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Investigadores de la UNLP estudian el “balance redox” en las plantas, un delicado equilibrio ante el estrés

/Difusión UNLP/


Un equipo de científicos de la Universidad Nacional de La Plata y del CONICET busca establecer las funciones que cumplen los antioxidantes  y su relación con las especies reactivas del oxígeno y el nitrógeno ante condiciones de estrés que sufren las plantas. Carlos Bartoli, Andrea Galatro y Gustavo Gergoff lideran diferentes líneas de trabajo, pero con un único objetivo en común: el estudio del balance redox en las plantas ante situaciones de estrés por diferentes motivos como pueden ser altas irradiancias, salinidad, falta de nutrientes, entre otros.

El proyecto “Síntesis de antioxidantes en plantas: factores que afectan su contenido en hojas, frutos y semillas”, se lleva a cabo en el Instituto de Fisiología Vegetal (INFIVE), dependiente de la Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, la Facultad de Ciencias Naturales y Museo y el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). 

El Dr. Gustavo Gergoff, integrante del INFIVE explicó “El balance redox consiste en un equilibrio entre dos fuerzas, que lo podríamos imaginar como una balanza de dos platos. Por un lado tenemos a las especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno, que actúan oxidando a diferentes compuestos celulares; mientras que en el segundo plato encontramos a las enzimas antioxidantes y los antioxidantes no enzimáticos de bajo peso molecular que contrarrestan este efecto. Ante condiciones de estrés, los seres vivos presentan un aumento en las especies reactivas, pero en condiciones normales nos encontramos en una situación muy cercana al equilibro entre ambas fuerzas”, detalló  Gergoff. 

Los antioxidantes resultan fundamentales en la alimentación humana, jugando un papel importante combatiendo el estrés oxidativo a nivel celular. En algunas situaciones, una ingesta mayor puede tener incluso beneficios adicionales para la salud humana, sobre todo ante enfermedades degenerativas. Muchos de los antioxidantes producidos por las plantas son además vitaminas para el ser humano. En el caso del linaje de los homínidos, en los que incluimos a nuestra especie (Homo sapiens sapiens), se ha perdido la capacidad de síntesis de Vitamina C (o ácido ascórbico) por una mutación de uno de los genes que la sintetizan. Es por ello que la principal fuente de este antioxidante y vitamina lo constituyen las frutas y hortalizas, y de allí su importancia en la dieta humana. 

El científico de la UNLP describió: “como en toda película, tenemos a los villanos: las especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno. Estas especies reactivas son sustancias derivadas del oxígeno y del nitrógeno, que pueden ser moléculas muy reactivas o radicales libres (los radicales libres pueden ser átomos o grupos de átomos que tienen un electrón desapareado) que tienen la capacidad de oxidar a otras moléculas. El peróxido de hidrógeno, por ejemplo,  aumenta bajo condiciones de estrés en los seres vivos y su nivel debe ser controlado por el sistema de defensa antioxidante. Hasta hace unas décadas, las especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno se las asociaba con procesos de degradación y senescencia; sin embargo hoy, además de dicha función, se sabe que en bajas concentraciones son considerados moléculas señal. En el metabolismo de las plantas y los animales cumplen funciones de mensajeros químicos que pueden modificar diferentes compuestos celulares desde lípidos en las membranas, proteínas e inclusive hasta ADN”.

“En el caso del óxido nítrico, una de las especies reactivas del nitrógeno, se ha demostrado que presenta funciones importantes como vasodilatador en animales, lo que le valió el título de molécula del año en 1992 y el Premio Nobel a Robert Furchgott, Louis Ignarro y Ferid Murad en 1998. En plantas la información sobre el óxido nítrico es más fragmentada, pero se sabe que tiene funciones relevantes en el crecimiento y desarrollo, en el control de la maduración y postcosecha de frutos, y ante condiciones de estrés como la deficiencia de nutrientes o la presencia de metales pesados, entre muchos otros”. 

¿Cómo podemos manejar el balance redox en los vegetales?

La Dra. Andrea Galatro y su equipo del INFIVE determinaron la participación del óxido nítrico como molécula señal en respuestas de aclimatación y defensa de plantas de soja y maíz frente a la deficiencia de fósforo en el suelo. Numerosos estudios demostraron ya que esta molécula no es una villana cuando de resistencia al estrés abiótico se trata, y su existencia parece ser vital para activar los mecanismos de defensa pertinentes frente a distintos tipos de estrés. Se ha determinado y demostrado que la producción interna del óxido nítrico aumenta cuando se somete a las plantas de soja a crecer sin fósforo hasta una concentración no dañina que, por el contrario, permite la activación de mecanismos de supervivencia.

En cuanto al contenido de antioxidantes, se ha demostrado que ante una baja en la síntesis de Vitamina C se produce una fuerte caída en el cuajado de los frutos retrasando el proceso de maduración en plantas de tomate. A su vez, los frutos con bajo contenido de Vitamina C presentaron un aumento en su firmeza y el contenido de otro antioxidante como el glutatión, disminuyendo a su vez la presencia de oxidantes como el peróxido de hidrógeno. 

Por otro lado, el Doctor Carlos Bartoli y el Ingeniero Agrónomo Inti Ganganelli del INFIVE están trabajando en un problema de estrés abiótico de gran importancia para la región: la presencia de bicarbonato de sodio en las aguas de riego del Cinturón Hortícola de La Plata. El estrés por bicarbonato de sodio aumenta el estrés oxidativo en las plantas y a su vez disminuye el rendimiento de los cultivos. Es por ello que se están analizando los efectos fisiológicos y productivos de esta sal y cuáles son los impactos individuales de sus componentes,  por un lado el bicarbonato  y por el otro el del sodio. A su vez se están ensayando diferentes tecnologías paliativas ante esta adversidad abiótica, como es el reemplazo del agua de riego.

Para finalizar Gergoff agregó: “los antioxidantes constituyen un ladrillo fundamental en la dieta humana.  El contenido de antioxidantes en frutas y hortalizas se puede manejar con dos estrategias básicas: por un lado aumentando su contenido antes de la cosecha; o bien manteniendo estable por más tiempo su concentración en la poscosecha. En este sentido en nuestro laboratorio se ha determinado que pulsos de luz en el cultivo de tomate aumentan el contenido del antioxidante licopeno (esta molécula es la responsable del color del fruto) al momento de la cosecha. Ahora en espinacas, las aplicaciones de luz en poscosecha mantienen la calidad de esta hortícola de hoja por más tiempo, con una tecnología de bajo costo, garantizando la inocuidad para la ingesta humana.  Actualmente, en el marco de la tesis doctoral de Liliana Scelzo, bajo la dirección que compartimos con el Dr. Cristian Ortiz, se están ensayando diferentes tecnologías poscosecha, como las aplicaciones de óxido nítrico y atmósferas modificadas en semillas de pecán, ante la búsqueda de disminuir el daño oxidativo y mantener el contenido de tocoferoles, los cuales además de antioxidantes, constituyen otra vitamina para los humanos, la Vitamina E”.  

Las nuevas líneas que se desarrollarán a futuro estarán relacionadas, no sólo a ver las causas y los efectos de los procesos redox en las plantas, sino en tratar de entender los mecanismos fisiológicos que están detrás de ellos para manipularlos en vistas de disminuir el estrés y aumentar la calidad nutricional de los vegetales.

Investigadores

Dr. Carlos Guillermo Bartoli. Investigador Principal de CONICET. Director del INFIVE. Prof. Adj. De Fisiología Vegetal (FCNyM UNLP)

Dra. Andrea Galatro. Investigadora Adjunta de CONICET (INFIVE UNLP)

Dr. Gustavo Gergoff. Investigador Adjunto de CONICET (INFIVE CONICET). JTP en los cursos de Fisiología Vegetal y Fruticultura (FCAyF UNLP)

Dra. María Eugenia Senn. Investigadora Adjunta de CONICET (INFIVE CONICET)

Dra. Agustina Buet. Investigadora Asistente CONICET (CITAAC, UNCo)

Dr. Matías Alegre. Becario Postdoctoral de CONICET (INFIVE CONICET)

Lic. María Charlotte Steelheart Molina. Becaria Doctoral de CONICET (INFIVE CONICET)

Lic. Melisa Luquet. Becaria Doctoral de la ANCyT (INFIVE CONICET)

Ing. Agr. Inti Ganganelli. Becario doctoral de CONICET (INFIVE CONICET)

Ing. Agr. Liliana Scelzo. Ayudante del curso de Horticultura y Floricultura (FCAyF UNLP) (INFIVE CONICET)

Dr. Cristian Ortiz. Investigador Asistente de CONICET (LIPA UNLP). Prof. Adj. del curso de Agroindustrias (FCAyF UNLP)

Referencias

Simontacchi M, Galatro A, Ramos-Artuso F and Santa-María GE (2015) Plant Survival in a Changing Environment: The Role of Nitric Oxide in Plant Responses to Abiotic Stress. Front. Plant Sci. 6: 977. doi: 10.3389/fpls.2015.00977

Ramos Artuso, F., Galatro, A., Lima, A., Batthyány, C., Smiontacchi, M. (2019). Early events following phosphorus restriction involve changes in proteome and affects nitric oxide metabolism in soybean leaves. Environmental and Experimental Botany 161: 203-217. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2019.01.002

Gergoff Grozeff, G. Chaves, A.R, Bartoli, C.G. 2013. Low irradiance pulses improve postharvest quality in spinach leaves (Spinacia oleracea L. cv. Bison). Postharvest Biology and Technology 77: 35-42. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2012.10.012

Gustavo Esteban Gergoff Grozeff, María Eugenia Senn, Matías Leonel Alegre, Alicia Raquel Chaves, Carlos Guillermo Bartoli, 2016. Nocturnal low irradiance pulses improve fruit yield and lycopeneconcentration in tomato. Scientia Horticulturae 203: 47-52. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.03.001

Matías L. Alegre · Charlotte Steelheart · Pierre Baldet · Christophe Rothan · Daniel Just · Yoshihiro Okabe · Hiroshi Ezura · Nicholas Smirnoff · Gustavo E. Gergoff Grozeff · Carlos G. Bartoli, 2020. Deficiency of GDP‑l‑galactose phosphorylase, an enzyme required for ascorbic acid synthesis, reduces tomato fruit yield. Planta (2020) 251:54. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03345-x

Charlotte Steelheart · Matías L. Alegre  · Pierre Baldet · Christophe Rothan · Daniel Just · Cecile Bres · Yoshihiro Okabe · Hiroshi Ezura · Inti Ganganelli · Gustavo E. Gergoff Grozeff · Carlos G. Bartoli, 2020 The effect of low ascorbic acid content on tomato fruit ripening. Planta 252: 36. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03440-z

Agustina Buet · Charlotte Steelheart · Mauro A. Perini · Andrea Galatro · Marcela Simontacchi ·Gustavo Esteban Gergoff Grozeff, 2021. Nitric Oxide as a Key Gasotransmitter in Fruit Postharvest: An Overview. Journal of Plant Growth Regulation 40: 2286-2302. https://doi.org/10.1007/s00344-021-10428-w

Charlotte Steelhearta*, Matías L. Alegrea*, Pierre Baldetb, Christophe Rothanb, Cecile Bresb, Daniel Justb, Yoshihiro Okabec,d, Hiroshi Ezurac,d, Inti M. Ganganellia, Gustavo E. Gergoff Grozeffa and Carlos G. Bartoli(2022). High light stress induces H2O2 production and accelerates fruit ripening in tomato. Plant Science 322: 111348. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2022.111348

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