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Plant ROS Research


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Metabolismo antioxidante y fluorescencia de clorofila durante la aclimatación a condiciones ex vitro de plantas micropropagadas de Stevia rebaudiana Bertoni

En un trabajo reciente, publicado por el grupo del Dr. José A. Hernández en cooperación con el Dr. Abel Piqueras, se ha comprobado que las enzimas antioxidantes, la fluorescencia de clorofila y los niveles de peroxidación lipídica (un parámetro de estrés oxidativo)  pueden ser herramientas adecuadas para la evaluación del estado fisiológico de plantas micropropagadas de stevia durante la aclimatación a condiciones ex vitro. Estos parámetros proporcionan información muy útil para monitorizar el estado de estrés de las plantas durante el proceso de aclimatación Este trabajo tiene implicaciones prácticas, ya que las plantas clonales de stevia con un perfil conocido y estable de esteviol glucósidos son una fuente adecuada para la producción de edulcorantes y antioxidantes naturales para la dieta.

Plantas

Fases de la aclimatación de las plantas de stevia. A: Multiplicación; B: Enraizamiento: C: 2 dias aclimatación; D: 2 semanas aclimatación; E: 4 semanas aclimatación

Introducción

La aplicación de técnicas de cultivo in vitro es una poderosa herramienta de proliferación vegetativa para muchas especies vegetales [Van-Huylenbroeck et al 2000]. Sin embargo, este proceso puede limitarse debido a pérdidas significativas durante la aclimatación a condiciones ex vitro. La mejora de la actividad fotosintética es un paso crítico para alcanzar una alta tasa de supervivencia durante la aclimatación de las plántulas in vitro [Carvalho et al 2001]. En otras palabras, la activación adecuada de la fotosíntesis es el punto clave para cambiar la forma de adquirir carbono de fuentes heterotróficas o mixotróficas (condiciones in vitro) a fuentes autotróficas (condiciones ex vitro). Las plantas micropropagadas son muy susceptibles a las condiciones ambientales después de la transferencia a condiciones ex vitro. Por ejemplo, las plantas ex vitro normalmente están expuestas  a una mayor intensidad luminosa que las plantas cultivadas en condiciones in vitro. Además, la humedad relativa (HR) también es menor en condiciones ex vitro, por lo que las plantas son propensas a sufrir desecación durante la aclimatación. Ambos fenómenos, que contribuyen al daño por fotoinhibición y al estrés hídrico, pueden inducir la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Sin embargo, las plantas cuentan con un mecanismo eficiente de defensa antioxidante para defenderse de los efectos nocivos de ROS. Estas defensas incluyen las enzimas del ciclo ascorbato-glutatión (ASC-GSH) (ascorbato peroxidasa (APX), monodehidroascorbato reductasa (MDHAR), deshidroascorbato reductasa (DHAR) y glutatión reductasa (GR)) y enzimas captadoras de ROS (superóxido dismutasas (SOD), peroxidasas (POX) y catalasa (CAT). El conocimiento sobre el comportamiento de la maquinaria antioxidante durante la aclimatación ex vitro es muy escaso, y solo unos pocos investigadores han estudiado los cambios en los antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos durante este proceso [Van-Huylenbroeck et al 2000; Carvalho et al 2006; Dewir et al 2015; El-Mahrouk et al 2016].

La stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) es un arbusto perenne perteneciente a la familia Asteraceae. Las hojas de S. rebaudiana contienen una alta concentración de esteviol glucósidos, siendo las formas prevalentes el esteviósido y el rebaudiósido A, empleados como edulcorantes naturales como sustitutos de la sacarosa [Zeng et al 2006]. Sin embargo, las semillas de stevia tienen poca viabilidad y la planta requiere condiciones específicas de humedad, luz y nutrientes. La acumulación de esteviol glucósidos en S. rebaudiana es muy variable debido a la variabilidad genética. El contenido total de esteviol glucósidos es diferente no solo entre plantas del mismo cultivar, sino también entre plantas similares en la misma etapa de desarrollo [Ceunen et al 2007]. Además, se ha observado una alta capacidad antioxidante de los extractos de hojas de S. rebaudiana, relacionados con su función como captadores de ROS [Ceunen et al 2007; Ghanta et al 2007). Estas funciones positivas se han asociado principalmente con la presencia de compuestos fenólicos [Ceunen et al 2007]. Además, se han descritos efectos positivos del esteviósido relacionados con la diabetes tipo II, la hipertensión, el síndrome metabólico y la aterosclerosis [Ceunen et al 2007]. Por lo tanto, la producción de plantas clonales in vitro con un perfil de esteviósido similar puede ser de interés comercial.

En consecuencia, este trabajo se ha centrado en la aclimatación a las condiciones ex vitro de clones de stevia, originada a partir de la micropropagación de plantas previamente caracterizadas como altos acumuladores de esteviol glucósidos [Cantabella et al 2017]. Durante el proceso de aclimatación, se siguió la evolución de diferentes parámetros, incluido el metabolismo antioxidante, la peroxidación lipídica como parámetro de estrés oxidativo y la fluorescencia de clorofila, para determinar el estrés oxidativo que las plantas de stevia podrían estar sufriendo durante el proceso antes mencionado.

Resultados y Discusión

Durante las primeras horas del proceso de aclimatación, las plantas de stevia parecían experimentar estrés debido a la modificación de las condiciones de cultivo, como se observa por el aumento en los niveles de peroxidación lipídica, medidos como TBARS. En ese sentido, se detectó un pico después de 2 días, aumentando en un 86% con respecto a los valores en la plántula (Figura 1). Posteriormente, y a medida que avanzaba el proceso de aclimatación a las condiciones ex vitro, los valores de peroxidación lipídica disminuyeron progresivamente hasta alcanzar los valores iniciales (Figura 1). Por lo tanto, se produjo un estrés oxidativo durante las primeras horas de aclimatación, indicando un posible daño a las membranas como consecuencia del cambio de condiciones de cultivo.

Fig 1

Fig 1. Datos de peroxidación de lípidos durante la aclimatación de plantas de stevia

Respecto al comportamiento de las enzimas antioxidantes,   observamos una actividad menor de la enzima monodehidroascorbato reductasa (MDHAR) que la enzima dehidroascorbato reductasa (DHAR) después de 2 días de aclimatación. Sin embargo, después de 7 días de aclimatación, las plantas de stevia activaron la ruta MDHAR para reciclar el ascorbato, que es mucho más eficiente, desde un punto de vista energético, que la ruta DHAR (Figura 2).

Fig 2

Figura 2. Evolución de las enzimas del ciclo ASC-GSH durante el procesod e aclimatación de plantas de stevia

En ese sentido, después de 2 días de aclimatación, la relación DHAR / MDHAR era casi 2. Esto sugiere que, en esa etapa, la actividad de DHAR era la vía predominante en el reciclaje de ascorbato en plantas de stevia, utilizando GSH como donante de electrones. Posteriormente, DHAR disminuyó y MDHAR aumentó progresivamente, alcanzando una relación DHAR / MDHAR de 0.22 después de 28 días de aclimatación, donde la actividad de MDHAR fue casi 5 veces mayor que la actividad de DHAR. Por lo tanto, después de 2 días de aclimatación, las plantas de stevia utilizaron la forma MDHAR, empleando NADH como poder reductor. Es necesario aclarar que la utilización de NADH para reciclar el ASC es más eficiente energéticamente que el uso de GSH. Por lo tanto, se pueden especular diferentes posibilidades para explicar la mayor actividad de DHAR en condiciones in vitro y después de 2 días de aclimatación. La primera es que, en condiciones in vitro, los medios de cultivo contenían sacarosa, por lo que las plantas tenían suficiente fuente de carbono para generar energía a través de la glucólisis y de la respiración, y por lo tanto pueden permitirse el uso de GSH para reciclar ASC (la “forma ineficiente”). La segunda posibilidad es que después de 2 días del proceso de aclimatación, las plantas sufrieron un estrés oxidativo, según los datos de peroxidación lipídica. Dado que la sobreexpresión de DHAR se ha asociado con la tolerancia al estrés ambiental [Eltayeb et al 2006], la mayor actividad de DHAR observada en esta etapa podría tener una función para hacer frente al estrés resultante de las condiciones de aclimatación. La tercera explicación está relacionada con el papel de DHAR en el crecimiento y desarrollo de las plantas [Potters et al 2012]. Probablemente, después de 2 días de aclimatación, el aumento de DHAR podría tener una función en los procesos de crecimiento y desarrollo de las plantas. También observamos que la actividad de MDHAR aumentó después de 7 días de aclimatación. En esta etapa, la fotosíntesis parecía funcionar correctamente, como lo observan los valores de fluorescencia de clorofila y ETR. Por lo tanto, a partir de ese momento, las plantas produjeron sus propios azúcares y energía para apoyar el crecimiento de las plantas. Probablemente, por esta razón, las plantas cambiaron la forma de reciclar el ascorbato de una manera eficiente, a través de NADH.

La actividad GR se comportó de manera similar a la actividad MDHAR. En ese sentido, GR aumentó a medida que avanzó el proceso de aclimatación de las plantas, alcanzando sus valores máximos después de 21 y 28 días de aclimatación (incrementos de 4.2 y 3.2 veces, respectivamente) (Figura 2).

Las actividades superóxido dismutasa (SOD) y catalasa (CAT) mostraron un pico de actividad después de 7 días de aclimatación (Figura 3), lo que sugiere una protección contra las ROS (especies reactivas de oxígeno) que se podrían estar generando como consecuencia del cambio de cultivo in vitro a ex vitro. La actividad peroxidasa (POX) aumentó aproximadamente 2 veces después de 2 días de aclimatación y permaneció alta hasta el día 14 (Figura 3), probablemente relacionada con el endurecimiento de la pared celular y los procesos de lignificación.

Fig 3

Figura 3. Evolución de las enzimas SOD, CAT y POX durante el proceso de aclimatación de plantas de stevia

Después de 2 días de aclimatación, las plantas mostraron valores más altos de los parámetros de quenching no fotoquímico [Y (NPQ), Y (NO), NPQ y qN] y valores bajos de los parámetros de quenching fotoquímico [Y (II), qP] (Figura 4), así como de la velocidad de transporte de electrones (ETR) (Figura 5). Durante el proceso de aclimatación, se observó una disminución progresiva en los parámetros de quenching no fotoquímicos y un aumento constante en los parámetros de quenching fotoquímico. En ese sentido, Y (NPQ) disminuyó progresivamente, reduciendo sus valores en un 40% y 50% después de 21 y 28 días de aclimatación, respectivamente (Figura 4). Paralelamente, Y (NO) disminuyó durante el ensayo de aclimatación, alcanzando una disminución cercana al 40% y 30% después de 21 y 28 días de aclimatación, respectivamente (Figura 4). NPQ muestra aumentos y disminuciones durante el proceso de aclimatación. Al principio, después de 7 días de aclimatación, este parámetro aumentó en un 22%. Luego, el valor NPQ aumentó en un 63% después de 14 días de aclimatación en relación con el valor precedente (día 7). Una semana después (día 21), nuevamente el valor NPQ aumentó en un 29% en comparación con el valor observado en la segunda semana (14 días). Finalmente, después de 28 días de aclimatación, se observó una disminución del 30% en el parámetro NPQ en relación con el valor observado después de 21 días (Fig. 4). Sin embargo, aunque los valores de qN disminuyeron durante el proceso de aclimatación, los cambios producidos no fueron estadísticamente significativos (Figura 4). Tanto NPQ como Y (NPQ) están relacionados con la energía disipada como calor por un mecanismo regulado (es decir, el ciclo de xantofila) [Zhang et al 2012]. En contraste, Y (NO) refleja la fracción de energía disipada pasivamente como calor y fluorescencia, principalmente debido a los centros de reacción del PSII cerrados. Por lo tanto, los valores altos de Y (NO) están relacionados con la incapacidad de las plantas para protegerse del exceso de luz. En ese sentido, después de 2 días de aclimatación, las plantas de stevia mostraron los valores más altos de Y (NO), que disminuyeron progresivamente durante el proceso de aclimatación, lo que refleja una mejor regulación [Klughammer et al 2008]. Por otro lado, valores altos de los parámetros de quenching no fotoquímicos indicaban que las plantas estaban sufriendo un estrés. Sin embargo, a medida que la planta se adaptaba a las nuevas condiciones ex vitro, estos parámetros disminuyeron.

Fig 4

FIgura 4. Evolución de los parámetros de fluorescencia de clorofilas durante el proceso de aclimatación de plantas de stevia

Con respecto a los parámetros de quenching fotoquímico (Y (II) y qP), se produjo un aumento progresivo durante la aclimatación. En ambos casos, los valores aumentaron cerca de 3 veces después de 7 y 14 días de aclimatación, y aproximadamente 5 veces después de 21 y 28 días del proceso (Figura 4). Fv / Fm mostró los valores más bajos después de 2 días de aclimatación. Este parámetro aumentó después de 7 y 14 días, y luego disminuyó ligeramente después de 21 y 28 días de aclimatación, pero sus valores permanecieron estadísticamente más altos que los valores iniciales (Tabla 1). Los cambios observados en Y (II) y qP se correlacionaron con la evolución de los valores de ETR, alcanzando un aumento de casi 6 veces al final (28 días) del proceso de aclimatación (Figura 5). Esta respuesta de los parámetros de fluorescencia de clorofilas indicaba una mayor eficiencia fotosintética conforme avanzaba el proceso de aclimatación a las condiciones ex vitro.

Fig 5

Figura 5. Evolución de la tasa de transporte electrónico durante el proces de aclimatación de plantas de stevia

Conclusiones

En conjunto, los datos sugirieron que las enzimas antioxidantes, la peroxidación lipídica y los parámetros de fluorescencia de clorofila pueden ser herramientas adecuadas para la evaluación del estado fisiológico de las plantas micropropagadas durante la aclimatación a condiciones ex vitro de plantas de stevia, proporcionando información muy útil para controlar el estado de estrés de las plantas durante el proceso de aclimatación. Este trabajo tiene implicaciones prácticas, ya que las plantas clonales de stevia con un perfil conocido y estable de esteviol glucósidos son una fuente adecuada de edulcorantes y antioxidantes naturales para una dieta sana.

Para más información:

José Ramón Acosta-Motos, Laura Noguera Vera, Gregorio Barba-Espín, Abel Piqueras, José A. Hernández (2019) Antioxidant metabolism and chlorophyll fluorescence during the acclimatisation to ex vitro conditions of micropropagated Stevia rebaudiana Bertoni plants. Antioxidants, Special Issue “Antioxidants and Foods”, 8, 615.  (https://www.mdpi.com/2076-3921/8/12/615)

 

Bibliografía

Cantabella, D.; Piqueras, A.; Acosta-Motos, J.R.; Bernal-Vicente, A.; Hernandez, J.A.; Diaz-Vivancos, P. Salt-tolerance mechanisms induced in Stevia rebaudiana Bertoni: effects on mineral nutrition, antioxidative metabolism and steviol glycoside content. Plant Physiol. Biochem. 2017, 115, 484–496.

Carvalho, L.C.; Osorio, M.L.; Chaves, M.M.; Amâncio S. Chlorophyll fluorescence as an indicator of photosynthetic functioning of in vitro grapevine and chestnut plantlets under ex vitro acclimatization. Plant Cell Tissue Organ Cult. 2001, 67, 271–280.

Carvalho, L.C.; Vilela, B.J.; Vidigal, P.; Mullineaux, P.M.; Amâncio, S. Activation of the ascorbate-glutathione cycle is an early response of micropropagated Vitis vinifera L. explants transferred to ex vitro. Int. J. Plant Sci. 2006, 167, 759-770.

Ceunen, S.; Geuns, J.M.C. Steviol Glycosides: Chemical Diversity, Metabolism, and Function. J. Nat. Prod. 2013, 76, 1201−1228.

Dewir, Y.H.; El-Mahrouk, M.E.; Al-Shmgani, H.S.; Rihan, H.Z.; Teixeira da Silva, J.A.; Fuller, M.P. Photosynthetic and biochemical characterization of in vitro-derived African violet (Saintpaulia ionantha H. Wendl) plants to ex vitro conditions. J. Plant Interact. 2015, 10, 101-108.

El-Mahrouk, M.E.; Dewir, Y.H.; Murthy, H.N.; Rihan, H.Z.; Al-Shmgani, H.S.; Fuller, M.P. Effect of photosynthetic photon flux density on growth, photosynthetic competence and antioxidant enzymes activity during ex vitro acclimatization of Dieffenbachia cultivars. Plant Growth Regul. 2016, 79, 29–37.

Eltayeb, A.E.; Kawano, N.; Badawi, G.H.; Kaminaka, H.; Sanekata, T.; Morishima, I.; Shibahara, T.; Inanaga, S.; Tanaka, K. Enhanced tolerance to ozone and drought stresses in transgenic tobacco overexpressing dehydroascorbate reductase in cytosol. Physiol. Plant. 2006, 127, 57–65.

Ghanta, S.; Banerjee, A.; Poddar, A.; Chattopadhyay, S. Oxidative DNA Damage Preventive Activity and Antioxidant Potential of Stevia rebaudiana (Bertoni) Bertoni, a Natural Sweetener. J. Agr.Food Chem. 2007, 55, 10962-10967.

Klughammer, C.; Schreiber, U. Complementary PSII quantum yields calculated from simple fluorescence parameters measured by PAM fluorometry and the saturation pulse method. PAM Application Notes (PAN) 2008, 1, 27-35

Potters, G.; Horemans, N.; Caubergs, R.J.; Asard, H. Ascorbate and dehydroascorbate influence cell cycle progression in a tobacco cell suspension. Plant Physiol. 2012, 124, 17-20.

Van-Huylenbroeck, J.M.; Piqueras, A.; Debergh, P.C. The evolution of photosynthetic capacity and the antioxidant enzymatic system during acclimatization of micropropagated Calathea plants. Plant Sci. 2000, 155, 59-66.

Zeng, J.; Cheng, A.; Lim, D.; Yi, B.; Wu, W. Effects of salt stress on the growth, physiological responses, and glycoside contents of Stevia rebaudiana Bertoni. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 5720-5726.

Zhang, Q.Y.; Wang, L.Y.; Kong, F.Y.; Deng, Y.S.; Li, B.; Meng, Q.W. Constitutive accumulation of zeaxanthin in tomato alleviates salt stress-induced photoinhibition and photooxidation. Physiol. Plant. 2012, 146, 363–373.

 


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Mandelonitrile-associated salicylic acid biosynthesis in peach under abiotic and biotic stresses

Diaz-Vivancos P; Bernal-Vicente A; Petri C; Cantabella D; Hernández JA

(Poster presented at the SMPR2019 congress (Valencia, 10-11 December 2019)

Abstract

Even though that salicylic acid (SA) is a key regulator of plant stress responses and other biological processes, its biosynthetic pathways have not been fully characterized. The proposed SA synthesis originates from chorismate by two distinct pathways: isochorismate and phenylalanine (Phe) ammonia-lyase (PAL) pathways. Cyanogenesis is the process related to the release of hydrogen cyanide from endogenous cyanogenic glycosides (CNglcs), and it has been linked to plant plasticity improvement. The main CNglcs in peach are prunasin and amygdalin, with mandelonitrile (MD), synthesized from Phe, controlling their turnover.

Using [13C]-labelled compounds and metabolomic analysis, we showed that MD, and hence CNglcs turnover, is involved, at least in part, in SA biosynthesis in peach plants. MD-treated peach plants displayed increased SA levels via benzoic acid (one of the SA precursors within the PAL pathway). Moreover, MD treatment modulated the H2O2 levels and had a pleiotropic effect on abscisic acid (ABA) and jasmonic acid (JA) levels (data not shown). Under the stress conditions, however, the contribution of this SA biosynthetic pathway from MD to the total SA pool does not seem to be important. Nevertheless, MD treatment not only increased SA levels, but also improved peach plants performance under the stressful conditions. In fact, MD provided partial protection against Plum pox virus (PPV) infection and stimulated the accumulation of phytotoxic ions in roots in PPV- and NaCl-stressed peach seedlings respectively.

Thus, we proposed a third pathway, alternative to the PAL pathway, for SA synthesis in peach plants, linking SA biosynthesis and cyanogenesis (Fig. 1). This proposed pathway seems to be functional under stress conditions, although the fact that CNglcs may be operating more broadly than by influencing SA pathways and signaling con not be ruled out.

Material and Methods

Plant material

The assays were performed on GF305 peach (Prunus persica L.) plants, under both greenhouse and in vitro conditions. For ex vitro assays, after submitting the GF305 peach seedlings to an artificial rest period in a cold chamber to ensure uniformity and fast growth, seedlings were grown in 2-L pots in an insect-proof greenhouse and distributed into three batches (control and MD- and Phe-treated) of 15 plants each. Plants were irrigated twice per week with water (control) and 1 mM MD or 1 mM Phe for 7 weeks. None of the treatments affected plant growth and development. For in vitro assays [13C]-labeled compounds were used, and 200 mM MD- or Phe-alpha[13C] (Campro Scientific GmbH, Germany) was added to the micropropagation medium during two subcultures. This concentration was selected after carrying out a preliminary assay using concentrations of both compounds ranging from 50 to 1000 mM; 200 mM was the highest concentration that did not show any deleterious effect on the development of micropropagated peach shoots.

Metabolomic analysis

The levels of Phe, MD, amygdalin, BA and SA were determined in in vitro micropropagated shoots at the Metabolomics Platform at CEBAS-CSIC (Murcia, Spain).

SA levels in peach seedlings

The SA levels in leaves of GF305 seedlings treated with MD or Phe were determined using a UHPLC-mass spectrometer (Q-Exactive, ThermoFisher Scientific) at the Plant Hormone Quantification Platform at IBMCP (Valencia, Spain).

Extraction and enzymatic assays

The activities of ascorbate peroxidase (APX),  peroxidase (POX), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) in in vitro shoots and ex vitro leaf samples were assayed as described in Diaz-Vivancos et al. (2017) and Bernal-Vicente et al. (2018; 2019).

Results

FIG 1

Fig. 1. Proposed salicylic acid (SA) biosynthetic pathway in peach plants. Blue arrows indicate the SA biosynthesis in plants described previously. The dotted arrow indicates a putative pathway. Red arrows show the new pathway suggested for peach plants. CYP79 and CYP71, Cyt P450 monooxygenases; MDL1, mandelonitrile lyase.

FIG 2

Fig. 2. Percentage (of total amount detected) of [13C]- phenylalanine (Phe), mandelonitrile (MD) and salicylic acid (SA) in non-stressed, NaCl-stressed and Plum pox virus (PPV)-infected peach shoots micropropagated in the presence or absence of [13C]MD or [13C]Phe. Ions with an additional 1.0035 accurate mass and confirmation by isotopic distribution and spacing were defined as ions marked with 13C. Data represent the mean of at least 20 repetitions of each treatment.

FIG 3

Fig. 3 Total levels (mMg–1 FW) of amygdalin, benzoic acid, mandelonitrile, phenylalanine and salicylic acid, and mandelonitrile lyase (MDL) enzymatic activity in micropropagated peach shoots in the presence or absence of [13C]MD or [13C]Phe. Data represent the mean ± SE of at least 12 repetitions of each treatment. In each graph different letters above the columns indicate significant differences according to Duncan’s test (P< 0.05).

FIG 4

Fig. 4. Total SA level (ng g–1 DW) in the leaves of peach seedlings grown in the presence or absence of MD or Phe submitted to 34 mM NaCl (A) or PPV infection (B). Data represent the mean ± SE of at least five repetitions of each treatment. Different letters indicate significant differences according to Duncan’s test (P≤0.05).

Fig-5

Fig. 5. Summary of the differential response of MD treatment in salt-stressed and PPV-infected peach seedlings. Data from Diaz-Vivancos et al. (2017) and Bernal-Vicente et al. (2018; 2019).

TABLE 1

Table 1.- Effect of MD and Phe on H2O2-scavenging activities (APX, POX, CAT)  and SOD (H2O2-producing) activity in GF305 micropropagated shoots and seedlings. APX is expressed as nmol min-1 mg-1 protein. POX and CAT are expressed as µmol min-1 mg-1 protein. SOD as U mg-1 protein. Data represent the mean ± SE of at least four repetitions. It has been previously described that SA led to H2O2 accumulation (Durner & Klessig 1995; Rao et al. 1997).

Conclusions

We provide strong  evidences showing that CNglcs turnover is involved, at least in part, in SA biosynthesis in peach plants under control and stress conditions.

MD seems to act as a hub controlling the CNglcs turnover and the SA and amygdalin biosynthesis. MD-treated peach plants displayed increased SA levels via benzoic acid (one of the SA precursors within the PAL pathway).

We have also found evidence that this new SA biosynthetic pathway also works also under stress conditions. MD treatment improved the plant performance of peach plants under salinity or PPV-infection conditions. However, the contribution of this pathway to the SA pool does not seem to be relevant under these stress conditions.

MD also modulated the content in other stress related hormones as well as the antioxidant defenses, that could activate different redox-related signaling pathways.

Our data agrees with the previously reported role for CNglcs in oxidative stress tolerance (Gleadow & Møller 2014; Gleadow et al. 2016).

References

  • Diaz-Vivancos et al (2017) Plant & Cell Physiology 58(12): 2057–2066
  • Durner J and Klessig DF (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. U SA 92(24): 11312-11316
  • Bernal-Vicente et al (2018) Plant Biology 20(6):986-994
  • Bernal-Vicente et al (2019) Plant Biology DOI: 10.1111/plb.13066
  • Gleadow Møller (2014) Annual Review of Plant Biology 65:155–185
  • Gleadow et al (2016) Journal of Experimental Botany 6:403-5413
  • Rao et al (1997) Plant Physiology 115:137–149.

 

This work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (projects AGL2014-52563-R; RTA2017-00011-C03-02).


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¿Se puede considerar el agua oxigenada (H2O2) como una hormona vegetal?

En 1937, Frits Went y Kenneth Thimann, en su libro “Phytohormones” definieron hormona como una sustancia que siendo producida en una parte del organismo, es transferida a otra parte donde produce un efecto fisiológico específico, caracterizándose por la propiedad de servir como mensajeros químicos.

Algunos científicos indicaron que las diferencias entre la acción de una hormona en animales y en plantas es muy grande para usar el mismo término. Las hormonas animales se producen en tejidos específicos (por ejemplo en la glándula pituitaria, en el páncreas etc…), son transportadas por el torrente sanguíneo y actúan en tejidos distantes. Sin embargo, la mayoría de las células vegetales son capaces de producir hormonas, sus mecanismos de transporte son diversos y pueden afectar a cortas y a largas distancias, es decir, en el mismo lugar de producción o en células más distantes. Las hormonas animales son transportadas por la sangre, mientras que las fitohormonas se transportan vía xilema y/o floema.

También existen similitudes en la función de las hormonas en animales y en vegetales: son activas a bajas concentraciones y funcionan como señales químicas, por lo que el término de hormona también se acepta para describir a este tipo de moléculas en plantas. Sin embargo, y para evitar confusiones con animales, se introdujo el término de fitohormona para referirnos a estas sustancias en plantas.

El H2O2 es uno de los metabolitos redox más importante

 A altas concentraciones induce daños oxidativos a macromoléculas biológicas que puede dar lugar a muerte celular. Sin embargo, a bajas concentraciones, el H2O2 puede actuar como una molécula señalizadora y en muchos aspectos se asemeja a una fitohormona.

A diferencia de otras especies reactivas del oxígeno (ROS), el H2O2 es una molécula relativamente estable, con una vida media de milisegundos (ms). Su concentración en tejidos vegetales oscila aproximadamente sobre 1 µmol por gramo de peso fresco en condiciones normales (Cheeseman et al 2006).

En las células vegetales, el H2O2 se produce por diferentes rutas (Fig 1):

Fotorrespiración

Cadenas de transporte electrónico

Reacciones redox

                La mayoría de H2O2 intracelular se produce a partir del Os, en una reacción escalonada en la que el radical superóxido (O2.-) es el intermediario. En situaciones de estrés ambiental, el cloroplasto y la mitocondria generan una elevada producción de O2.-. Este anión es dismutado hasta H2O2 tanto de forma no enzimática, en una reacción dependiente del pH, como de forma enzimática por acción de las superóxido dismutasas (SODs).

En el apoplasto, las NADPH oxidasas y las POXs de clase III de pared celular son también responsables de la formación de H2O2. Las NADPH oxidasas generan O2.- empleando el poder reductor del NADPH citosólico. Posteriormente, el O2.- generado dismuta a H2O2 por acción enzimática de la SOD. La degradación de aminas y poliaminas, por acción de amino oxidasas dependientes de Cu y de poliamina oxidasa, es también fuente de H2O2 en plantas.

                Sin embargo, el principal sitio de generación de H2O2 en las células vegetales es el peroxisoma. Este orgánulo contiene diferentes enzimas que generan H2O2: SOD, amino oxidasa, acil-CoA oxidasa, glicolato oxidasa, uricasa, sulfato oxidasa, aldehído oxidasa, sarcosina oxidasa y xantina oxidasa.

                La β-oxidación de ácidos grasos, vía acil-CoA, genera H2O2.  Este es un proceso importante durante la germinación de semillas que contienen glioxisomas. En tejidos fotosintéticos, la producción de H2O2 en el peroxisoma tiene lugar durante la fotorrespiración (ver https://bit.ly/2ycmlSf), contribuyendo aproximadamente al 70% de la producción total del H2O2 de la célula vegetal.

Esquema 1

Fig. 1. Fuentes de generación de peróxido de hidrógeno

 

Enzimas eliminadoras de H2O2

EL contenido endógeno de H2O2 en células vegetales es mayor que el de células animales o en bacterias. LA acumulación descontrolada de H2O2 puede dar lugar a la generación de radicales hidroxilo mediante una reacción de Fenton (ver https://bit.ly/2PbLRy8). Por ello, es necesario un sistema eficiente  para la eliminación de H2O2 (y de O2.-). En este sentido, las plantas disponen de un eficiente arsenal de defensa frente a las ROS, incluido el H2O2. Las defensas enzimáticas incluyen catalasas, peroxidasas (POXs), ascorbato peroxidasas (APXs), glutatión peroxidasas (GPXs) (ver https://bit.ly/2y04tut). Igualmente, diferentes compuestos no enzimáticos (antioxidantes no enzimáticos) tienen una gran importancia en la eliminación de H2O2 (ver https://bit.ly/2O5DLur).

Transporte

No existe ninguna evidencia del transporte del H2O2 a largas distancias. Sin embargo, al ser la ROS menos reactiva, esta propiedad le permite viajar a las células vecinas o a otros compartimentos celulares y poder así actuar como molécula señalizadora (Winterbourn 2017). En este sentido, si el H2O2 es capaz de escapar de los mecanismos de eliminación (antioxidantes) y si no es reducido a .OH, podría difundir más libremente desde el sitio de generación y alcanzar su posible blanco.

Peroxiporinas: En el año 2000, los investigadores Henzler y Steudle describieron la existencia de una subclase de acuaporina que llamaron peroxiporina implicada en el transporte de H2O2. LAS acuaporinas vegetales son una clase de proteínas transportadoras de agua y de otras moléculas, incluyendo CO2 y nutrientes, cumpliendo una función en el crecimiento y desarrollo vegetal.

Señalización

Está muy demostrado que el efecto del H2O2 depende de su dosis y que a concentraciones bajas actúa como molécula señalizadora. A pesar de que el H2O2 es rápidamente eliminado,  de forma enzimática, dichos mecanismos enzimáticos son menos efectivos a concentraciones muy bajas, del orden de 10 nM, lo que  permite al H2O2 actuar como segundo mensajero (Winterbourn 2017). Las proteínas son un objetivo primario de las ROS y hay dos modos de acción mediante los cuales el H2O2 es percibido: La oxidación de residuos de aminoácidos y la reacción con un intermedio reactivo.

La oxidación directa de residuos cisteinil y de cadenas laterales tiólicas puede actuar como sensor y/o interruptor en la traducción de señales y en la regulación de la actividad enzimática (Cerny et al 2018). Los residuos de cisteína pueden sufrir modificaciones reversibles o irreversibles. Enzimas clave del Ciclo de Calvin y del metabolismo del carbohidratos son oxidados en respuesta a H2O2 (Rubisco, ribulosa-5-fosfato-quinasa, gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, transcetolasa, sedoheptulosa-1,7-bifosfatasa…).

La oxidación de residuos de metionina no parece estar relacionada con la señalización del H2O2 pero su primera forma oxidasa, la metionina sulfóxido, es el producto de una modificación postraducional, que puede ser revertida por acción de la metionina sulfóxido reductasa (Cerny et al 2018). Esta enzima aumenta la tolerancia a H2O2, lo que indica que los residuos de metionina podrán tener una función en la respuesta a estrés inducida por H2O2. También se ha demostrado que la actividad GSH-S-transferasa se reduce por la oxidación de metionina (Hardin et al 2009).

Sin embargo, las modificaciones postraduccionales de proteínas inducido por H2O2 no se limita a residuos de cisteína y metionina

Factores de transcripción (FT)

El H2O2 puede interaccionar con diferentes FT favoreciendo tanto su activación como su inactivación. Los factores de HsfA (Heat-Shock Transcription Factors) tienen que formar trímeros para activar genes inducibles por choques térmicos, como la APX. Este mecanismo de trimerización requiere la formación de puentes di-sulfuro intramoleculares que podría estar directamente inducido por el H2O2.

La familia de FT NAC está implicada en procesos de desarrollo y en diferentes procesos biológicos, incluyendo senescencia y respuestas a estrés abiótico.  Muchos genes de esta familia son inducidos por H2O2.

El inhibidor de la ARN polimerasa citosólica se activa por H2O2 a través del sistema tiorredoxina y se transloca al núcleo.

Los FT WRKY30, WRKY53 y WRKY46 se inducen en respuesta a O3 y H2O2. El FT WRKY70 interactúa en la respuesta del FT ZAT7 (una proteína de dedo de Zinc) con el H2O2. El FT ZAT12, que también responde a H2O2, media en la absorción de Fe en respuesta a deficiencias de dicho nutriente (ver en Cerny et al 2018).

El Ca2+ es un segundo mensajero implicado en numerosos procesos en plantas. Muchas respuestas requieren un efecto combinado del H2O2 y el Ca2+. Por ejemplo, la apertura de canales de H2O2 dependientes de Ca. La proteína Calmodulian dependiente de Ca activa la enzima catalasa (eliminadora de H2O2) y una fosforilación dependiente de Ca activa las NADPH oxidasas (que genera O2.- que posteriomente dismuta a H2O2).

Interacción H2O2/Fitohormonas

Diferentes autores han mostrado la existencia de una interacción entre el estado redox celular y las hormonas vegetales. Las ROS, además de mediar rutas relacionadas con estrés, son componentes clave de las redes de señalización de las fitohormonas. En respuesta a diferentes hormonas (ABA, auxinas, brasinoesteriodes, citoquininas, SA , JA, etc…) se ha detectado cambios en los niveles de proteínas relacionadas con el metabolismo del H2O2 y con el estado redox en general. En este sentido se ha descrito cambios en catalasa, SOD, APX, POXs, peroxirredosinas, etc… (revisado en Cerny et al 2018).

Algunas enzimas implicadas en el metabolismo de hormonas generan H2O2, como ocurre con la ABA aldehído oxidasa, auxina aldehído oxidasa, monooxigenasas etc…

Del mismo modo, se ha descrito como el H2O2 actúa sobre el metabolismo de algunas hormonas como el ABA. En este sentido, tratamientos de semillas de guisante con H2O2 reducen los niveles de ABA (Barba-Espín et al 2010). Este efecto está mediado con el aumento de los niveles de expresión del gen CYP707A2, que codifica para la enzima ABA 8′-hidroxilasa, implicada en el catabolismo de ABA (Liu et al., 2010). Sin embargo, la inducción de genes relacionados con el catabolismo del ABA por H2O2 requiere también la participación del NO (Liu et al 2010). Además, estos mismos autores han descrito la mediación del H2O2 en la regulación de genes implicados en la biosíntesis de las GAs (GA 20-oxidasa, GA 3-oxidasa y  GA 2-oxidasa).

La señalización por etileno se induce en respuesta a la acumulación de H2O2 y el receptor del etileno ETR1 puede percibir el H2O2 directamente de una manera independiente de etileno (Desikan et al 2005).

Señalización de la luz

La percepción de la luz azul por criptocromo está acoplada a la producción de H2O2, mientras que el fitocromo B también modula el metabolismo de ROS en raíces vía síntesis y transporte del ABA (Consentino et al 2015 ; Ha et al. 2018).

Germinación

Durante la germinación de semillas la activación del metabolismo aumenta los niveles de producción de ROS, incluyendo el H2O2. La germinación comienza con la absorción de agua por parte de la semilla seca, y termina con la elongación del eje embrionario y la protrusión de la radícula. Durante este proceso, se activa la respiración que proporciona energía, se degradan proteínas de reserva para proporcionar energía y aportar aminoácidos para las nuevas proteínas que se sinteticen, etc…Hay que pensar, que la semilla, en cuanto empiece a tomar agua va a activar su metabolismo en mitocondrias, peroxisomas, glioxisomas, y por tanto empezará a producir ROS. Además, la activación de la NADPH oxidasa también genera O2.- (y por tanto H2O2).

Trabajando sobre el efecto del H2O2 sobre la germinación de semillas de guisante, Barba-Espín et al (2011) propusieron  un modelo, según el cual el H2O2 podría inducir un descenso de ABA en la semilla dependiente de MAPK e inducir la carbonilación de proteínas de reserva, favoreciendo su movilización, y de enzimas glucolíticas, lo que estimularía el ciclo de las pentosas fosfato (Job et al. 2005). La activación de dicho ciclo proporcionaría NADPH para el sistema tiorredoxina, implicado en la germinación y en el desarrollo de plántulas (Lozano et al. 1996). Alternativamente, el H2O2 podría actuar, directa o indirectamente en el embrión alterando el transporte de ABA y/o induciendo un catabolismo de esta hormona, lo que favorecería la germinación. Finalmente, el descenso de ABA podría inducir un descenso en ACC, lo que favorecería la emergencia de la radícula a las 24 h de tratamiento con H2O2  (Fig 2) (Barba-Espín et al., 2011).

esquema modelo H2O2 guisante

Fig 2. Modelo propuesto por Barba-Espín et al (2011) sobre la función clave del H2O2 en la germinación y crecimiento temprano en guisante.

Por ello, un control de los niveles de ROS, por parte de los mecanismos de defensa antioxidantes, va a resultar de gran importancia durante el proceso de germinación (ver https://bit.ly/2QvH1fw).

Desarrollo de raíces

Las auxinas son las hormonas clave en la regulación del crecimiento de la raíz y es conocido que las auxinas median cambios en los niveles de H2O2, promoviendo el crecimiento celular y la formación de raíces laterales (Su et al 2016).

Desarrollo de tallos

El crecimiento y desarrollo de tallos está dirigido por las hormonas auxinas y citoquininas. Las auxinas inducen las POXs de pared celular y la NADPH oxidasa para generar ROS, favorecer el debilitamiento de la pared celular y favorecer la elongación celular (Mangano et al 2017). A su vex, se ha descrito que el H2O2 puede mediar en la dominancia apical y la epinastia foliar (Sandalio et al 2016).

Movimiento de estomas

 El mecanismo de cierre estomático mejor descrito es el mediado por ABA, que actúa en conexión de otras señales como los iones Ca2+, NO, H2O2 y procesos de fosforilación (https://bit.ly/2O7TXeQ). Las células guarda pueden generar H2O2 por diversas vías, incluyendo las actividades enzimáticas amino oxidasa, POXs y NADPH oxidasa. A su vez, esta última proteína está regulada por iones Ca2+ y por procesos de fosforilación mediados por la proteína quinasa OST1. A su vez, la proteína OST1 está regulada por ABA.

El SA SA reduce la conductancia estomática en una forma dependiente de la dosis. Este efecto parece ser dependiente de la generación de ROS ya que la aplicación de enzimas antioxidantes (Catalasa, SOD) suprime este efecto. El cierre estomático inducido por SA era prevenido por tratamientos con salicilhidroxámico, un inhibidor de POXs de pared celular, pero no por DPI (inhibidor de  NADPH oxidasa). Esto sugiere que el cierre de estomas inducido por SA está mediado con la producción de H2O2 debido a las POXs de pared celular (Khokon et al 2011; Miura et al 2013). En este proceso también interviene los iones Ca2+, ya que el tratamiento con un quelante de Ca2+ (EGTA) reduce el efecto del SA en el cierre de estomas (Khokon et al 2011).

Por lo tanto, se puede sugerir que la aplicación de SA podría tener una aplicación práctica en Agricultura con el fin de aumentar la tolerancia de las plantas a condiciones de falta de agua (Hernández et al 2017).

Polinización

El H2O2 y otras ROS tienen una función clave en la navegación de polen y la fusión de gametofitos. Las plantas angiospermas (las que producen verdaderas flores) han desarrollado barreras reproductivas para evitar la autofecundación, conocido como autoincompatibilidad (Serrano et al 2015). Los niveles de H2O2 son elevados durante una reacción incompatible, pudiendo ocasional una muerte celular programada. Sin embargo, en una reacción compatible, los niveles de H2O2 disminuyen en el estigma favoreciendo el desarrollo del tubo polínico. La acumulación de ROS, especialmente la del radical hidroxilo que se genera en gran parte a partir de H2O2, es crucial para la ruptura del tubo polínico y la liberación de células espermáticas (Duan et al 2014).

Maduración de frutos

Huan et al. (2016) propusieron que el H2O2 actúa como una molécula de señalización en la etapa intermedia del desarrollo de frutos de melocotón, actuando como una molécula tóxica importante, ya que estimula el proceso de peroxidación de lípidos y un estrés oxidativo, durante la etapa tardía de la maduración del fruto (Huan et al 2016). Otros autores han observado cambios en el estado redox durante diferentes etapas de la maduración de frutos de tomate encontrando un aumento importante en los contenidos de H2O2 en el denominado punto de ruptura (definido como el cambio de color en el fruto) (Kumar et al 2016). El aumento de H2O2 parece estar regulado por etileno, que se correlaciona con un aumento de la tasa respiratoria y de la producción de ROS (Hurr et al 2013).

Senescencia y Muerte celular

La senescencia es un proceso oxidativo regulado genéticamente que implica una degradación general de las estructuras celulares y las enzimas y la movilización de los productos de degradación a otras partes de la planta. La senescencia se caracteriza principalmente por el cese de la fotosíntesis, la desintegración de las estructuras de los orgánulos, las pérdidas intensivas de clorofila y proteínas y los aumentos dramáticos en la peroxidación lipídica y de la permeabilidad de la membrana. Estos últimos cambios se deben principalmente a un aumento  en la generación de ROS que tiene lugar en los tejidos vegetales durante el proceso de senescencia (del Río et al 1998). En dichos tejidos, el H2O2 puede mediar procesos de muerte celular programada junto con cambios en hormonas relacionadas con estrés como SA o etileno (Cerny et al 2018). Se ha observado que líneas de plantas transgénicas que presentan bajos niveles de H2O2 tienen una senescencia retardada (Bieker et al 2012). Plantas de tabaco, que sobreexpresan los transgenes cytsod y/o cytapx (codifican para SOD o APX citosólicas) además de ser más tolerantes al estrés hídrico, presentaron una senescencia retardada (ver figura 3). Estas plantas, además de presentar más actividad SOD y/o APX también mostraron niveles mayores de otras actividades antioxidantes, como catalasa, POX, etc…) (Faize et al 2011).

Planats tabaco transgenicas

Figura 3.- Plantas transformadas de tabaco que sobreexpresan genes antioxidantes. Se puede mostrar como las plantas transformadas tienen una clorosis retardada, a diferencia de los controles, donde las hojas basales ya están totalmente cloróticas.

Respuesta a estreses ambientales

Las hormonas relacionadas con respuesta a estrés (ABA, SA, JA y etileno) emplean H2O2 en sus cascadas de señalización (Saxena et al 2016). Igualmente, el H2O2 está implicado en respuestas de aclimatación y tolerancia a diferentes estreses. En este sentido, el pre-tratamiento de plantas o semillas con H2O2 aumenta la resistencia a diferentes estreses, incluyendo salinidad, estrés hídrico, estrés térmico, etc… (Hossain et al 2015).

CONCLUSIONES

El H2O2 es una molécula señalizadora y está conectada con la ruta de señalización de diferentes fitohormonas, actuando como segundo mensajero en respuesta a diferentes condiciones ambientales y modulando el crecimiento y el desarrollo vegetal.

Su efecto en el crecimiento depende de la dosis, lo que nos lleva a pensar en el H2O2 como un regulador del crecimiento, pero ¿podríamos decir que el H2O2 es una posible hormona?

El H2O2 es producido y degradado por la misma planta en respuesta a estímulos y puede ser percibido por proteínas especializadas, elicitando respuestas a bajas concentraciones (del orden de nM).

Sin embargo, el factor limitante del H2O2 para poder considerarlo como posible hormona reside en su transporte, ya que no puede moverse a largas distancias debido a su baja estabilidad y a la presencia de diferentes moléculas eliminadoras o secuestradoras (antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos) de H2O2.

Sin embargo, el que se considere o no al H2O2 como una fitohormona no cambia para nada su importancia en el ciclo de vida de las plantas.

Bibliografía

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LA EVOLUCIÓN DEL METABOLISMO DE LAS ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO (Parte I)

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

Las especies reactivas del oxígeno (ROS; O2.-, H2O2, .OH, 1O2) son formas parcialmente reducidas o excitadas del oxígeno atmosférico que pueden reaccionar con diferentes componentes celulares, incluyendo macromoléculas esenciales, como proteínas, lípidos o el ADN. En plantas, los principales compartimentos generadores de ROS son (Corpas 2015; Mignolet-Spruyt et al 2016):

  • los cloroplastos, que principalmente produce O2.-, H2O2, .y 1O2 como subproductos de la fotosíntesis;
  • las mitocondrias, que principalmente produce O2.- y H2O2, como subproductos de la respiración;
  • los peroxisomas, que principalmente producen H2O2 como subproducto de la fotorrespiración y de la β-oxidación de ácidos grasos, y O2.- como subproducto del metabolismo de las purinas;
  • y el apoplasto, que produce O2.- y H2O2 como moléculas señalizadoras por la acción de las NADPH oxidasas (denominadas también RBOH, respiratory burst oxidase homolog), peroxidasas y supexóxido dismutada (SOD).

 

Principales productores de ROS

Principales compartimentos generadores de ROS en las células vegetales. Modificado a partir de Hernández et al 2016

 

Aunque las ROS son consideradas como subproductos tóxicos del metabolismo aerobio que deben ser eliminados para prevenir daños celulares, estudios recientes han demostrado que las ROS son empleadas como moléculas señalizadoras, y que incluso es necesario un nivel basal de ROS para sustentar la vida (Mittler 2016). En este sentido, los niveles de ROS han de mantenerse por debajo de un nivel citotóxico, de modo que le permita funcionar de forma segura como moléculas traductoras de señales que puedan mediar diferentes procesos en las células, incluyendo la regulación de rutas metabólicas, procesos fisiológicos tales como el control del cierre estomático, activación de respuestas de aclimatación a estreses abióticos, o de respuesta frente a patógenos, activación de programas de desarrollo y la coordinación de respuestas sistémicas frente a estimulas ambientales (Revisado en Inupakutika et al 2016).

Debido a que las ROS pueden afectar el estado de oxidación de muchas proteínas (oxidando residuos de Cys o de Met), pueden alterar su función y afectar la actividad de varias cascadas de fosforilación, así como a factores de transcripción y de otras proteínas reguladoras. Este proceso se denomina ‘biología redox’ actuando como un sistema de comunicación entre ROS y los diferentes procesos biológicos que controlan.

La producción de ROS está muy unida a cambios en los niveles celulares de Ca2+, a la función de diferentes receptores, hormonas vegetales, eventos de fosforilación etc…Todo ello lleva a pensar que la vida en la tierra probablemente evolucionó en presencia de las ROS (Mittler 2016¸ Inupakutika et al 2016). Por lo tanto, es muy probable que ROS aparecieran en la Tierra junto con las primeras moléculas de oxígeno atmosférico hace unos 2.400 a 3.800 millones de años, siendo un compañero constante de la vida aeróbica desde entonces (Mittler 2016).

 

Bibliografía

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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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ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO Y GERMINACIÓN DE SEMILLAS. El acelerador de la vida

José A. Hernández (CEBAS-CSIC, Murcia)

Muchos científicos usan erróneamente el término “Especies Reactivas del Oxígeno” (abreviado ROS) de forma indistinta al término “Radicales Libres”. Cuando hablamos de Radicales Libres no nos referimos a ninguna formación política revolucionaria. Radical Libre hace referencia a cualquier molécula que tenga uno o más electrones desapareados, lo que la hace muy inestable y muy reactiva. No todos los radicales libres son ROS, ni todas las ROS son radicales libres. Por ejemplo, un radical peroxil no es un ROS, mientras que el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada, H2O2) es una ROS no radical.

Las ROS se producen de forma natural durante el metabolismo celular en diferentes partes de la célula vegetal. En el caso de las semillas, en las primeras etapas de la germinación, las principales fuentes de generación de ROS son las mitocondrias, los peroxisomas y las membranas celulares. Pensemos que en la mayoría de los casos, las primeras etapas de la germinación van a ocurrir en oscuridad. Por ese motivo, en estas etapas, el cloroplasto no contribuye a la generación de ROS. Sin embargo, en cuanto la plántula que se forme vea la luz, enseguida empezará a formar cloroplastos, y éstos también serán una fuente de ROS.ros

Esquema mostrando los orbitales de unión del oxígeno molecular y de especies reactivas del oxígeno.

La germinación comienza con la absorción de agua por parte de la semilla seca, y termina con la elongación del eje embrionario y la protrusión de la radícula. Durante este proceso, se activa la respiración que proporciona energía, se degradan proteínas de reserva para proporcionar energía y aportar aminoácidos para las nuevas proteínas que se sinteticen, etc…Hay que pensar, que la semilla, en cuanto empiece a tomar agua va a activar su metabolismo, y por tanto empezará a producir ROS. Por ello, un control de los niveles de ROS, por parte de los mecanismos de defensa antioxidantes, va a resultar de gran importancia durante el proceso de germinación.

De acuerdo con el modelo de la ventana oxidativa de Bailly (2008), se requiere un nivel adecuado y óptimo para que la germinación tenga lugar. Por debajo de ese nivel no se produce germinación. Si el nivel de ROS es muy elevado, por ejemplo en semillas que han envejecido por llevar demasiado tiempo almacenadas, o si han estado sometidas a altas temperaturas, se producirán daños al embrión y no germinarán.

fig-ventana-oxidativa

En nuestro laboratorio hemos demostrado que el H2O2 estimula la germinación y el crecimiento temprano en guisante y en melón, orquestando una interacción entre el estado redox celular y las hormonas vegetales durante dicho proceso.

Es importante recordar que en la germinación también es de vital transcendencia el balance giberelinas (GAs)/ácido abcísico (ABA). Las GAs estimulan la germinación, mientras que el ABA la inhibe. Pues bien,  el H2O2 coordina el proceso de germinación de semillas actuando a diferentes niveles:

  • Disminuye el contenido de ABA.
  • Favorece la degradación del ABA en el embrión y/o inhibe su transporte desde los cotiledones al embrión.
  • Aumenta el contenido de GAs
  • Media en la señalización celular vía MAPKs
  • Induce proteínas relacionadas con señalización celular y desarrollo, elongación y división celular.
  • Oxida de forma específica ciertas proteínas. Entre ellas, las mencionadas proteínas de reserva. Este proceso “marca” dichas proteínas para ser degradadas.
  • Otras explicaciones para describir el efecto positivo del H2O2 en la germinación:
  • Cuando la semilla metaboliza al H2O2 genera O2, que es necesario para el proceso respiratorio.
  • El H2O2 (y otras ROS) pueden ayudar a romper cubiertas de semillas, lo que facilita la entrada de agua en la semilla.
  • A menudo, el pericarpo y cubiertas de semillas pueden contener compuestos que inhiben la germinación. Las ROS pueden oxidarlos evitando su función inhibitoria de la germinación.imagen1
    Modelo propuesto sobre la función clave del H2O2 en la germinación y crecimiento temprano en guisante.

El efecto del H2O2 se puede revertir cuando incubamos las semillas en presencia de una mezcla H2O2+ABA.

Efecto del H2O2 en la germinación de semillas de guisante (A, B). En las fotografías C y D se muestra como el ABA reduce el crecimiento de las plántulas tanto en ausencia (C) como en presencia del H2O2 (D)fig-4

Por lo tanto, podemos decir que el H2O2 es un regulador natural de la germinación. Pero lo más importante, esta investigación tiene una aplicación práctica, por ejemplo en viveros, para aumentar el vigor de las semillas y fortalecer las plántulas. Además, se puede usar para estimular la germinación de semillas con bajo vigor.

Para más información:

  • Bailly C., El-Maarouf-Bouteau H. & Corbineau F. (2008) From intracellular signaling networks to cell death: the dual role of reactive oxygen species in seed physiology. Comptes Rendus Biologies 331, 806-814.
  • Barba-Espin G, Diaz-Vivancos P, Clemente-Moreno MJ., Albacete A., Faize L., Faize M., Pérez-Alfocea F, Hernández J.A. (2010) Interaction between hydrogen peroxide and plant hormones during germination and the early growth of pea seedlings. Plant Cell Enviroment 33: 981-994.
  • Barba-Espin G, Diaz-Vivancos P, Job D, Belghazi M, Job C, Hernández JA. Understanding the role of H2O2 during pea seed germination: a combined proteomic and hormone profiling approach. Plant Cell Environm 2011; 34:1907-19.
  • Barba-Espin, G., Hernández JA, Diaz-Vivancos P (2012) Role of H2O2 in pea seed germination. Plant Signaling & Behavior 7, 193–195.
  • Diaz-Vivancos P, Barba-Espín G, Hernández José A (2013) Elucidating hormonal/ROS networks during seed germination: insights and perspectives. Plant Cell Reports 32: 1491-1502 .

 

Comida de ex-becarios del CEBAS - 25 años (12)
José A. Hernández es Investigador Científico del CEBAS-CSIC(Murcia)

 


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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