LA BIOQUÍMICA VEGETAL ANTE LOS NUEVOS DESAFÍOS DEL AMBIENTE

Las plantas son cruciales para la humanidad: como fabricantes de oxígeno, como fuente de alimento, energía y materia prima para la industria, como productoras de medicamentos, esencias, colorantes, proteínas. Cada vez más deben hacer frente a condiciones ambientales fluctuantes que afectan su crecimiento y desarrollo. La bioquímica vegetal brinda las bases para comprenderlas y desarrollar estrategias tendientes a mejorar su producción y su relación con los nuevos entornos..

Las plantas comparten con los animales y los hongos un ancestro común que vivió hace aproximadamente 2000 millones de años. Gracias a este lenguaje común de ADN compartido entre dichos organismos, sumado a una estructura y fisiología celular similar, los estudios en las plantas han permitido aumentar el conocimiento sobre la vida en general. Por ejemplo, las primeras células vivas fueron observadas en 1665 por el científico inglés Robert Hooke en un tejido vegetal; los estudios de Gregor Mendel sobre arvejas revelaron, en 1865, las leyes de herencia que ayudaron a entender enfermedades humanas, como la anemia falciforme; mientras que Dmitri Ivanovsky y Martinus Beijerinck, de manera independiente, aislaron en 1892 el primer virus vegetal, marcando así el comienzo de la virología.

Las plantas han adquirido la capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis mediante la incorporación en sus células de una bacteria fotosintética. Esta posibilidad de convertir la energía de la luz solar en energía química permitió que las plantas ocuparan un nicho particular, compatible con el de otros seres vivos. Como un subproducto de la fotosíntesis, las plantas producen el oxígeno que necesitamos para vivir, tanto nosotros como todos los demás animales.

Las plantas constituyen organismos diversos y asombrosos, que enriquecen nuestras vidas de muchas maneras: como fabricantes de oxígeno, como fuente de alimento, energía y materia prima para la industria, como productoras de medicamentos, esencias, colorantes, proteínas, entre otros aportes cruciales para la humanidad.

Muchos tipos de plantas viven y se reproducen con éxito en diversos hábitats. En este caso, la adaptación al medio ambiente se caracteriza por cambios genéticos en toda la población llevados a cabo mediante la selección natural a lo largo de muchas generaciones. Es lo que ha ocurrido con las llamadas plantas C4 (vía de 4 carbonos o de Hatch-Slack) y las CAM (sigla de Crassulacean Acid Metabolism, correspondiente a metabolismo ácido de las crasuláceas), que se han adaptado, respecto de las plantas C3 (vía de 3 carbonos), a crecer en climas calurosos y áridos, optimizando espacial y temporalmente el proceso de fotosíntesis, al fijar el CO2 en las células del mesofilo en el ciclo C4 y durante la noche en las plantas CAM.

Pero, por ser organismos sésiles, es decir que no se movilizan, las plantas no pueden alejarse de su ambiente natural cuando las condiciones de su entorno fluctúan y se tornan amenazantes. En este caso, pueden responder de manera individual a las modificaciones del ambiente alterando directamente su fisiología o morfología, lo que les permite sobrevivir mejor en el nuevo entorno. Estas respuestas, denominadas de aclimatación al medio, no requieren nuevas modificaciones genéticas y representan cambios transitorios en el funcionamiento o la forma del individuo, que pueden revertirse si cambian las condiciones ambientales prevalecientes. Por ejemplo, las plantas pueden alterar su bioquímica para sintetizar sustancias que les permitan a las células efectuar ajustes osmóticos, en el caso de la falta de agua; o sintetizar compuestos crioprotectores, frente a la presencia de bajas temperaturas.

Esta modulación ambiental del equilibrio interno, u homeostasis, se puede definir como estrés biológico. En otras palabras, el estrés de la planta implica algún efecto adverso sobre la fisiología inducido por una transición repentina desde alguna condición ambiental óptima, en la que la homeostasis se mantiene, hasta una condición subóptima, que interrumpe este estado.

Existen dos categorías principales de estrés para las plantas: el estrés abiótico y el estrés biótico. El primero se corresponde con el efecto de un factor físico, por ejemplo, la luz, la temperatura, la radiación ultravioleta; o químico, como los contaminantes, el exceso de metales, la salinidad, que altera el ambiente donde se desarrolla. El segundo se refiere al daño biológico provocado por patógenos –incluidos virus, bacterias, hongos, gusanos, nematodos, insectos y herbívoros– al que puede estar expuesta durante su ciclo de crecimiento y desarrollo.

Las plantas pueden presentar disfunciones o alteraciones en su metabolismo durante el tiempo que son afectadas por estos factores de estrés. Si el estrés es moderado y de corta duración, la planta puede recuperarse cuando se elimina la condición ambiental adversa. Pero si el estrés es lo suficientemente intenso y prolongado, su crecimiento puede resultar comprometido, con consecuencias en su rendimiento productivo, e incluso puede llevarla a la muerte. En esta situación, la planta es considerada como sensible a ese factor de estrés. Por otra parte, muchas plantas toleran un estrés particular; en ese caso, se consideran resistentes.

Otra estrategia de algunas especies para enfrentar perturbaciones es la de escape, lo que implica completar el ciclo de vida antes que ocurra el estrés ambiental. Por ejemplo, las plantas efímeras germinan, crecen y florecen muy rápidamente después de las lluvias estacionales, completando así su ciclo de vida durante un período de humedad adecuada, y forman semillas inactivas antes del comienzo de la estación seca. De manera similar, muchas plantas anuales árticas completan velozmente su ciclo de vida en el corto verano ártico y sobreviven durante el invierno en forma de semillas.

En la actualidad, el cambio climático, el aumento de los niveles de contaminación de origen antrópico (sobre todo, la acumulación de metales en los suelos a consecuencia de la intensa actividad industrial y el uso de fertilizantes fosfatados), junto con la expansión de las zonas cultivables a áreas marginales para los cultivos que allí se implantan, impactan en forma directa sobre el crecimiento, llevando con frecuencia a importantes pérdidas en la productividad de los cultivos.

Gran parte de las investigaciones en nuestros laboratorios están dirigidas a entender la notable capacidad de los vegetales de regular el metabolismo en respuesta al cambio ambiental, base de su plasticidad fenotípica. Los desequilibrios en las condiciones climáticas y del suelo alteran la bioquímica de las células vegetales, lo que puede comprometer procesos claves como la fotosíntesis, la proliferación y la expansión celular, además de inducir la producción de especies activas del oxígeno. Si bien es reconocido que estas especies forman parte de los procesos de señalización celular, cuando se encuentran en exceso por superar la capacidad para ser eliminadas por la célula, causan daño oxidativo en componentes celulares fundamentales, como proteínas, lípidos, ARN y ADN.

En nuestros laboratorios hemos relacionado varios factores de estrés abiótico, como metales, salinidad, radiación ultravioleta B, con la generación de estrés oxidativo. El daño oxidativo puede llevar a pérdidas en la integridad de las membranas biológicas y a la destrucción de las funciones metabólicas celulares, para conducir finalmente a la muerte celular. En vista de que diferentes factores abióticos pueden causar efectos fisiológicos similares porque afectan a los mismos procesos celulares, entender la bioquímica del estrés permitirá encontrar nuevas estrategias para mejorar la tolerancia, impactando en los rendimientos y expandiendo las fronteras de los cultivos.

La asociación de las plantas con una serie de microorganismos, denominados en su conjunto bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR, Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), es de particular importancia para mejorar su crecimiento en numerosas ocasiones. Tal es el caso de la asociación simbiótica del género bacteriano Rhizobium con las plantas leguminosas, como arveja, poroto, alfalfa, trébol y soja, entre otras. En esta interacción, la planta se nutre del nitrógeno aportado por la fijación biológica del nitrógeno atmosférico (FBN) que realizan estas bacterias, y la bacteria recibe compuestos carbonados que utilizará para la obtención de energía. Por tanto, esta asociación simbiótica rizobio-leguminosa es clave en la agricultura, por su implicancia en el ciclo global del nitrógeno y, por ende, en la producción de alimentos. La combinación de factores tales como la temperatura y la humedad ambiental, las propiedades fisicoquímicas del suelo y la naturaleza de la población rizobiana naturalizada determinan la eficiencia en la FBN y la productividad del cultivo.

Otros de los géneros bacterianos más conocidos que se emplean como biofertilizantes son Azospirillum y Pseudomonas. Los mecanismos implicados en la promoción del crecimiento vegetal se agrupan en dos tipos: directos o indirectos. Entre los primeros se encuentran la FBN; la producción de sideróforos, que ayudan a las plantas a incorporar hierro; la solubilización de minerales que son nutrientes de las plantas (como el fósforo, el calcio, el magnesio); la síntesis de fitohormonas (como auxinas, citocininas o giberelinas) y de la enzima desaminasa del ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC desaminasa), que actúa disminuyendo los niveles de la hormona etileno en la planta e incrementa la disponibilidad de amonio en la rizosfera. Los mecanismos indirectos se vinculan con el control de los patógenos vegetales y abarcan la producción de antibióticos y de enzimas que degradan paredes celulares fúngicas, así como la inducción del sistema de resistencia en la planta.

Otra asociación simbiótica de relevancia son las micorrizas: se trata de una asociación entre hongos y raíces de las plantas, que proporciona ventajas adicionales para el crecimiento del hospedador, al permitir mejorar la adquisición de nutrientes minerales y la tolerancia al estrés ambiental. En nuestros laboratorios se desarrollan líneas de trabajo que estudian de qué manera factores ambientales externos pueden modificar estos procesos de asociación entre las plantas y los microorganismos beneficiosos para su crecimiento.

Las nuevas herramientas en secuenciación y las tecnologías «ómicas» (como la genómica, la transcriptómica, las diferentes proteómicas, la metabolómica o la ionómica), junto con la bioinformática, están permitiendo entender a las plantas y sus relaciones con el ambiente cada vez con mayor nivel de detalle. Por ello, en el contexto actual consideramos que el estudio de la bioquímica vegetal nunca ha sido más importante, ni más desafiante, no solo como herramienta para comprender el mundo de las plantas, sino para avanzar en la producción de conocimientos que nos permitan desarrollar nuevas estrategias orientadas a expandir los cultivos y multiplicar sus aplicaciones.

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UN SINFÍN DE APLICACIONES

Las plantas se encuentran dentro de los principales productores del ecosistema terrestre; todos los alimentos ingeridos por los animales provienen de manera directa o indirecta de ellas. Además de constituir alimentos, producen una amplia variedad de compuestos químicos derivados de un conjunto complejo de rutas bioquímicas.

La diversidad química de los vegetales es inmensa. Muchos de estos productos naturales vegetales tienen efectos beneficiosos para los humanos, que van desde el simple placer de los aromas y los sabores (vainilla, cafeína, canela, menta) hasta el uso medicinal de sus metabolitos con actividad farmacológica. Dentro de estos últimos, algunos ejemplos importantes son la morfina, extraída de Papaver somniferum (opio); la digoxina, que se obtiene de las hojas de Digitalis lanata; la digitoxina, obtenida a partir de Digitalis purpurea; la atropina, extraída de las plantas Atropa belladona y Datura stramonium; o la escopolamina, obtenida de Hyoscyamus niger. La mayoría de esos compuestos son producidos por una o pocas especies vegetales, y tienen por función atraer a organismos que resultan beneficiosos para su desarrollo o superviviencia, o bien actuar como defensas químicas para disuadir a los patógenos o herbívoros que podrían diezmarlas.

Hay otros productos de origen vegetal muy apreciados por el ser humano, entre ellos las fibras, usadas para la producción de papel y de telas como algodón, lino y rayón, o el almidón, muy usado como aditivo en la industria alimentaria.

Las plantas también proporcionan energía. Los seres humanos han utilizado la madera como material de construcción y como fuente de calor y luz. Dentro de las fuentes biorrenovables se encuentran los biocombustibles líquidos, como el etanol proveniente de la fermentación de los azúcares o el biodiésel producido a partir de los lípidos vegetales. Los plásticos devenidos de carbohidratos y aceites de plantas también se están desarrollando como alternativas a los productos derivados del petróleo.

Adicionalmente, las plantas se usan para producir proteínas recombinantes, entre ellas anticuerpos, proteínas humanas (por ejemplo, insulina) e incluso vacunas. En creciente importancia se encuentra la exploración de las vías metabólicas que revelan nuevas reacciones, donde la comprensión de las enzimas involucradas proporciona acceso a una variedad de aplicaciones en biocatálisis y bioingeniería. Por otro lado, la biología sintética está tomando rutas metabólicas de los vegetales como modelo para ensamblar vías en microorganismos que se adaptan a las necesidades de la química médica, como las utilizadas por las plantas para la síntesis de los alcaloides.

Las plantas también ayudan a conservar ambientes amenazados. Por ejemplo, algunas especies vegetales poseen la capacidad de absorber, acumular, estabilizar, metabolizar o volatilizar compuestos orgánicos e inorgánicos presentes naturalmente en la biosfera, o acumulados debido a la acción del hombre. La fitorremediación es un proceso biotecnológico de recuperación de ambientes contaminados que utiliza estas propiedades.

GLOSARIO
Plasticidad fenotípica: es la capacidad de un organismo de alterar su fenotipo de acuerdo con las condiciones ambientales en las que se encuentre.
Rizosfera: región del suelo cuya actividad biológica y química se encuentra directamente influenciada por las raíces de las plantas.