no se sintetiza la proteína). Además, se ha demostrado que la catalasa es importantísima para mantener el balance redox celular en condiciones de estrés oxidativo (alta intensidad luminosa, salinidad, ozono etc…) (Willekens et al. 1997).

Aunque los peroxisomas contienen todos los componentes del ciclo ascorbato-glutatión (ASC-GSH) (Jiménez et al., 1997) no es capaz de eliminar la gran cantidad de H2O2 generado en el peroxisoma cuando hay un alto flujo fotorrespiratorio. Sin embargo, una de las funciones atribuidas al ciclo ASC-GSH en el peroxisoma es eliminar el H2O2 que podría difundir por la membrana del peroxisoma y evitar un estrés oxidativo en el citosol (Jiménez et al., 1997, 1998).

La catalasa es un hemoproteína con una alta actividad pero con una baja afinidad (alta Km) por el H2O2. Actúa con altas concentraciones de H2O2, mientras que la APX posee una alta afinidad (baja Km), por lo que es muy activa con bajos niveles de H2O2, actuando en la regulación fina de los niveles intracelulares de H2O2. Esto quiere decir que la eliminación de H2O2 por la catalasa requiere altas concentraciones de esta enzima, mientras que la eliminación por APX requiere menos niveles de enzima. Los altos niveles de enzima catalasa requeridos para esta función se reflejan en los grandes cristales de catalasa que se pueden observar en fotografías de peroxisomas tomadas con microscopio electrónico (Fig 3).

Fig 3. Micrografía mostrando los tres orgánulos implicados en la fotorrespiración, donde se aprecia la localización de la catalasa en la matriz del peroxisoma como una inclusión de forma cuadrada. Imagen sacada del libro “Plant Peroxisomes” (Huang et al, 1983). C, cloroplasto, m , mitocondria, P, peroxisoma).

Fig 3. Micrografía mostrando los tres orgánulos implicados en la fotorrespiración, donde se aprecia la localización de la catalasa en la matriz del peroxisoma como una inclusión de forma cuadrada. Imagen sacada del libro “Plant Peroxisomes” (Huang et al, 1983). C, cloroplasto, m , mitocondria, P, peroxisoma).

 

La generación de H2O2 en la fotorrespiración puede incluso ser mayor que el generado en la reacción de Mehler-peroxidasa (Foyer y Noctor 2003) (ver también https://antioxidantsgroup.wordpress.com/2015/10/06/funcion-del-ascorbato-en-la-proteccion-de-la-fotosintesis-i-la-reaccion-de-mehler-y-el-ciclo-agua-agua/).

Existe una fuerte correlación entre  los niveles de actividad catalasa y la tasa fotosintética. La inhibición de la actividad catalasa con el inhibidor aminotriazol hace disminuir la tasa de asimilación de CO2 (Amory et al., 1992). Esto podría ser debido a que el H2O2 es un inhibidor de enzimas que están reguladas por el sistema tiorredoxina como ocurre con algunas enzimas del Ciclo de Calvin-Benson (Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, Fructosa-1,6-bisfosfatasa, Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa, Fosforibuloquinasa….) (Jacquot et al (1993).

La inhibición de la actividad catalasa puede producirse en condiciones de estrés que afecten a la síntesis de proteínas (salinidad, estrés hídrico, altas y bajas temperaturas etc….) (Vock y Feierabend 1989). Esto tendría un efecto inmediato de acumulación de H2O2 en el peroxisoma, que podría difundir a través de la membrana de este orgánulo y afectar a otros compartimentos celulares.

Conclusiones

Como hemos comentado anteriormente, las funciones adscritas a la fotorrespiración sigue siendo un tema de debate. Cuando se describió este conjunto de reacciones no se le pudo asignar ninguna función útil a la fotorrespiración por diferentes motivos (ver Figura 4):

1.- Se pierde ribulosa-1,5-bisfosfato para el ciclo de Calvin-Benson

2.-La fijación de CO2 se invierte: se consume O2 y se libera CO2 en presencia de luz (de ahí el  nombre de fotorrespiración).

3.-Sólo una parte del carbono se recicla

4.- Gasto de ATP de forma innecesaria.

Figura 4.- Flujo del carbono y del oxígeno en el ciclo de Calvin y en la fotorrespiración. (Imagen tomada de Taiz y Zeiger 2006).

Figura 4.- Flujo del carbono y del oxígeno en el ciclo de Calvin y en la fotorrespiración. (Imagen tomada de Taiz y Zeiger 2006).

 

Se consideró que la fotorrespiración era una ruta metabólica residual, ineficaz e incluso inútil. Era como si la fotorrespiración deshiciera lo realizado por la fotosíntesis. Pero investigaciones posteriores pusieron de manifiesto que tanto la fotorrespiración como la fotoinhibición (interrupción controlada del PS II) son muy importantes para la regulación de la fotosíntesis. De hecho, mutantes incapaces de hacer fotorrespiración no son capaces de crecer en  condiciones ambientales normales, o la supresión del proceso por manipulación genética produce desequilibrios en la planta.

Por tanto, con el paso del tiempo diferentes investigaciones han ido atribuyendo a la fotorrespiración un efecto protector para el proceso de fotosíntesis. Por ejemplo, en situaciones donde la concentración del CO2 es baja. Esta situación ocurre cuando las plantas están creciendo en condiciones de alta intensidad luminosa, cuando hay limitaciones hídricas, salinidad etc… En tales situaciones, un descenso en el proceso de asimilación de CO2 no permitiría una regeneración de los aceptores de electrones en la cadena de transporte fotosintético, especialmente NADP+ y ADP, lo que favorecería la generación de ROS.  En estas condiciones, la fotorrespiración es un sumidero alternativo de energía o de poder reductor (Arellano y De la Rivas 2006). Consume, como hemos visto, O2 y ATP en el cloroplasto evitando su acumulación. El consumo de O2 en el cloroplasto minimiza su uso como aceptor de electrones en el PS I (reacción de Mehler; ver también https://cienciacebas.wordpress.com/2015/10/06/funcion-del-ascorbato-en-la-proteccion-de-la-fotosintesis-i-la-reaccion-de-mehler-y-el-ciclo-agua-agua/) o que interaccione con moléculas de clorofila excitadas. Esto minimiza la formación de ROS. Además, permite un flujo electrónico que favorece la recuperación de C para el Ciclo de Calvin-Benson y de aceptores electrónicos (Fdox y ADP).

Es cierto que la fotorrespiración reduce la eficiencia fotosintética (Arellano y De la Rivas 2006), pero ofrece a cambio un mecanismo de fotoprotección en condiciones adversas que opera junto a otros mecanismos de protección, como el ciclo agua-agua y el ciclo de las xantofilas (ver también https://antioxidantsgroup.wordpress.com/2015/10/06/funcion-del-ascorbato-en-la-proteccion-de-la-fotosintesis-i-la-reaccion-de-mehler-y-el-ciclo-agua-agua/ y https://antioxidantsgroup.wordpress.com/2015/10/13/funcion-del-ascorbato-en-la-proteccion-de-la-fotosintesis-ii-los-carotenoides-y-el-ciclo-de-las-xantofilas/).

En consequencia, la Rubisco, enzima sumidero de CO2 o de O2 garantiza un consumo de ATP y NADPH bien mediante el ciclo fotorreductor del carbono (ciclo de Calvin-Benson) o mediante el fotooxidativo (fotorrespiración) (Arellano y De las Rivas 2006).

 

Bibliografía

Arellano y De las Rivas (2006) Investigación y Ciencia Marzo, pp. 42-50.

Amory et al (1992) Plant Cell Environm 15: 655-663.

Foyer y Noctor (2003) Physiol Plant 119: 355-364.

Huang AHC, Trelease RN, Moore TS Jr (1983) Plant Peroxisomes. Academic Press Inc., New York

Jacquot et al (1993) New Phytol 136: 543-570.

Jiménez et al (1997) Plant Physiol 114: 275-284

Miziorko y Lorimer (1983) Ann. Rev. Biochem. 52:507-535.

Ogren (1984) Ann. Rev. Plant Physiol. 35:415-422.

Taiz y Zieger (2006) Fisiología Vegetal, tercera Edición. Servicio de Publicaciones de la Universidad Jaime I, Castellón (España).

Vock y Feierabend (1989) Plant Cell Environm 12:701-712.

Willekens et al (1997) EMBO J. 16 : 4806-4816.

JA Hernandez

José A. Hernández Cortés es Investigador Científico en el CEBAS-CSIC


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FUNCION DEL ASCORBATO EN LA PROTECCIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS: (II) Los carotenoides y el ciclo de las Xantofilas

José A. Hernández Cortés y Pedro Díaz Vivancos (Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS-CSIC)

Los carotenoides, además de servir como pigmentos accesorios, cumplen una función esencial en la fotoprotección de la maquinaria fotosintética. Los mecanismos de fotoprotección actúan como válvulas de seguridad, eliminando o liberando el exceso de energía antes de que pueda dañar a la planta.

Cuando la energía almacenada en las moléculas de clorofila en estado excitado se disipa rápidamente (mediante transferencia de excitación o fotoquímica) se dice que ese estado excitado está capturado (en inglés “quenched”) (Fig. 1). En castellano, el vocablo quenched significa apagado, aplacado, sofocado, calmado, extinguido, mitigado….. Si el estado de excitación de las clorofilas no es extinguido mediante transferencia fotoquímica (a través de la cadena de electrones) puede reaccionar con el oxígeno molecular (O2 ) y formar un estado excitado de esta molécula denominado oxígeno singlete (1O2) (Fig. 1). Esta forma activada del O2 puede reaccionar con cualquier componente celular, especialmente con los lípidos de las membranas celulares (Taiz y Zeiger 2010).

Los carotenoides ejercen su acción fotoprotectora mediante la captura del estado excitado de las clorofilas. El estado excitado de los carotenoides no tiene suficiente energía como para transferirla al O2 (por lo tanto no se forma 1O2), de modo que este estado excitado de los carotenoides decae hasta su estado fundamental perdiendo la energía en forma de calor (Fig. 1).

Fig 1 para ciclo X

Fig. 1.-  A: Condiciones donde toda la energía absorbida por la clorofila (Chl) es usada para la fotosíntesis. B: Condiciones de estrés lumínico donde sólo una parte de la energía absorbida por la Chl es usada para hacer fotosíntesis. En este último caso, para te la energía de excitación puede ser transferida al O2 para formar oxígeno singlete (1O2). El exceso de energía puede ser disipado de una forma segura en procesos fotoprotectivos en presencia de Zeatina a pH ácido en el interior de las membranas de los tilacoides con el fin de prevenir la formación de 1O2 . En este caso, la energía de la Chl excitada se puede usar para procesos fotoquímicos o bien se puede perder de forma segura en forma de calor. Modificado a partir de Demming-Adams y Adams (1996).

 

 

Se denomina quenching no fotoquímico (NPQ) a la captura de la fluorescencia de las clorofilas por procesos diferentes a los fotoquímicos. Gracias a los procesos de NPQ, una fracción importante de la energía de excitación de los sistemas antena causado por un estrés lumínico es capturado (quenched) y convertido en calor (Baker 2008). En este sentido, el NPQ está implicado en los mecanismos de protección de la maquinaria fotosintética cuando se produce una sobreexcitación, protegiendo de los posibles daños derivados. Los mecanismos moleculares del NPQ no están del todo dilucidados y se sugiere que hay varios procesos de quenching. El pH del lumen tilacoidal y el estado de agregación de los complejos antena son factores importantes. Además, se sabe que tres carotenoides, denominados xantofilas, están implicados en este mecanismo de NPQ: La violaxantina (V), la anteroxantina (A) y la zeaxantina (Z) (Taiz y Zeiger 2010).

En condiciones de alta iluminación (o debido a otro tipo de estrés que cause una limitación en la fijación de CO2 como la sequía o salinidad), la V es convertida a Z, pasando por el intermedio A, por acción de la enzima Violaxantina de-epoxidasa (VDE) en una reacción dependiente de ascorbato (ASC). A este conjunto de reacciones se le conoce como Ciclo de las Xantofilas (Fig. 2), implicado en la disipación del exceso de energía luminosa en forma de calor en las hojas.

Cuando el estrés desaparece o se reduce, el proceso se revierte (paso de Z a A). En este proceso se consume NADPH, generando NADP+, el aceptor final de electrones de la cadena de transporte. Por lo tanto, volvemos a encontrarnos con el ASC mediando una función protectora de la maquinaria fotosintética.

La unión de los protones y de la Z a las proteínas de las antenas colectoras de luz en los tilacoides, causan cambios conformacionales que conducen a la captura de energía y a la disipación en forma de calor (Demming-Adam y Adams 1992).

 

La deficiencia de ASC limita el ciclo de las Xantofilas

Como hemos comentado anteriormente, en respuesta a una alta intensidad luminosa (y a otros estreses, que pueden ir combinados), las plantas ponen en marcha mecanismos que les permiten disipar el exceso de luz absorbida en forma de calor. Uno de estos mecanismos es el NPQ, que requiere de la conversión de V a Z, por acción de la enzima VDE. Esta enzima se localiza en el lumen de los tilacoides, se activa a pH ácido (aprox 6.5, con una actividad máxima a pH 5) y necesita ASC como poder reductor (donador de electrones). Para comprobar la importancia fisiológica del ASC para el proceso de NPQ se han realizado experimentos empleando mutantes de Arabidopsis que contienen bajos niveles de ASC, como el mutante vtc, que contiene un 25% de los niveles de ASC que contienen las plantas silvestres. Cuando las plantas se crecen en presencia de una alta intensidad luminosa (1500 µmoles fotones m-2 s-1) los mutantes presentaron valores más bajos de NPQ, pero valores similares de ETR (tasa de transporte electrónico). Este menor NPQ era paralelo a una menor tasa de conversión de A a Z medido en tilacoides aislados. Cuando se aplicaba ASC a las hojas o a preparaciones de tilacoides se rescataba el fenotipo mutante, ya que se conseguía un aumento en NPQ y en los niveles de Z estableciéndose una unión clara entre ASC, Z y NPQ (Müller-Moulé et al., 2002).

 

Fig 2. Ciclo de las Xantofilas. Conversión de violaxantina (V) en zeaxantina (Z) en condiciones de estrés lumínico (o por efecto de otro tipo de estrés)  en una reacción dependiente de ASC. Cuando el estrés cesa, el paso de Z a V requiere NADPH generando NADP+, el aceptor final de la cadena de transporte de electrones.

Fig 2. Ciclo de las Xantofilas. Conversión de violaxantina (V) en zeaxantina (Z) en condiciones de estrés lumínico (o por efecto de otro tipo de estrés) en una reacción dependiente de ASC. Cuando el estrés cesa, el paso de Z a V requiere NADPH generando NADP+, el aceptor final de la cadena de transporte de electrones.

 

La susceptibilidad a estrés oxidativo mostrado por los mutantes deficientes en ASC se puede explicar no sólo por su reducida capacidad antioxidante sino también por presentar un ciclo de las xantofilas menos activo, reflejado por reducidos niveles de NPQ.

La relación ASC-NPQ también se ha demostrado empleando mutantes que sobreproducen ASC (mutante miox4), que presentan altos valores de NPQ (Tòth et al., 2011). Por otro lado, se ha demostrado también una función importante de la enzima deshidroascorbato reductasa (DHAR, enzima que recicla el ASC) en el proceso de NPQ, ya que la supresión de la expresión de esta enzima daba lugar a bajos valores de NPQ y a un aumento de los contenidos de especies reactivas del oxígeno (ROS) con tratamientos de estrés lumínico (Chen y Gallie 2008).

Conclusiones

El ciclo de las Xantofilas constituye un mecanismo de defensa para proteger a la fotosíntesis (y por tanto al cloroplasto) que permite la eliminación del exceso de energía en forma de calor de forma segura. La acción de este ciclo previene la formación de 1O2 evitando daños oxidativos. Como podemos comprobar, de nuevo el ASC es una pieza importante en el mecanismo de acción de este ciclo, ya que en su ausencia se produce un descenso en los procesos de quenching no fotoquímico (NPQ).

Referencias

  • Baker NR (2008) Annu. Rev. Plant Biol. 59: 89-113.
  • Chen y Gallie (2008) J. Biol. Chem. 283: 21347-21361.
  • Demming-Adam and Adams (1992) Annu. Rev. Plant Physiol Plant Mol. Biol. 43: 599-626.
  • Demming-Adam and Adams (1996) Trend in Plant Sci 1: 21-26
  • Müller-Moulé et al (2002) Plant Physiol 128: 970-977
  • Taiz y Zieger (2010) Plant Physiology, Fifth edition. Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA, USA. ISBN 978-0-87893-866-7.
  • Tôth et al (2013) Physiol Plant 148: 161-175.


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FUNCION DEL ASCORBATO EN LA PROTECCIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS: (I) La reacción de Mehler y el ciclo agua-agua

José A. Hernández Cortés y Pedro Díaz-Vivancos (Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS-CSIC)

El ascorbato (ASC, también llamado Vitamina C) es una molécula multifuncional en las plantas. La mayoría de las funciones biológicas del ASC derivan de su capacidad para actuar como un agente reductor (es decir, que cede electrones a otras moléculas). Esta capacidad hace del ASC una molécula antioxidante muy eficaz.

Además de su papel como antioxidante, el ASC puede participar en otras funciones, como en el desarrollo celular, en la síntesis de la pared celular, modula la síntesis de algunas fitohormonas (ácido abcísico, giberelinas, etileno, ácido salicílico), participa en el control del movimiento de los estomas (https://cienciacebas.wordpress.com/2013/12/12/regulacion-del-cierre-estomatico-una-funcion-representada-por-varios-actores/), interviene en la acumulación de antocianos durante la aclimatación a alta intensidad luminosa, etc…

Sin embargo, en esta entrada vamos a centrarnos en la función(es) del ASC en el cloroplasto como un protector de la maquinaria fotosintética.

Función antioxidante del ASC en el estroma del cloroplasto

El ASC, junto con el glutatión (https://cienciacebas.wordpress.com/2013/04/03/glutation-una-molecula-para-todo/), participa en la eliminación de especies reactivas del oxígeno (ROS) en el denominado ciclo agua-agua (Asada 1999). Este ciclo comienza con la denominada reacción de Mehler. La reducción del oxígeno molecular (O2) hasta superóxido y H2O2 por los electrones de la cadena de transporte electrónico fotosintético en el PSI se denomina “Reacción de Mehler” (Mehler 1951) (Fig. 1).

Fig. 1. Reacción de Mheler. PS, fotosistema; SOD, superóxido dismutasa.

Fig. 1. Reacción de Mehler. PS, fotosistema; SOD, superóxido dismutasa.

Años más tarde, el profesor Kozy Asada describió el denominado ciclo agua-agua, esto es la fotorreducción del O2 hasta agua en el PSI empleando los electrones procedentes de la fotólisis del agua en el PSII (Asada, 1999, 2006). Este ciclo incluye la reacción de Mehler, es decir, comienza con la fotólisis de la molécula de agua en el PSII, la fotorreducción del O2 para producir radicales superóxido (O2.- ) en el PSI y la dismutación del O2.- hasta H2O2 por acción de la isoenzima Cu,Zn-SOD unida a tilacoides.

El ciclo agua-agua continúa con la reducción del H2O2 hasta agua por la acción de la enzima ascorbato peroxidasa (APX). Esta reacción puede ocurrir tanto en el tilacoide como en el estroma, ya que parte del H2O2 producido puede difundir al estroma del cloroplasto. En esta reacción, la APX usa el ASC como donador de electrones para reducir el H2O2 hasta agua generando radicales monodeshidroascorbate (MDHA).APX

A continuación, el MDHA generado tiene que ser reducido para regenerar el ASC. Esta reacción puede ocurrir de dos formas:

Bien puede ocurrir de forma espontánea vía ferredoxina reducida (Fdred) en el PSI,

Mono espontanea

o bien mediante la reacción de la enzima monodeshidroascorbato reductasa (MDHAR) en el estroma del cloroplasto:

MDHAR

Además, el MDHA puede desproporcionar directamente para producir ASC y deshidroascorbato (DHA), que puede difundir al estroma, donde es reducido hasta ASC por acción de la enzima deshidroascorbato reductasa (DHAR), en una reacción dependiente de GSH (glutatión reducido) generando glutatión oxidado (GSSG). A continuación el GSH es regenerado a partir de GSSG por acción de la enzima glutatión reductasa (GR) que emplea NADPH como poder reductor:

DHAR y GR

Como podemos ver en estas reacciones, el ciclo agua-agua proporciona aceptores electrónicos para el PSI, es decir, Fdox y NADP+.

Fig. 2 Esquema del Ciclo Agua-agua (desarrollado a partir del ciclo agua-agua descrito por Asada (1999).

Fig. 2 Esquema del Ciclo Agua-agua (desarrollado a partir del ciclo agua-agua descrito por Asada (1999).

En el esquema del ciclo agua-agua (flechas azul marino) podemos observar que la mitad de los electrones derivados de la fotólisis del agua en el PSII son utilizados para la reducción del O2 hasta O2.-, mientras que la otra mitad se emplean para regenerar las moléculas reductoras (el ASC) que se emplean para reducir el H2O2 hasta agua.

Funciones de la Reacción de Mehler y del ciclo agua-agua

La generación de ROS en el cloroplasto está influida por factores fisiológicos y ambientales, de modo que esta tasa aumenta cuando el flujo de intensidad luminosa está en exceso del requerido para la fijación de CO2 (Asada 1999, 2006). La fotoproducción y eliminación de ROS no sólo protege al cloroplasto de los efectos dañinos de dichos ROS sino que también actúa como una válvula de escape para el exceso de fotones. En este sentido el ciclo agua-agua cumple una serie de funciones de protección:

 

1.- Ajuste de la relación ATP/NADPH

El ciclo agua-agua (incluyendo la reacción de Mehler) proporciona un flujo lineal de electrones favoreciendo la generación de un gradiente de protones a través de la membrana del tilacoide, lo que permite la síntesis de ATP que no es consumido en el ciclo agua-agua (a esta producción de ATP se le denomina fotofosforilación pseudocíclica). Por lo tanto, permite un aumento del ratio ATP/NADPH en el cloroplasto. Una alta relación ATP/NADPH favorece la ruta fotorrespiratoria, por lo que podemos decir que el ciclo agua-agua aporta ATP adicional para la fotorrespiración.

2.-Protección frente a las ROS

Si el ciclo no fuese activo, tanto O2.- como H2O2 difundirían al estroma y oxidarían moléculas diana en el cloroplasto. En presencia de metales de transición (Fe, Cu), liberados de las proteínas, se podría catalizar la generación de radicales hidroxilo (.OH). La acumulación de H2O2 podría inhibir la APX en ausencia de ASC. La fijación de CO2 se inhibe hasta un 50% en presencia de 10 µM de H2O2 (Kaiser 1976). Además, el H2O2 es un inhibidor de las enzimas CuZn-SOD, Fructosa 1,6-bifosfatasa; Ribulosa 5 fosfato Kinasa, gliceraldehído-3-P- deshidrogenasa, sedoheptulosa 1,7-bisfosfatasa.

El radical O2.- inhibe enzimas que contiene grupos 4Fe-4S (como aconitasa o 6-fosfogluconato dehidratasa), mientras que los radicales .OH inhiben las enzimas glutamato sintasa y Rubisco.

3.- Disipación del exceso de fotones en condiciones de estrés

El ciclo agua-agua induce y mantiene la denominada “down-regulation” del PS II (una bajada de la actividad del PSII) mediante la generación de un gradiente de protones. Este gradiente de protones es importante para la formación de zeatina en el lumen de los tilacoides (este mecanismo lo veremos en una siguiente entrada “ciclo de las xantofilas” en el que el ASC tiene también una función importante).

Además, el ciclo puede disipar el exceso de fotones utilizando el O2 como aceptor de electrones generando H2O sin producirse la liberación de O2.- ni de H2O2 incluso si los aceptores electrónicos fisiológicos no están disponibles.

 

CONCLUSIONES

  • El ASC tiene un papel fundamental en la eliminación del H2O2 generado en la reacción de Mehler.
  • El ciclo Agua-Agua regenera aceptores electrónicos cono la Fdox y NADP+. Este último es el aceptor final preferido en la cadena de transporte.
  • El ciclo Agua-Agua genera ATP que puede ser utilizado en el Ciclo de Calvin-Benson o en la ruta fotorrespiratoria.
  • El ciclo Agua-Agua actúa como una válvula de escape permitiendo disipar el exceso de fotones en condiciones de estrés ambiental.

 

Referencias

Asada K. (1999) The water-water cycle in chloroplasts: scavenging of active oxygens and dissipation of excess photons. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 50:601-639.

Asada K. (2006) Production and scavenging of reactive oxygen species in chloroplasts and their functions. Plant Physiol. 141: 391-396.

Kaiser (1976) Biochem Biophys Acta 440: 476-482.

Mehler AH (1951) Studies on reactions of illuminated chloroplasts. I. Mechanism of the reduction of oxygen and other Hill reagents. Arch Biochem Biophys. 33:65-77.


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Polyamines and response to salt stress in grapevine plantlets

  • José A. Hernández Cortés, Group of Fruit Biotechnology, CEBAS-CSIC (Murcia, Spain)

A recent work, carried out in our laboratory, studied the role of polyamines in the salt stress adaptation in grapevine (Vitis vinifera L.) plantlets.

Salinity is one of the most important stress factors which limits the growth and development of plants by altering their morphological, physiological and biochemical attributes. Salinity induced a water deficit as well as an ionic toxicity in the plants resulting in an alteration in the ionic homeostasis. In addition to the osmotic and toxic effects, salt stress is also manifested as an oxidative stress, contributing all these factors to the deleterious effects of salinity in plants (Hernández et al., 2001; 2003). To mitigate and repair damage initiated by ROS, plants have developed a complex antioxidant defense system. The primary components of this system include carotenoids, ascorbate, glutathione, tocopherols and enzymes such as superoxide dismutase (SOD, EC 1.15.1.1), catalase (EC 1.11.1.6), glutathione peroxidase (GPX, EC 1.11.1.9), peroxidases and the enzymes involved in the ascorbate-glutathione cycle (ASC-GSH cycle; Foyer and Halliwell 1976): ascorbate peroxidase (APX, EC 1.11.1.1), dehydroascorbate reductase (DHAR, EC 1.8.5.1), monodehydroascorbate reductase (MDHAR, EC 1.6.5.4) and glutathione reductase (GR, EC 1.6.4.2) (Noctor and Foyer 1998).

Plant polyamines (PAs) have been suggested to play important roles in morphogenesis, growth, embryogenesis, organ development, leaf senescence, and abiotic and biotic stress responses (Kusano et al., 2008). Therefore, homeostasis of cellular PA levels is also a defensive strategy that plants have developed to cope with adverse situations (Chinnusamy et al., 2005; Groppa and Benavides, 2008). Putrescine (Put), spermidine (Spd), and spermine (Spm) are the major PA pools commonly present in higher plants and known as active oxygen scavenging compounds being considered as mediators in protective reactions against different stresses (Kovacs et al., 2010). However, PAs can also increase ROS production through its catabolism in the apoplast by the action of Cu-containing amino oxidase (CuAO) and polyamine oxidase (PAO) activities (Smith, 1985).

We studied the effect of salt stress in the presence and the absence of MGBG, an inhibitor of S-adenosylmethionine decarboxylase (SAMDC) activity, involved in PA biosynthesis, in order to investigate the effects of both treatments on photosynthesis and oxidative metabolism providing new information about the contribution of PA metabolism to salt stress adaptation in grapevine plantlets.

 

Results

Salt stress applied in the culture medium of in vitro grapevine plantlets disturbed the growth rate. The application of MGBG, an inhibitor of SAMDC, resulted in further deterioration of plant growth, especially under salt stress conditions. Leaves from salt treated plantlets developed chlorotic symptoms in the leaf margins; this effect was more evident in the presence of both treatments (Fig. 1).Figure-1

Salt stress produced an alteration in the fluorescence chlorophyll parameters in grapevine leaves. In this sense, a decrease in the photochemical quenching parameters [qP and Y(II)] and an increase in the non-photochemical parameters (qN and NPQ) was observed (Fig 2). The presence of the inhibitor MGBG had no important effect on qN, but it decreased NPQ values, as well as qP and Y(II) (Fig. 2).The effect of NaCl and MGBG on Fv/Fm was less pronounced when the measure was performed in the middle of the leaves. However, when Fv/Fm was recorded near the chlorotic areas (in the leaves margins) the effect of NaCl and/or MGBG was more noticeable (Fig. 2).

Figure-2

NaCl and MGBG treatments induced an oxidative stress as shown by the increase in lipid peroxidation level, measured as TBARS. A synergistic effect on lipid peroxidation was observed in salt-treated plantlets grown in the presence of MGBG (Fig. 3). The increase in lipid peroxidation, and therefore the damage to membrane was parallel with ROS accumulation (H2O2 and O2.-) detected by histochemical staining with DAB, or NBT, respectively (Figs. 4 and 5).

Fig-4Fig-5

 

Salt treatment affected the PA contents in grapevine plantlets, especially the free and conjugate forms of agmatine (Agm) and Put. MGBG induced also a small rise in Agm content, whereas Put, Spd and Spm levels remained relatively unchanged in non-salinized plantlets (Fig. 6). The effect of salt-stress on Agm and Put was intensified in the presence of MGBG, mainly in their free forms. Surprisingly, the level of Spd remained unaffected by MGBG whatever its form, while, a 27% decrease in bound Spm was observed in the same conditions (Fig. 6).

Fig-6

Salt-stress induced a decrease in APX activity whereas no significant effect in MDHAR was recorded (Fig. 7). However, significant increases in SOD and POX activities were induced by NaCl (Fig. 7). The incubation of grapevine plantlets in the presence of MGBG produced no effects in APX activity, whereas significant increases in MDHAR, SOD and POX were observed, and a similar situation was recorded in the presence of both treatments (NaCl plus MGBG) (Fig. 7).

Figure-7

Salt-stress slightly affected the reduced ASC contents, although a strong accumulation in oxidized ascorbate (DHA) was recorded. This effect resulted in a strong decrease in the redox state of ascorbate in NaCl-treated plants (Table 1). No effect in the reduced ASC contents was observed when grapevine plantlets were incubated with MGBG. However, a significant decrease was noticed after simultaneous incubation with NaCl and MGBG (Table 1). Surprisingly, in plants treated with MGBG, in absence or presence of NaCl, no accumulation of DHA was noticed. Even a decrease in DHA in relation to control plants occurred, and accordingly, an increase in the redox state of ascorbate (Table 1). Salt-stress also produced a decrease in reduced glutathione (GSH) both in the absence and in the presence of MGBG (Table 1). In contrast, the treatment with MGBG alone had no effect in GSH contents. No significant change in oxidised glutathione (GSSG) was produced, but due to the negative effect of NaCl in GSH, a decrease in the redox state of glutathione was observed in salt-stressed grapevine plantlets (Table 1).

 

Table 1

Results showed that MGBG treatment contribute to the deleterious effect of oxidative stress in grapevine plantlets grown in presence of NaCl, affecting different physiological and biochemical processes, including plant growth, PA levels,  photosynthesis and redox state of the cells, highlighting a possible protecting role of PA homeostasis in plants subjected to salt stress.

These results suggest that maintaining polyamine biosynthesis through the enhanced SAMDC activity in grapevine leaf tissues under salt stress conditions could contribute to the enhanced ROS scavenging activity and a protection of photosynthetic apparatus from oxidative damages.

 

 

References

  • Chinnusamy V, Jagendorf A, Zhu JK. (2005) Understanding and improving salt tolerance in plants. Crop Sci 45:437–448.
  • Foyer CH, Halliwell B (1976) Presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts: a proposed role in ascorbic acid metabolism. Planta 133: 21-25.
  • Groppa MD, Benavides MP. (2008) Polyamines and abiotic stress: recent advances. Amino Acids 2008; 34:35–45.
  • Hernández JA, Ferrer MA, Jiménez A, Ros-Barceló A, Sevilla F. (2001) Antioxidant systems and O2.-/H2O2 production in the apoplast of Pisum sativum L. leaves: its relation with NaCl-induced necrotic lesions in minor veins. Plant Physiol 127:817-831.
  • Hernández JA, Aguilar A, Portillo B, López-Gómez E, Mataix Beneyto J, García-Legaz MF. (2003) The effect of calcium on the antioxidant enzymes from salt-treated loquat and anger plants. Funct Plant Biol 30:1127-1137.
  • Kovacs Z, Simon-Sarkadi L, Szücs A, Kocsy G. (2010) Different effects of cold, osmotic stress and abscisic acid on polyamine accumulation in wheat. Amino Acids 38: 623–631.
  • Kusano T, Yamaguchi K, Barberich T, Takahashi Y. (2007) The polyamine spermine rescues Arabidopsis from salinity and drought stresses. Plant Signal Behav 2:250-251.
  • Noctor G, Foyer CH. (1998) Ascorbate and glutathione: keeping active oxygen under control. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 49: 249-279.
  • Smith TA.  (1985) The di- and poly-amine oxidases of higher plants. Biochem Soc Trans 13:319-322.

 

For more information, please consult:

Ikbal FE, Hernández JA, Barba-Espín G, Koussa T, Aziz A, Faize M, Diaz-Vivancos P. (2014) Enhanced salt-induced antioxidative responses involve a contribution of polyamine biosynthesis in grapevine plants. J Plant Physiol. 2014, 171:779-88. doi: 10.1016/j.jplph.2014.02.006.

 

 

 


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Leaf Gas Exchange Musings

Simon P Driscoll, scientist and jazz musician

Plants are sessile and must adapt to their immediate environment so there is no running away if conditions become bad. This means they have to survive a wide range of sub optimal conditions in order to produce their progeny; these conditions can be either biotic or abiotic. We were interested in water use efficiency, and as a starting point we looked at maize. We had custom built gas exchange equipment which measured photosynthesis rate by measuring the rate of carbon dioxide uptake. Commercial gas exchange systems typically have one leaf chamber and enclose one leaf analysing both leaf surfaces simultaneously. Producing data for maize like our Figure 1.

Simon

Figure 1 shows carbon dioxide on the x axis and carbon dioxide uptake on the Y axis .As we would expect from a C4 species the initial slope is very steep and then the system saturates for the given light intensity. However we built a leaf chamber which measures carbon dioxide uptake on each leaf surface, top and bottom, independently (Figure 2).

Now we can see that the two leaf surfaces are responding to the carbon dioxide increase very differently (Figure 2). Almost all the gas exchange is being accomplished by the bottom surface. The top surface value is much lower rises to a maximum and then falls almost to zero. In maize the ratio of stomata top to bottom is 0.7-0.8 so this difference in carbon dioxide uptake is much greater than the difference in stomata numbers. Having different carbon dioxide uptake and hence different water loss rates (transpiration ) does not make sense if there is free mixing of gases inside the leaf because the control at the surface would achieve nothing internally .We looked at carbon dioxide flux versus a wide range of concentration gradients (Figure 3).

Figure 3.

Figure 3.

C4 plants like maize have the Kranz structure which means they are more internally organised than C3 plants. It was therefore a surprise when we looked at carbon dioxide flux in tobacco leaves and found a carbon dioxide flux of 2.5 ppm for a concentration gradient of almost 2500 ppm. We looked at other C4 plants like Paspalum and found a similar pattern so it looked that assimilation of carbon dioxide was being maximised whilst water loss was being minimised. However when we looked at wheat a different story emerged (Figure 4).

Simon 4

Figure 4. Gas exchange in wheat.

In wheat almost all the gas exchange is via the top surface which is a very different strategy to every other plant we looked at why wheat is different I do not know. Having most gas exchange happening via the lower surface makes sense to me. I cannot see the advantage in having the top surface perform almost all the gas exchange. Also if you invert wheat leaf in the leaf chamber the surface which was the bottom immediately takes over the uptake of carbon dioxide. This shows it is a function of leaf orientation not a surface phenomenon. When the leaf is inverted the surface which was the bottom takes over the gas exchange (Figure 4).

Figure 5 shows that in wheat the water use efficiency is very different for the two surfaces with the top surface being more efficient following the same trend ass the assimilation.

Figura 5.

Figura 5. Wheat water use efficiency

In Maize although the surfaces have different assimilation rates they have similar water use efficiency rates which is higher than in C3 species. What is interesting is that it looks tightly controlled as the Figure 6 shows a straight line with both surfaces falling on the same line. I do not know the mechanism for this I am receptive to any ideas.

Figure 6.

Figure 6. Maize water use efficiency