Por: I.A Mery Liliana Sánchez Martín 
Directora Técnica SYS Technologies.

Uno de los principales factores que facilitan la velocidad de respuesta de las plantas ante situaciones de estrés es la capacidad de sus tejidos para transportar los derivados del metabolismo, así como la velocidad con que se transportan, se reciben y se incorporan estas sustancias en las rutas metabólicas específicas. No obstante, aunque que la planta tenga la capacidad de producir las sustancias necesarias para defenderse y superar un estrés, si en sus tejidos no tiene el vehículo para transportar esas sustancias con la velocidad necesaria para actuar rápidamente de manera que no se afecten radicalmente sus procesos fisiológicos, no hay posibilidad de competir eficientemente en el ecosistema y desarrollar su máxima productividad. 

El estudio del comportamiento fisiológico de las plantas ha permitido comprender cómo las plantas regulan la cantidad de agua disponible y los efectos que tiene en el metabolismo la falta o limitación de este recurso, así como el entendimiento de los mecanismos de adaptación de las plantas y las estrategias que usan algunas especies para sobrevivir y superar condiciones de estrés hídrico.

La capacidad de transportar los propios metabolitos en la dinámica celular está directamente ligada a los contenidos de agua intracelular y, por tanto, al potencial hídrico de los tejidos.

El potencial hídrico se define según la ecuación:

ΨW = P – S, donde: 

“ΨW” es el potencial hídrico;
“p” es la presión de turgor o la fuerza hidrostática ejercida en la célula vegetal contra la pared celular y es de signo (+)
“s” es la presión osmótica, que es una medida de la concentración de los solutos (Taiz y Zeiger, 2006).

La interacción del agua con los solutos disueltos en esta tiene un efecto negativo sobre el Ψw, ya que disminuye la cantidad de agua libre disponible en el sistema, por lo que se resta en la ecuación (Nilsen y Orcutt, 1996). La reducción en el valor del Ψw, consecuencia de la interacción del agua con los materiales insolubles y las paredes, define al potencial mátrico, que no aparece en la ecuación por haberse comprobado empíricamente que su contribución al valor del Ψw es despreciable en la mayoría de los casos. De acuerdo con la ecuación, el turgor es directamente proporcional al potencial hídrico (Citado por Moreno F., 2009).

Dentro de la planta, el transporte del agua va desde los sitios donde el potencial hídrico es mayor (es decir, donde es menos negativo) hacia los sitios donde el potencial hídrico es menor (es decir, donde es más negativo). La principal fuerza motora que impulsa al agua en su viaje a la parte aérea es la pérdida de agua en las hojas por transpiración. Esto supone que las hojas son los órganos de las plantas que presentan los potenciales hídricos más negativos (Zyalalov, 2004; citado por Moreno F., 2009).

Efecto del estrés hídrico en la planta

En condiciones de estrés hídrico la capacidad de transporte electrónico se ve afectada por distintos factores, entre ellos: 

• Se reduce el número total de centro de estado funcional. 
• Se presentan cambios en la eficiencia de los centros funcionales (Flexas y Medrano 2002ª).
• La reducción de centros funcionales se relaciona con la integridad de la maquinaria fotosintética y podría ser asociada con la llamada “foto inhibición crónica” (Osmond y Grace 1995). 
• Si las condiciones ambientales que causan el estrés hídrico son persistentes, se ven afectados procesos fisiológicos como la formación de proclorofila, disminución de actividad enzimática como la niotratoreductasa debido al menor flujo de nitrato, lo que altera la incorporación del nitrógeno orgánico a la planta (Tadeo 2000).
• Los cambios en la actividad enzimática causan una inhibición en la división celular, seguida de una reducción de la síntesis de pared celular y, por tanto, en el crecimiento de la planta. Esta reducción del crecimiento, relacionada con la inhibición de la elongación y de la división celular, da lugar a modificaciones en el patrón de desarrollo y morfología vegetal.
• En condiciones de estrés hídrico surgen cambios en la osmolaridad celular. El crecimiento de la raíz es menor que el crecimiento de la parte aérea, lo que conduce a un aumento de la relación parte aérea/raíz (Mullet y Wishit, 1996).
• Se produce un incremento en los niveles de ácido abscísico (ABA) y las estomas comienzan a cerrarse, lo que provoca una reducción de la transpiración y de la fotosíntesis. 
• La síntesis proteica es muy sensible, se presenta desnaturalización de proteínas y disociación de ribosomas. La actividad enzimática se ve alterada generando la producción de metabolitos secundarios en forma irregular y se genera un gasto energético adicional por la síntesis de proteínas específicas para   superar el estrés. 
•  En condiciones de estrés hídrico difícilmente la biomasa de la raíz aumenta. Sin embargo, la longitud y profundidad si se pueden incrementar (Blum2005).
• Un estrés hídrico puede estar asociado a la disminución considerable de productividad en los cultivos, ya que, al reducirse la división celular, se reduce también el tamaño de las hojas y por ende la eficiencia fotosintética, especialmente cuando el déficit hídrico se presenta en las primeras etapas del desarrollo vegetativo.
•  Debido a la reducción de agua en los tejidos, la concentración de solutos en la célula se incrementa. Algunos iones inorgánicos, tales como potasio, calcio, magnesio y cloro no pueden ser metabolizados o incorporados dentro de la estructura celular y se acumulan en situaciones de deshidratación (Zyalalov, 2004; Canny, 2001; Steudle,2000; Andreev, 2001).
• Ya que estos iones juegan papeles de regulación de enzimas, la actividad enzimática puede verse afectada; de esta forma, las enzimas que requieran K+ pueden ser afectadas si la concentración de este ion se incrementa.
• Cuando el contenido relativo de agua (CRA) disminuye, aumenta la concentración de NaCL y los niveles de prolina se elevan.
• Una de las características más relevantes que se ha estudiado ampliamente es el incremento de prolina libre en las células con estrés hídrico.

Ante este panorama las plantas adoptan diferentes mecanismos de escape, evitación y tolerancia para disminuir los efectos de la sequía, los cuales no son objeto de ampliación en este artículo por lo extenso del tema. Sin embargo, se abordará lo referente al papel que juega la alteración de la expresión de proteínas y de la producción y acumulación del aminoácido prolina en las plantas, su función como osmolítico y los beneficios que proporciona cuando se incorpora externamente al cultivo mediante la aplicación de bioestimulantes con aminoácidos.

Existen   numerosos trabajos de investigación donde se reporta la acumulación de prolina en los tejidos vegetales en condiciones de estrés hídrico. De igual manera, estudios de especies adaptadas a entornos con limitación hídrica dan cuenta de que estas especies vegetales no solo producen, sino que acumulan mayores cantidades de prolina   cuando las condiciones ambientales son extremas, favoreciendo el estrés hídrico.

La acumulación de prolina inducida por el estrés osmótico es una de las primeras respuestas de la planta, convirtiendo la prolina en un marcador de estrés confiable (Signorellia Santiago and Monzac Jorge,2017).

La alteración en la expresión de proteínas es una de las respuestas de las plantas cuando se someten a diferentes tipos de estrés, lo cual está directamente relacionado con la reducción o el incremento de la expresión de genes específicos; esto depende de la naturaleza, duración y severidad del estrés. 

Moreno F (2009) menciona que […] aunque el estudio de la reducción de la producción de proteínas tiene un impacto significativo en el   conocimiento fisiológico de las plantas,  la mayoría de investigaciones se enfocan en las proteínas que se incrementan  durante el estrés porque se cree que puedan tener una función adaptativa o de protección a dicha condición. Entre las más importantes por su efecto protector potencial están las LEA (Late Embriogenesis Abundant Proteins), (Proteínas de Embriogénesis Tardía) las involucradas en las vías de síntesis de los osmolitos y las que funcionan como antioxidantes (Bray, 1997; Zhu et al., 2002; Bartles y Kotchoni, 2003).

Las LEA son varias familias de proteínas que se acumulan en altos niveles durante la etapa madura de la embriogénesis. Algunas de ellas también se acumulan en tejidos vegetativos en respuesta al estrés osmótico generado por diversos agentes ambientales (deshidratación, salinidad, frío y congelamiento) (Galau et al., 1986; Baker et al., 1988; Bray, 1993) citado por Moreno F (2009).

Existe un grupo grande de genes asociados al mantenimiento de la homeostasis iónica que son inducidos por estrés osmótico; estos codifican para las proteínas LEA (Baker et al., 1988; Mundy y Chua, 1988; Dure et al., 1989; Citado por Moreno F., Liz Patricia, 2009).

Los osmolitos son compuestos que representan una función importante en el ajuste osmótico y protegen a las células de las especies reactivas de oxígeno (Pinhero et al., 2001). En muchas plantas durante condiciones de estrés hay una sobre-expresión de las enzimas clave en la biosíntesis de osmolitos como la prolina y otros aminoácidos, (Tamura et al., 2003). La acumulación de prolina, además de inducir ajuste osmótico, protege las membranas y las proteínas de la deshidratación, y actúa como desintoxicador de radicales libres.

Los osmolitos son utilizados por las células de numerosos organismos y tejidos para mantener el volumen celular. Estos solutos son aminoácidos y derivados, polioles, azúcares, metilaminas, compuestos metilsulfonados y urea. A excepción de la urea, a menudo son llamados “solutos compatibles” u osmoreguladores responsables del balance osmótico, que son compatibles con el mecanismo celular. Se localizan en el citoplasma y permiten disminuir el potencial osmótico de la célula sin interferir con las funciones metabólicas, a pesar de alcanzar concentraciones altas.

Los osmorreguladores bajo diferentes condiciones de estrés también pueden actuar estabilizando proteínas y membranas celulares, y captando radicales libres. Dicha habilidad les ha permitido ser llamados osmoprotectores. En estado anhidro los grupos OH- de algunos de ellos remplazan el agua en la formación de puentes de hidrógeno con los residuos polares de proteínas y fosfolípidos (Romero et al., 2004, citado por Montenegro R. y Melgarejo M., 2012).

Diversos autores   han informado el incremento del contenido de prolina en las plantas cuando se dejan de regar en comparación con plantas que reciben riego permanente (Barnetty Naylor 1966; Hanson y Tulli, 1979; Sing et al., 1973). De acuerdo con Aspinal y Paleg (1981), Singh et al.  (1973ª) y Andrade et al (1995), esta acumulación de prolina se inicia por una reducción en el potencial del agua en los tejidos de las células como respuesta a la adaptación de las plantas cuando son sometidas a estrés hídrico.

En el caso de la deshidratación por heladas, Köşkeroğlu, Sultán, Atún y Atilla Levent trataron plantas de  Zea Mayz con dos concentraciones de sal (NaCl) y polietilenglicol 6000 (PEG 6000) para crear estrés hídrico. Los resultados obtenidos muestran que la acumulación de prolina y las actividades de enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD), la peroxidasa de guaiacol (POX) y la polifenol oxidasa (PPO) en plantas de maíz hidropónico (Zea mays L.cv DKC647) aumentaron con el aumento de la intensidad del estrés por NaCl, pero el tratamiento con PEG 6000 además del NaCl tuvo un efecto más significativo en las actividades de estas enzimas. Estos resultados sugieren que las plantas de maíz pueden aumentar el contenido de prolina para mantener el ajuste osmótico y aumentar la actividad de las enzimas antioxidantes para tener una mejor protección contra las especies de oxígeno activo (AOS) bajo estrés por sal y agua.

La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (Roma, 2010) en su serie de protección de medio ambiente acerca de la protección contra las heladas, hace referencia a  Levitt (1980) quien propuso que (…) las células se morían de forma gradual como resultado del crecimiento de masa de hielo extracelular. Como resultado de la formación de hielo extracelular, el agua se evapora desde el agua líquida dentro de las células y pasa a través de las membranas semipermeables de las células depositándose sobre los cristales de hielo fuera de las células. 

Conforme el agua sale de las células, la concentración de solutos aumenta y reduce el riesgo de congelación. Sin embargo, a medida que el hielo continúa creciendo, las células se desecan más. Normalmente, en las plantas dañadas, los cristales de hielo extracelular son mucho más grandes que las células muertas de alrededor, que se han colapsado debido a la desecación. En consecuencia, la principal causa en la naturaleza del daño por helada a las plantas es la formación de hielo extracelular, que produce un estrés de agua secundario a las células adyacentes. De hecho, hay una estrecha relación entre las plantas tolerantes a la sequía y las plantas tolerantes a la congelación.

Los estudios de especies tolerantes a la sequía muestran una alta capacidad de acumulación de prolina en sus tejidos.

¿Qué es la prolina?

La prolina (Pro ó P) es un aminoácido que constituye las proteínas y que se forma a partir de la cadena pentacarbonada del ácido glutámico; debido a ello no es un aminoácido esencial. Se trata del único aminoácido proteinogénico cuya α-amina es una amina secundaria en lugar de una amina primaria. Su cadena lateral es cíclica y está compuesta por 3 unidades de metileno; estos quedan unidos al carbono alfa y al grupo amino, el cual pasa a llamarse imino.

La principal vía biosintética de la prolina es a partir del glutamato y la reacción catalizada por la enzima Δ1-pirrolina 5-carboxilato sintasa (P5CS) es el paso limitante de la velocidad de su biosistesis. (Signorelli S, Monza J., 2017).

La acumulación de prolina bajo condiciones de estrés se puede producir por varias razones:

• Por la acumulación de la enzima de biosíntesis de la prolina (P5CS).
• Por la reducción de la oxidación de prolina a glutamato (PDH) (enzima prolina deshidrogenada).
• Por un bajo uso de prolina en la síntesis de proteínas. 
• Por un aumento de la degradación de proteínas, lo que da lugar a la ruptura de los péptidos y liberación de aminoácidos de la cadena proteínica (Clausen 2005).
• La acumulación de prolina también depende de su degradación, que es catalizada por la enzima mitocondrial PDH que transforma   L-prolina en Q1-pirrolin-2carboxilato(P5C) mediante consumo de O2 producción de H2 (Hare et al, 1999).

Funciones de la prolina en las plantas

La prolina cumple múltiples funciones en la tolerancia de las plantas ante situaciones de estrés:

• Actúa como un estabilizador de membranas y proteínas.
• Es un inductor de genes relacionados con el estrés osmótico.
• Actúa como mediador del ajuste osmótico (Delaunet & Verma 1993; Kavi Kishor et al. 1995; Yoshiba et al. 1997). 
• Es una fuente de carbono y nitrógeno disponibles en la rehidratación celular. 
• Es una fuente de equivalentes de reducción (del catabolismo de prolina) para sostener fosforilación oxidativa.
• Genera ATP durante la recuperación del estrés (Hare & Cress 1997; Hare et al, 1998).
• Ayuda en la decodificación del exceso de NH4+.
• Ayuda a las células a liberar tensión oxidativa (Ramanjulu & Sudhakar, 2000; Harsh)
• La prolina exógena alivia el estrés oxidativo y aumenta la vida del florero en rosa -rosa hybrida L. ‘Grand Gala’- (Kumar, Naveen Pal, Madan Singh, Atar SaiRam, Raj Kumar et al., 2010)

A manera de conclusión podemos decir que existen referencias de los  diferentes tipos de estrés que dan lugar al incremento en el contenido  de prolina en plantas, como son:  osmótico (Causen, 2005),  salino (Gzik1996),  frio (Warnwr y J Unttila, 1999), metales pesados (Heriappan et al, 2011), alta intensidad lumínica (Masour, 2000), aplicación de herbicidas Paraquat (Chen y Dickman, 2005), aplicación de herbicida Benzaton (Galhano et al, 20011).

Ante la existencia de estrés hídrico por cualquiera de estos factores se presenta una reducción drástica de la actividad PDH (enzima prolina deshidrogenada) donde la prolina actúa como un compuesto osmorregulador. 

Una de las herramientas para manejar un eventual estrés hídrico por deshidratación es la incorporación periódica en los cultivos de aminoácidos con altos contenidos de prolina. En este caso, SYS Technologies contribuye a la reducción de los efectos de los diferentes tipos de estrés de las plantas  mediante  el desarrollo  del  fertilizante líquido AMINOSYS  que contienen  aportes significativos de  prolina con una concentración balanceada de los demás aminoácidos en forma libre,  de manera que la planta los pueda  asimilar  rápidamente en su  proceso metabólico junto con el carbono orgánico y el balance de  macro y micro nutrientes esenciales para las plantas. 

El aporte directo a las hojas (colectores y procesadores de la energía solar), de AMINOSYS, estimula las plantas para que puedan expresar su máximo potencial productivo. AMINOSYS potencializa  funciones específicas en uno o varios procesos fisiológicos de las plantas. Actúa como un activador del crecimiento que favorece la elongación y división celular en estructuras vegetativas y reproductivas gracias al aporte de compuestos orgánicos precursores de fitorreguladores y enzimas. AMINOSYS estimula la síntesis de proteínas, clorofila, aminoácidos, ácidos nucleicos y fosfolípidos; promueve la producción de almidones, azucares y vitaminas y con el aporte de micronutrientes, activa y promueve diversos procesos enzimáticos.

Dosis y épocas de aplicación

AMINOSYS puede ser aplicado en cualquier etapa de desarrollo del cultivo. Para lograr la disponibilidad constante de los elementos esenciales en los procesos fisiológicos se debe realizar un programa de fertilización foliar mediante tres o cuatro aplicaciones con intervalos de 15 días entre la iniciación del periodo vegetativo hasta floración. La dosis varia de 0.6 a 2 Litros/ha en la medida que le cultivo crece y el área foliar aumenta. 

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