Mecanismos de tolerancia a elementos potencialmente tóxicos en plantas

Mechanisms of plant tolerance to potentially toxic elements

Daniel González–Mendoza^1,2,3 y Omar Zapata–Pérez¹

¹ Departamento de Recursos del Mar, Laboratorio de Ecotoxicología, Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV), Unidad Mérida. Km. 6, Antigua Carretera a Progreso, C.P. 97310, Mérida, Yucatán, México.

² Dirección actual: Instituto de Ciencias Agrícolas, Universidad Autónoma de Baja California. Carretera a Delta s/n, C.P. 21705, Ejido Nuevo León, Baja California, México. ³ Autor para la correspondencia. Correo–e: daniasaf@gmail.com

Recibido: 17 de julio de 2007.
Aceptado: 5 de abril de 2008.

Resumen

Las plantas presentan una serie de mecanismos celulares que pueden estar participando en la tolerancia a elementos potencialmente tóxicos. Estos mecanismos consisten en la formación de micorrizas, el secuestro del metal en la pared celular de la planta, así como la precipitación con exudados radicales, la reducción de la absorción del metal por la membrana plasmática y la quelación del metal en el citosol por fitoquelatinas, metalotioneinas, histidina y prolina en forma libre. Asimismo, pueden involucrar el secuestro del metal en vacuolas mediante transportadores específicos localizados en el tonoplasto. Esta revisión ofrece una descripción de la participación de cada uno de los mecanismos de tolerancia en las plantas a metales potencialmente tóxicos.

Palabras clave: contaminación, metales tóxicos, quelación, tolerancia, toxicidad en plantas.

Abstract

Plants possess a wide array of potential cellular mechanisms that may be involved in the tolerance to potentially toxic elements. These mechanisms include mycorrhizal associations, heavy metals binding to cell wall, precipitation by extracellular exudates; reduction in uptake or efflux pumping of metals at the plasma membrane, chelation of metals in the cytosol by peptides such as phytochelatins, metallothionein, histidina free, proline free, and the compartmentation of metals in the vacuole by tono–plast–located transporters. This review provides a broad overview of the evidence of the involvement of each mechanism in plants' tolerance to potentially toxic metals.

El ambiente terrestre se encuentra en constante cambio y esto contribuye a que las fuerzas naturales de selección produzcan modificaciones en los organismos (Pollard, 2000). En el caso de las plantas, estas modificaciones les permiten adaptarse a las nuevas condiciones ambientales a través de cambios genéticos en las poblaciones durante un periodo de tiempo gobernado por la selección natural (Pollard, 2000). El proceso evolutivo puede ser analizado en dos niveles: la microevolución y la macroevolución. La mi–croevolución consiste en cambios evolutivos producidos en las especies en periodos de tiempo relativamente cortos debido a la fuerza de la selección natural, mientras que la ma–croevolución involucra cambios evolutivos entre especies y se presenta generalmente después de largos periodos de tiempo (Bondada y Ma, 2002). Un ejemplo de microevolución en organismos vegetales es el desarrollo de tolerancia a metales. En este proceso las actividades antropogénicas actúan como la fuerza de selección que genera los cambios evolutivos en los organismos, en periodos de tiempo relativamente cortos (cientos y décadas de años) (Bondada y Ma, 2002).

La tolerancia a elementos potencialmente tóxicos (metales esenciales y no esenciales) en los organismos vegetales puede definirse como el resultado de un proceso evolutivo que confiere a distintas especies de plantas la capacidad de crecer y desarrollarse en ambientes con concentraciones elevadas de elementos potencialmente tóxicos (Linhart y Grant 1996; Hall 2002). Los cambios evolutivos que han dado origen a la tolerancia se deben al desarrollo de una serie de mecanismos eficientes y específicos (procesos adaptativos) que permiten mantener la toma de elementos esenciales dentro de intervalos fisiológicos permisibles, además de proporcionar la capacidad de inactivar metabólicamente los elementos esenciales y no esenciales cuando representan un riesgo para la integridad celular (Linhart y Grant, 1996; Cai y Ma 2002).

Schat et al. (2000) clasificaron a la tolerancia en dos tipos de acuerdo con el conjunto de mecanismos moleculares o bioquímicos que la conforman: (1) co–tolerancia, la cual puede ser el resultado de un mecanismo específico que confiere una tolerancia a diversos metales; y (2) tolerancia múltiple, en la que la tolerancia es generada por una serie de mecanismos independientes para cada metal o metales que interactúan de manera conjunta para evitar el daño a la planta. De estas dos ideas, las evidencias sugieren que la tolerancia múltiple es el tipo que se presenta en la mayoría de las plantas (Macnair et al., 2000).

La presencia de tolerancia múltiple ha permitido que las plantas desarrollen tres estrategias básicas para establecerse en suelos con niveles tóxicos de metales: (1) exclusión: esta estrategia consiste en una limitada acumulación de metales en las partes aéreas de las plantas e involucra una acumulación preferente en el sistema radical; (2) indicadoras: esta estrategia se caracteriza porque las plantas acumulan metales en sus tejidos que generalmente reflejan los niveles de metales presentes en el suelo; y (3) hiperacumulación: esta estrategia se caracteriza por la capacidad de la planta de bioacumular altas concentraciones de metales en sus tejidos, principalmente en las partes aéreas (Baker, 1981; Baker y Walker, 1990; Vogel–Mikus et al., 2006). Considerando el criterio de la presencia de tolerancia múltiple en las plantas, Hall (2002) divide los posibles mecanismos de tolerancia en las siguientes formas: (1) mecanismos externos de tolerancia: hongos micorrizógenos; y (2) mecanismos internos de tolerancia: (a) enlace a la pared celular y exudados radicales, (b) quelación de los metales por diversos ligandos en el citosol (fitoquelatinas, metalotioneinas y aminoácidos), (c) presencia de proteínas de estrés térmico, y (d) acumulación en la vacuola.

Mecanismos externos de tolerancia

Hongos micorrícicos (HM). En las plantas el proceso de adsorción de metales puede estar influenciado por microorganismos que están íntimamente asociados con la raíz (comunidad rizosférica). Entre estos microorganismos, los hongos micorrícicos (HM) constituyen uno de los componentes más importantes de la rizósfera, ya que forman asociaciones mu–tualistas (micorrizas) con diversas especies de plantas. Los HM pueden ser clasificados en dos grupos de acuerdo con el tipo de colonización de la planta hospedara: hongos micorrícicos arbusculares (HMA), los cuales se caracterizan por colonizar intracelularmente el sistema radical de 80% de las especies vegetales, y los hongos ectomicorrícicos (HEM), que se caracterizan por colonizar la raíz extra–celularmente de 3% de las especies vegetales (Shilev et al., 2001; Harrison, 2005). En el caso de los HEM, los mecanismos que se pueden presentar son: (1) movilidad del metal en el apo–plasto, en donde es retenido por la red de Hartig evitando la entrada a la raíz; (2) reducción de la movilidad del metal en el apoplasto como resultado de la hidrofobicidad del hongo; (3) secreción de sustancias quelantes como ácidos orgánicos y otras sustancias producidas por el HEM; y (4) retención de los metales en el micelio externo del hongo (Jentschke y Godbold, 2000; Adriaensen et al., 2004).

En el caso de HMA los mecanismos son: (1) inmovilización extracelular de los metales por la ácidos orgánicos (AO); (2) reducción de la transferencia de iones del sistema radical al tallo, por precipitación intracelular del metal por PO^–4; y (3) adsorción de los iones metálicos en la pared celular de diferentes estructuras del hongo (hifa, esporas, micelio extra radical) y la retención del metal en la mico–rrizósfera por la producción de proteínas específicas (p. ej. glomalina) (Zhu et al., 2001; Tullio et al., 2003; Gonzá–lez–Chávez et al., 2004). No obstante, existen factores que pueden afectar la tolerancia a metales durante la asociación HM–planta. Entre estos factores encontramos a la especie de planta y de hongo empleado, el tipo de metal y su disponibilidad, las condiciones edáficas, las condiciones de cultivo de la planta y la densidad del sistema radical (Guo et al., 1996; del Val et al., 1999; Joner y Leyval, 2000). Esto se ha observado en plantas micorrizadas de Pinus sylvestris, en las que se genera una reducción de zn en su sistema radical al ser inoculados con Paxillus involutus; no obstante, al emplear Thelephora terrestris (otra especie de HEM) se genera un efecto contrario (Colpaert y Van Assche 1992). Además, en otras especies de HEM, Suillus bovinus y T. terrestris, se ha observado que ambos organismos protegen a su hospedador del Cu, pero varían en su capacidad de retención del metal (Van Tichelen et al., 2001).

Mecanismos internos de tolerancia

Exudados radicales. Diversos estudios han demostrado que los exudados radicales están formados principalmente por ácidos orgánicos de bajo peso molecular (AO), generados principalmente a partir del ciclo de ácido tricarboxílicos (Young et al., 1998). La importancia de los AO en la tolerancia a metales en el sistema radical se debe a que éstos pueden influir en la solubilidad de elementos esenciales y no esenciales de manera directa mediante la acidificación, la quelación, la precipitación y procesos de oxido–reducción en la rizósfera, y de forma indirecta a través de efectos en la actividad microbiana, en las propiedades físicas de la rizósfera y en la dinámica de crecimiento de la raíz (Marschner, 1995). La participación de los AO en la tolerancia a metales se observa principalmente en plantas expuestas al aluminio; así lo confirman los trabajos realizados por Zheng et al., (1998) quienes demostraron que al exponer plantas de Fagopyrum esculentum al Al y La observaron que la mayor producción de ácido oxálico estuvo asociada con la tolerancia al Al, al evitar su entrada a la célula. Resultados semejantes fueron indicados por Yang et al. (2005), quienes observaron un incremento del flujo de ácido oxálico al sistema radical de Spinacia olerácea L. cv. Quanneng en plantas tratadas con Al, pero no cuando fueron expuestas a una deficiencia de fósforo y un exceso de La.

En cuanto a la participación de los Ao en la tolerancia a otros metales, Salt et al. (2000) observaron una acumulación de citrato en los exudados radicales de plantas no hi–peracumuladoras, lo que contribuye a una menor absorción de Ni durante una exposición prolongada a este metal mediante la formación y la precipitación de complejos Ao–Ni en la rizósfera. No obstante, en plantas hiperacumuladoras de Cd (Thlaspi caerulescens) y Ni (Alyssum bertolonii) se ha observado que existe una respuesta contraria. Debido a la elevada presencia de ácidos cítrico, málico y oxálico en las raíces laterales, se estimula la formación de complejos de Ao–metal en la rizósfera, facilitando la absorción y la retención intracelular de los metales en el sistema radical, así como el transporte a vacuolas de los tejidos por medio de proteínas de membrana del tonoplasto (Ma et al., 2005; Callahan et al., 2006).

La producción de Ao en las plantas posiblemente se genera cuando el metal entra en contacto con el ápice de la raíz, activando el flujo de AO, lo cual permite su ingreso a la célula por diferentes rutas (Ryan y Dehlaize, 2001). Independientemente de los pasos que siga el metal, se produce una inducción del metabolismo de Ao y se lleva a cabo la protonización de los compuestos orgánicos, los cuales son enviados al citosol en donde forman complejos con los cationes no esenciales. Además, el pH citosólico se mantiene estable mediante la función coordinada de los transportadores de AO y los canales de K (Ryan y Dehlaize, 2001).

Componentes de la pared celular. La idea de que los componentes de la pared celular como la celulosa y la lignina pueden contribuir a la tolerancia a metales en las plantas fue propuesta alrededor de 1970 (Thurman, 1981). A partir de entonces se han realizado diversos estudios en los que se propone que el arreglo estructural de la celulosa y la lignina les permite formar enlaces covalentes a través de sus átomos de oxígeno con los metales, secuestrándolos en el apoplasto (Carrier et al., 2003). Este proceso fue reportado por Crist et al. (2002) y Marmiroli et al. (2005), quienes analizaron por espectroscopía de rayos x el proceso de acumulación de pb en raíz de Medicago sativa y Juglans regia, registrando la formación de enlaces del metal con complejos de lignina y celulosa, respectivamente. por otra parte, Ederli et al. (2004) y Wójcik y Tukiendorf, (2005) observaron que el secuestro de metales como Zn, Cu, y Cd en la pared celular de la raíz de Phragmites australi y Zea mays está relacionado con una mayor lignificación de las células radicales. Los autores atribuyen este efecto al incremento de la actividad de la peroxidasa que estimula la biosíntesis de la lignina en respuesta al estrés causado por estos metales.

No obstante estos resultados, la participación de la pared celular como un mecanismo de tolerancia a metales en las plantas es motivo de controversia. por ejemplo, Ernst et al. (1992) y Hall (2002) mencionan que aún cuando la pared celular está directamente en contacto con los metales presentes en el suelo, la absorción del metal por ésta puede ser limitada. sin embargo, esto no parece ser aplicable a las a algas, ya que para estos organismos diversos autores opinan que la retención de los metales por la pared celular parece ser uno de los mecanismos principales de tolerancia (Yun y Volesky, 2003; padilla et al., 2005). Esta diferencia se debe a que la pared celular de las algas está conformada por numerosas capas microfibrilares de celulosa y alginatos (polímero rico en grupos sulfatos que constituye entre 20 y 40% de la biomasa) en forma de geles, lo cual le confiere una alta capacidad de bioadsorción de metales (Lodeiro et al., 2005).

Quelación de los metales en el citosol por diversos ligan–dos

La quelación se puede definir como la capacidad de una molécula para formar un complejo con un metal y así formar un nuevo compuesto con propiedades químicas diferentes del original. La quelación es un proceso homeostático en el que participan dos tipos de moléculas: (1) moléculas transportadoras, encargadas de transferir iones específicos de metales a organelos particulares como las vacuolas, los cloroplastos y las mitocondrias que los requieran; y (2) los ligandos de alta afinidad como las fitoquelatinas, las metalotioneinas, los ácidos orgánicos, las proteínas de estrés térmico y los aminoácidos, los cuales contribuyen a la desintoxicación a la vez que mantienen estable la concentración de iones de metales en el citosol (Clemens, 2001; Hall, 2002).

La síntesis de las FQS en las plantas se realiza vía enzimática a partir de la γ–glutamilcisteina dipeptidil transpeptidasa, comúnmente denominada fitoquelatina sintetasa, la cual se expresa constitutivamente pero también puede ser regulada a nivel de transcripción y postranscripción (Heiss et al., 2003). La FQS tiene como sustrato al glutatión (GSH), cuya síntesis puede ser afectada por el estrés oxidativo y es producido por dos reacciones catalizadas por la γ–glutamilcis–tina sintetasa (EC 6.3.2.2) y la GSH sintetasa (EC 6.3.2.3) a partir de la glutamina (Glu), la cisteína (Cys) y la glicina (Gly) (Inouhe, 2005).

El mecanismo de acción de las FQS en las plantas consiste en la formación de complejos no tóxicos con iones de metales mediante la interacción con los grupos tioles de cisteína (Cys), formando un complejo FQ–metal de bajo peso molecular (CBPM), el cual posteriormente se une a iones sulfuro (S^2–) en el citosol, estabilizando al CBPM, y forma moléculas complejas de alto peso molecular (CAPM) (Hira–ta et al., 2005). Posteriormente, estas moléculas atraviesan el tonoplasto, posiblemente usando transportadores ABC; una vez dentro de la vacuola, los ácidos orgánicos presentes (malato, citrato, oxalato) retienen a los iones de los metales y disocian el complejo FQ–metal (Salt y Rauser,1995). Todavía no está claro qué le ocurre a las FQS una vez separada del metal; sin embargo, Gadapati y Macfie (2006) sugieren que posiblemente las FQS pueden ser degradadas en la vacuola o bien retornadas al citoplasma para formar nuevos complejos con los iones de los metales.

En organismos vegetales acuáticos y terrestres, existe evidencia que muestra que las FQS desempeñan una importante función en la desintoxicación de diferentes metales (Cobbett y Goldsbrough, 2000), debido a que las concentraciones elevadas de distintos iones pueden estimular su síntesis; las FQS secuestran a los metales (esenciales y no esenciales) y los distribuyen preferentemente a la vacuola de los distintos tejidos (Mishra et al., 2006; Perales–Vela et al., 2006). No obstante, su papel en la tolerancia no está claro y puede variar entre las especies de organismos vegetales y el tipo de metal, de acuerdo con los trabajos de Schat et al. (2002) y Ebbs et al.(2002), quienes encontraron que al inhibir la actividad de la enzima FQsintasa (clave para la síntesis de FQ) en plantas tolerantes a Co, Ni, Cu y zn, no se observaron variaciones en su capacidad de tolerancia, lo cual hace suponer la participación de otros mecanismos en el proceso de regulación homeostática. Por otra parte, Tsuji et al. (2002) han sugerido que las FQS no sólo desempeñan un papel importante en la destoxificación de metales, sino que además participan en la mitigación del estrés oxidativo. Por ejemplo, al experimentar con extractos celulares de Phaeo–dactylum tricornutum y Allium sativum, respectivamente, Morelli y Scarano (2004) y Zhang et al. (2005) observaron que la exposición a Cu estimuló la presencia de FQS libres de metales. Por esta razón, estos autores suponen que las FQS pueden estar en forma oxidada y por lo tanto participar en la disminución de especies reactivas de oxígeno.

Metalotioneinas. Las metalotioneinas (MTS) son proteínas de bajo peso molecular (4–8 kDa), generadas transcripcio–nalmente y con capacidad de ligar iones metálicos (por su alto contenido en residuos de cisteína, 30% del total de la proteína) para evitar así una intoxicación por metales. Su descubrimiento tiene alrededor de 40 años y se describieron por primera vez como un tipo de proteína quelatante del Cd en el hígado de caballo. Los genes que codifican para las MTS han sido detectados en animales (vertebrados e invertebrados), plantas y algunos procariontes (Cobbett y Goldsbrough, 2002). Las MTS se clasifican en dos clases, considerando las secuencias de aminoácidos que las conforman. La clase MT1 incluye únicamente a las MTs de mamíferos (Klassen et al., 1999), mientras que la clase MT2 incluye a las MTs de hongos, invertebrados y plantas (Robinson et al., 1993). Para comprender la regulación de las MTs se ha estudiado en algunas plantas la expresión de sus genes mediante el uso de técnicas de biología molecular (Guo et al., 2003).

Las MTs de clase II presentes en las plantas se agrupan en cuatro tipos (Mt1, Mt2, Mt3, Mt4) de acuerdo con el ordenamiento de los residuos de cisteína en la proteína, y fueron identificadas por primera vez en embriones maduros de trigo como una proteína 'quelatante' del zn (Cobbett y Goldsbrough, 2002). Desde el descubrimiento de las MTS en las plantas, su estudio se ha enfocado en evaluar la expresión de genes en diferentes etapas del desarrollo de las plantas terrestres, principalmente en angiospermas, grupo en el que se ha encontrado que la expresión de las MTS puede estar restringida en diferentes tejidos de las plantas. Por ejemplo, la presencia de Mt4 fue identificada en semillas de maíz como un posible mecanismo para proporcionar los micronutrientes requeridos durante la germinación (White y Rivin, 1995).

En el caso de la MT1, se observó una mayor inducción del ARN mensajero (ARNm) en raíces de Arabidopsis tha–liana (Zhou y Goldsbrough, 1995), mientras que la expresión del gen MT2 en la misma planta presentó una mayor inducción del ARNm en el tallo y en las hojas que en raíces (Guo et al., 2003). Para el caso del gen de la MT3, se observó que existió una sobreexpresión en las hojas de las plantas como Arabidopsis thaliana y en plantas como el guineo (plátano, banano), el kiwi y la manzana (Ledger y Gardner, 1994; Guo et al., 2003).

El mecanismo de acción de las MTs en la regulación ho–meostática y la tolerancia a los metales en las plantas no está completamente establecido. Sin embargo, se ha reconocido su participación en la tolerancia a metales en diferentes especies de plantas, como es el caso de Oryza sativa y Arabi–dopsis thaliana al ser tratadas con Cu, Cd y zn, especies en las que se observó una mayor expresión de ARNm de MT en las plantas tratadas con Cu (Hsieh et al, 1996).

No obstante, al exponer a Brassica júncea y Vicia faba a Cu y Zn, la expresión del gen de la Mt1 en el tallo de estas plantas fue inhibida con el tratamiento de cu (Foley et al., 1997; Schafer et al., 1997). Asimismo, se demostró que la expresión del gen Mt2 tuvo una asociación positiva con la supervivencia de plantas de Arabidopsis y Silene vulgaris expuestas a Cu (Murphy y Taiz, 1995; van Hoof Nalm et al., 2001). Además, se ha descrito la participación de los genes de las MTs en la senescencia de las hojas, proceso en el que se ha observado que los niveles de ARNm de Mt2 se incrementan en las hojas senescentes de arroz y Arabidopsis, lo cual ha sido relacionado con la protección de las células contra el estrés oxidativo (Hsieh et al., 1995; García–Hernández et al., 1998).

Histidina. La histidina (Hi) es un aminoácido libre que desempeña una función importante en la tolerancia a metales en plantas hiperacumuladoras, ya que puede secuestrar al metal mediante enlaces con sus grupos carboxilato, amino e imadazol (Krämer et al., 1996). La formación de complejos de Hi–metal ha sido observada en raíces de plantas hiperacumu–ladoras como Alyssum lesbiacum expuestas principalmente a Ni; en este caso, la Hi puede actuar quelando al metal, facilitando así el transporte del metal de la raíz al tallo vía xilema y su posterior acumulación en vacuola por los Ao (Kerkeb y Krämer, 2003). La regulación de la biosíntesis de la Hi en plantas hiperacumuladoras no está completamente comprendida, pero diversos autores han encontrado que las concentraciones de Hi en raíces de plantas hiperacumula–doras de Ni (e.g. Alyssum lesbiacum) son mayores que en las plantas no–hiperacumuladoras (e.g. Brassica juncea) (Kerkeb y Krämer, 2003). Resultados similares han sido indicados por persans et al. (2001) en las raíces de Thlas–pi goesingense (planta hiperacumuladora de Ni), las cuales muestran concentraciones de Hi hasta 17 veces mayores las de T. arvense (planta no–hiperacumuladora).

Prolina. La prolina es un aminoácido que en su forma libre participa en la destoxificación de metales en la planta (Me–hta y Gaur, 1999). Algunos autores han sugerido que puede actuar como osmoprotector o como inhibidor de la lipo–peroxidación, actuando en el secuestro de especies reactivas de oxígeno (Alia et al., 2001). Estudios recientes realizados por distintos grupos de investigación han confirmado que el aporte de la prolina a la tolerancia a metales en las plantas se lleva a cabo mediante su participación como agente antioxidante.

Por ejemplo, siripornadulsil et al. (2002) observaron que la prolina libre puede actuar como antioxidante en células de Chlamydomonas reinhardtii (microalga) tratadas con Cd, evitando que las especies reactivas de oxígeno reaccionaran con el glutatión; esto permite mantener estables los niveles de glutatión en el citoplasma, facilitando la síntesis de fi–toquelatinas, las cuales incrementaron la tolerancia de este organismos al metal. Esto fue confirmado por Yonamine et al. (2004) en cultivos celulares de Nicotiana tabacum, en donde al estimular la inducción temporal del gen NtHAL3a se generó una mayor biosíntesis de prolina libre, que disminuyó la presencia de especies reactivas de oxígeno, reflejándose en un incremento en la tolerancia de las células al Li.

Proteínas de estrés térmico. En las plantas, las proteínas de estrés térmico (HsPs) se localizan en diferentes compartimentos celulares y se clasifican en seis clases diferentes de acuerdo con su localización: en el citosol y el núcleo (clase 1, 2 y 3), en los cloroplastos, en la mitocondria o asociados con el retículo endoplasmático (Sun et al., 2002; Leone et al. , 2003). La función de las HsPs in vivo no ha sido comprendida por completo, pero se piensa que las HsPs del cito–sol pueden actuar protegiendo a las células del efecto tóxico o letal del calor, impidiendo la desnaturalización de la proteína durante el estrés y facilitando su reactivación posterior (Lee et al., 1997). No obstante, también se ha demostrado su función como chaperonas en experimentos in vivo e in vitro (Low et al., 2000; Scharf et al., 2001).

En cuanto a la participación de estas proteínas en la tolerancia a metales, Heckathorn et al. (2004) observaron que el efecto del Pb y el Ni en cloroplastos aislados de dos variedades de Agrostis stolonifera produjeron un mayor contenido de proteína HsP en cloroplastos de la variedad tolerante, generando una mayor protección del sistema foto–sintético. según el autor, estos resultados muestran una función específica de protección por las HSPs al estrés causado por metales en esta planta. Por otra parte, Gulli et al. (2005) encontraron que al exponer plantas de Hordeum vulgare y Zea mays a Cd se generaba una mayor inducción del gen Hvhsp17, localizado en el citoplasma, lo cual fue relacionado con la protección y reparación de proteínas durante la exposición al metal.

En cuanto a la síntesis de proteínas HsPs en plantas expuestas a metales, se ha propuesto que puede ser causado por el estrés oxidativo generado por los metales, debido a que existe una relación entre el calor y la presencia de especies reactivas (Larkindale y Knight, 2002; Gulen y Eris, 2003). Esto ha sido confirmado por Dat et al. (2000), quienes observaron que especies reactivas de oxígeno inducían termo–tolerancia en las plantas, pero es el trabajo de Valle–lian–Bindschedler et al. (1998) donde se confirma esta idea, al demostrar que la generación de especies reactivas de oxígeno en el organismo producen pulsos de calor que estimulan la producción de las proteínas HSPs en las células.

Almacenamiento de metales en vacuola. La vacuola ha sido descrita como un componente celular que ocupa cerca de 80% del volumen de la célula, aunque también puede haber vacuolas de menor tamaño, las cuales pueden distinguirse por el contenido de proteínas solubles y por su proteína de membrana (acuaporinas) (Martinoia et al., 2000). Las vacuolas sirven como reservorio de metabolitos y nutrientes, y participan en el proceso de regulación homeostática del citosol (Martinoia et al, 2000). La importancia de la vacuola en la tolerancia a metales ha sido demostrada en diversos trabajos (ver revisión de De, 2000). Por ejemplo, Davies et al. (1991) observaron que existe una correlación entre la tolerancia y una mayor vacuolización de las células del meristemo de la raíz en plantas de Festuca rubra al ser expuestas a Zn. Posteriormente, en estudios de absorción de metales usando Zn⁶⁵ en el tejido foliar de plantas de Hordeum vulgare, Brune et al. (1994) sugirieron que el almacenamiento rápido del Zn en la vacuola es un mecanismo importante para evitar el daño en el tejido por concentraciones altas del metal. También se ha demostrado que el tonoplasto es un factor clave en la tolerancia a metales, como lo confirman los trabajos de Verkleij et al. (1998), quienes al exponer al Zn, los tonoplastos aislados de plantas tolerantes y no tolerantes al metal observaron que el transporte a través del tonoplasto por proteínas de membrana a la vacuola fue 2.5 veces mayor en las plantas tolerantes, confirmando la importancia de la vacuola en la tolerancia a metales en las plantas.

Conclusiones

El incremento de residuos con elementos potencialmente tóxicos en el ambiente es un factor importante que ha ocasionado que las plantas desarrollen de una forma más rápida una amplia gama de mecanismos para poder crecer en ambientes con elevadas concentraciones de elementos esenciales y no esenciales. La prevalencia de un mecanismo u otro en la planta aún no está del todo comprendido. Por lo tanto, es necesario que en el futuro se lleven a cabo estudios que involucren la aplicación de herramientas moleculares y bioquímicas, así como de plantas modelo como Arabidopsis o Thlaspi caeroleus, con el fin de entender con mayor claridad el modo de acción de los mecanismos de tolerancia en el mantenimiento homeostático de la célula vegetal.

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