Condiciones climáticas desfavorables, ataques de patógenos y determinados estados de desarrollo de la planta desencadenan las expresión de las denominadas proteínas de estrés.
Desde que la planta recibe la señal de estimulación hasta que se sintetizan las proteínas de respuesta al estrés tienen lugar diferentes procesos; el reconocimiento del factor de estrés, la síntesis de metabolitos secundarios que actúan como señales de transducción, la expresión de los genes y finalmente la síntesis de las distintas proteínas de estrés.
Este trabajo ha sido elaborado por los autores arriba referenciados, y ha contado con la colaboración de BIOIBÉRICA.
A lo largo de su vida, las plantas están constantemente expuestas a factores abióticos y bióticos que influyen en su desarrollo. Entre los primeros se encuentran los factores climáticos (frío, calor, sequía, asfixia, baja humedad relativa, heladas, granizo viento, salinidad) y los factores asociados al manejo del cultivo (transplante, poda, fitotoxicidad, estrés carencial, salinidad).
En cuanto a los factores bióticos se encuentran los asociados a estados fenológicos (desarrollo embriogénico, brotación, floración, cuajado, maduración) y a la presencia de patógenos (virus, bacterias, hongos, nemátodos, insectos) (Tabla 1). Cuando el efecto de estos factores sobre el desarrollo de la planta es perjudicial se produce una situación de estrés, que limita la producción del cultivo y genera importantes pérdidas económicas. La mejora vegetal tradicional y la ingeniería genética encaminada a incrementar la tolerancia de la planta a la sequía, la elevada salinidad y la baja temperatura, así como la resistencia a enfermedades, han tenido un éxito limitado debido a la complejidad genética de las respuestas al estrés (CUSHMAN & BOHNERT, 2000).
Actualmente, el desarrollo de nuevas técnicas genéticas moleculares y el uso de sistemas modelo (Arabidopsis) han permitido identificar nuevos genes, mejorar la comprensión de su función y determinar sus patrones de expresión en respuesta al estrés. Frente a una situación de estrés, las plantas activan complejos mecanismos de respuesta que conducen a la expresión de un grupo de proteínas, denominadas proteínas de estrés que tienen como función proteger a la célula.
Existe una gran diversidad entre las proteínas de estrés dependiendo de si son sintetizadas como respuesta al calor (heat-shock proteins; HSPs), a la deshidratación (water stress proteins; WSPs), a la salinidad (salt stress proteins; SSPs), a la anoxia (estrés por falta de oxígeno) (anaerobic proteins; ANPs) o a un ataque por patógenos (pathogenesis-related; PRs) (FRITIG et al., 1998). Resulta por tanto, que para cada situación de estrés las plantas expresan un tipo de proteínas de estrés. Algunas proteínas abundantes en determinados procesos de la planta corresponden también a proteínas de estrés.
Por ejemplo, dentro del grupo de las proteínas abundantes en la embriogenesis (late embryogenesis abundant; LEA) se encuentran las proteínas de estrés que se acumulan en el embrión cuando la semilla está desarrollando tolerancia a la desecación (DURE et al., 1989). También se ha observado que proteínas sintetizadas como respuesta a un tipo de estrés pueden de hecho tener un papel importante en la tolerancia a otra condición de estrés.
Así, muchas proteínas de estrés inducidas por la deshidratación también actúan como proteínas de defensa y están referidas como proteínas PR (VIGERS et al., 1991). Por ejemplo, la osmotina es una proteína que se sintetiza como respuesta a un estrés de deficiencia hídrica o salinidad que presenta también actividad antifúngica de manera que su expresión incrementa la resistencia a infecciones por hongos (ABAD et al., 1996). Diferentes estudios sugieren que la exposición de las plantas a un determinado estrés las hace más tolerantes a otro estrés siendo este fenómeno conocido como la tolerancia cruzada (LEVITT, 1980).
La activación de los mecanismos de respuesta al estrés que incluyen cambios morfológicos y de desarrollo, ajustes en el transporte de iones y cambios metabólicos, tiene lugar a diferentes niveles (molecular, celular y de la planta entera) y en diferentes fases. En una primera fase se produce el reconocimiento del factor de estrés por parte de la célula, mediante proteínas de membrana que actúan como receptores.
En la segunda fase se produce la transducción de la señal al interior de la célula; dos de los principales elementos en las vías de transducción de señales de las células vegetales son el calcio intracelular ([Ca2+]i) y las proteínas quinasas, enzimas que fosforilan y activan las proteínas receptoras (TREWAVAS, 2000). Posteriormente, se sintetizan metabolitos secundarios que actúan como señales fácilmente difusibles, contribuyendo a la coordinación global de la respuesta de la planta al factor de estrés. Estas señales secundarias pueden ser fitohormonas como el etileno, el ácido absísico (CHANDLER & ROBERTSON, 1994), el ácido jasmónico, y el ácido salicílico, así como señales eléctricas e hidráulicas (WILDON et al., 1992; MALONE et al., 1994; STANKOVIC & DAVIES, 1998) y especies reactivas de oxigeno (ROS) (LÓPEZ-HUERTAS et al., 2000).
Entre los mensajeros secundarios citados, estudios recientes han demostrado que el ácido jasmónico (JA) que es un regulador de crecimiento de las plantas, es un componente esencial en las vías de transducción de señales para la expresión de genes de defensa en las plantas como respuesta a varios tipos de estrés de tipo ambiental (KODA, 1997).
En respuesta a heridas, a ataques por insectos o patógenos, deficiencia hídrica y estrés osmótico los niveles de jasmonatos se incrementan marcadamente en plantas (WASTERNACK & PARTHIER, 1997). El etileno es otra señal sistémica esencial en la respuesta defensiva de la planta (ECKER, 1995; O?DONNELL et al., 1996). Del mismo modo, se ha demostrado que el ácido absísico (ABA) está implicado en la regulación de muchos genes inducidos por estrés y en algunos casos se ha observado que se requiere para cambios de expresión de genes como respuesta al estrés por deficiencia hídrica (BRAY, 1997) (Figura 1).
Finalmente, estos mensajeros activan la expresión de los genes que codifican para las distintas proteínas de respuesta al estrés. Así por ejemplo, las proteínas de respuesta al estrés osmótico, causado por la elevada salinidad y la deficiencia hídrica, tienen como objetivo mantener la homeostasis, eliminar los compuestos tóxicos y recuperar el crecimiento (XIONG & ZHU, 2002). Entre la gran cantidad de proteínas que se sintetizan como respuesta a la anoxia se han identificado las ANPs que son enzimas de la glicólisis o del metabolismo de los azúcares fosfato como las aldolasas (ALD), piruvato descarboxilasa (PDC), enolasas (ENO), glucosa-6-fosfato isomerasa, sacarosa sintasa (SUS) y alcohol deshidrogenasa (ADH) además de 3 genes no implicados en el metabolismo de la glucosa (SUBBAIAH & SACHS, 2003).
Entre los mecanismos de respuesta a factores bióticos, los más conocidos son los sistemas de defensa frente a infecciones. Las plantas poseen mecanismos de defensa constitutivos e inducibles. La habilidad de la planta para responder a una infección viene determinada por factores genéticos presentes en el huésped y en el patógeno. En concreto una de las respuestas de defensa inducida por patógenos en plantas, más eficiente y rápida es la respuesta hipersensible (HR) caracterizada por una muerte celular localizada.
En las células adyacentes, (zona de resistencia adquirida localizada; LAR) se producen importantes alteraciones metabólicas, como el refuerzo de la pared celular, la acumulación de enzimas antioxidantes, de fitoalexinas y de proteínas PR, que resultan en una confinación de patógeno en el sitio de infección. A nivel sistémico se activa la resistencia sistémica adquirida (SAR) que confiere una resistencia no específica y de amplio espectro. La activación de la SAR también induce la expresión de las proteínas PR. Actualmente se han caracterizado más de 17 familias de proteínas PR (Tabla 2) (VAN LOON & VAN STRIEN, 1999). La mayoría presentan actividad hidrolítica como las quitinasas y las glucanasas.
Aunque se dispone de considerable información respecto a las respuestas de las plantas al estrés, una de las principales incógnitas es conocer las vías de transducción de señales que median estas respuestas. La aclaración de las vías de transducción de señales proporcionará sin duda la base y fomentará la aplicación de nuevas técnicas, incluyendo la ingeniería genética, más racionales para el manejo y la obtención de plantas tolerantes al estrés (BARTELS & NELSON, 1994; CUSHMAN & BOHNERT, 2000).
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