RELACIONES HIDRICAS Introducción a la Botánica 2016 FISIOLOGIA VEGETAL FCEN BBE UBA 1

Transcripción

1 RELACIONES HIDRICAS Introducción a la Botánica

2 Por qué estudiar fisiología de las plantas el oxígeno que respiramos el alimento que consumimos el combustible que utilizamos Rafflesia arnoldii El organismo más alto (>100m) La flor más grande (~ 1m) Rembrandt van Rijn (1631) El papel, la ropa, La madera El ser viviente más viejo (~ 5000 años) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs Sequoiadendron giganteum 2

3 12 Principios Básicos de la Fisiología de las Plantas Las plantas realizan los mismos procesos biologicos y bioquímicos que animales y microorganismos pero son únicas por utilizar la energía solar junto con otros elementos para crecer y desarrollarse. Este proceso de fotosíntesis es una de las fuentes de provisión de energía y alimento en nuestro planeta. Las plantas requieren de elementos inorgánicos para crecer y juegan un papel importante en el proceso de recirculación de estos elementos en la biosfera. Las plantas terrestres evolucionaron de ancestros acuáticos/marinos y en este proceso han tenido un papel importante en la evolución de la vida incluyendo la adición de oxígeno a la atmósfera. Las plantas pueden reproducirse de varias formas, incluyendo en forma sexual (plantas con flor) dando como resultado semillas. La reproducción puede ocurrir en forma de propagación asexual. Al igual que animales y microorganismos las plantas respiran y utilizan esta fuente de energía para crecer y reproducirse. Las paredes celulares proveen una estructura de soporte a las plantas y muchas fibras y derivados le sirven al hombre, a los insectos, aves y otros organismos. 3

4 12 Principios Básicos de la Fisiología de las Plantas Las plantas presentan una altisima biodiversidad en tamaño, forma, etc. pudiendo restringirse a un organismo celular a árboles gigantes. Las plantas pueden ser fuente primaria de fibras, medicamentos y un innumerable conjunto de productos de uso diario. Al igual que los animales, las plantas pueden lastimarse y morir como producto de infecciones, enfermedades causadas por microorganismos. Las plantas desarrollan formas únicas de defensa contra plagas y enfermedades. El agua es el componente mayoritorio presente en células y órganos vegetales. Es esencial para la estructura, el desarrollo, crecimiento, además de garantizar la circulación y distribución interna de sales y compuestos orgánicos. El crecimiento y desarrollo vegetal se encuentran hormonalmente controlados y pueden ser afectados por señales externas (del medio ambiente) como luz, gravedad, y otras fuentes de estrés. Las plantas pueden vivir es una gran variedad de ambientes y proveen asi mismo habitats para aves, insectos y otras formas de vida como parte de ecosistemas. Fuente: American Society of Plant Biology - 12 Principles 4

5 El agua y sus propiedades PROPIEDAD BENEFICIO Alta polaridad Las moléculas de agua permiten solubilizar compuestos polares Muchas moléculas pueden difundir y se facilitan las reacciones químicas Alto calor especifico Los puentes de hidrógeno absorben calor al romperse y liberan calor cuando se forman, minimizando los cambios de temperatura del agua El agua permite estabilizar la temperatura corporal así como la del ambiente. Alto calor de vaporización Es necesario romper una gran cantidad de puentes de hidrógeno para que se produzca evaporación La evaporación de agua enfría la superficie del cuerpo Baja densidad del hielo En un cristal de hielo las moléculas de agua están más espaciadas por la presencia de puentes de hidrógeno Dado que el hielo es menos denso flota y permite en los cambios estacionales mejor recirculación de agua. Cohesión Los puentes de hidrógeno unen a las moléculas de agua Ascenso de agua (capilaridad), imbibición, germinación, etc. 5

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7 El agua y las plantas Cuál es el contenido de agua de las plantas? Cuánta agua utilizan y movilizan? Cómo se transporta el agua en las plantas? 7

8 Cuál es el contenido de agua de las plantas? 8

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10 Cuánta agua utilizan las plantas? Ejemplo: un árbol de 15 m de altura puede tener un promedio de hojas. La superficie foliar total puede calcularse en 675 metros cuadrados. Durante un día caluroso la pérdida de agua por evaporación en este árbol puede alcanzar 220 litros por hora!! Para evitar deshidratarse deberá absorber por las raíces una cantidad equivalente de agua. 10

11 Cómo se transporta el agua en las plantas? 11

12 Cómo se transporta el agua en las plantas? 12

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14 Transporte de sustancias CUALES SON LAS FUERZAS IMPULSORAS? POTENCIAL QUIMICO pasivo ESTADO INICIAL A ESTADO FINAL B TRANSICION ESPONTANEA DE LA ESPECIE J EQUILIBRIO COMPONENTE µ j * R T ln a j V P Descripción Constante / se cancela con Concentración / actividad Presión µ j NO OCURREN CAMBIOS A MENOS QUE SE SUMINISTRE E activo z j F E m j g h Eléctrico Gravitacional µ j = µ j * + R T ln a j + VP + z j FE + m j g h µ j FUERZ A IMPULSORA Solutos neutros (sin carga eléctrica) = GRADIENTE QUIMICO Solutos cargados = GRADIENTE ELECTROQUIMICO 14

15 DIFUSION Proceso espontáneo La concentración / la agitación térmica En plantas, intercambio gaseoso y movimiento de solutos El tiempo para difundir una distancia dada se incrementa con el cuadrado de la distancia La difusión es mucho más efectiva para distancias cortas Primera Ley de Fick (1855, Adolph Fick) D j Coeficiente de difusión de la especie j 15

16 VASOS Y CONDUCTOS: cuando hay Presion 16

17 MEMBRANAS, OSMOSIS Y PRESION OSMOTICA 17

18 MEMBRANAS, OSMOSIS Y PRESION OSMOTICA 1MPa = 10bar=9.87 atm 1 atm = 760 mm Hg = MPa π = c i RT Relación de van t Hoff Ref Nobel P (2009) Plant Physiology 18

19 π = m i RT Relación de van t Hoff Potencial osmótico de una solución π = - π R, constante de los gases kg.mpa.mol -1.K -1 π = - m.i.r.t T, temperatura ( 0 K ) Ej: glucosa i=0 NaCl i=2 - CaCl 2 i=3 Cuál es el Ψ π de una solución 0.5M de sacarosa a 23 C? 19

20 Cuantificar el contenido de agua de una planta Evaluar la capacidad (energía disponible) para transportar agua POTENCIAL HIDRICO Ψ= Ψ π +Ψ P + Ψ g Ψ P Ψ π Ψ g Potencial hidrostático o de presión Potencial osmótico Potencial gravitacional Ψagua pura= 0 MPa 20

21 En el exterior = agua destilada En el interior = solución de glucosa El sistema está en equilibrio? Hacia donde se mueve el agua? Ψint Ψext Ψext= Ψ π +Ψ P + Ψ g Ψint= Ψ π +Ψ P + Ψ g Ψ=? 21

22 Ψ 0 22

23 POTENCIAL HIDRICO 23

24 Relación entre el ψ, el potencial de presión y el osmótico en una célula vegetal 24

25 Tension a nivel de la pared celular La presencia de plasmodesmos y transportadores específicos para el agua y solutos también afectan al transporte de agua y a la presión de turgencia que se genera en la célula vegetal Tension a nivel del tejido 25

26 Tener o no tener pared celular: esa es la cuestión! 26

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29 Cuantificar el contenido de agua de una planta Evaluar la capacidad (energía disponible) para transportar agua Ψhoja Ψatm POTENCIAL HIDRICO Ψ P Ψ π Ψ g Potencial hidrostático o de presión Potencial osmótico Potencial gravitacional Ψraiz Ψ= Ψ π +Ψ P + Ψ g Ψsuelo Ψ= fuerza impulsora 29

30 Potencial hídrico bajo en el interior celular Ψ = Ψ p +Ψ s = -1.1 MPa Potencial hídrico alto en el exterior Ψ = Ψ s = 0 MPa 30

31 RAIZ PARTICULA SOLIDA AGUA AIRE 31

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33 ABSORCION DE AGUA EN LA RAÍZ DISTINTAS ESPECIES, IGUAL DISPONIBILIDAD DE AGUA LA MISMA ESPECIE, DIFERENTE DISPONIBILIDAD DE AGUA 33

34 TRANSPIRACTION DE AGUA EN LA PARTE AEREA PERDIDA DE AGUA EN FORMA DE VAPOR CUTICULA 5-10% VS 90-95% ESTOMAS TRANSPIRACION EVAPORACION QUE GARANTIZA LA APERTURA ESTOMÁTICA INGRESO DE CO 2 PERDIDA DE AGUA EN FORMA DE VAPOR CREA LA CORRIENTE TRANSPIRATORIA / FAVORECE LA REGULACION TERMICA CO 2 atm 0.03% limita la fotosíntesis 34

35 COMO FUCIONAN LOS ESTOMAS CAMBIO REVERSIBLE DE VOLUMEN PAREDES DIFERENCIALMENTE ENGROSADAS, CON MISCELACIÓN RADIAL APERTURA DEL PORO ENTRA AGUA Y AUMENTA LA TURGENCIA, LAS CELULAS ESTOMÁTICAS SE ARQUEAN Y SE ABRE EL PORO AISLAMIENTO SIMPLÁSTICO ÚNICAS CÉLULAS EPIDÉRMICAS CON CLOROPLASTOS COMPLEJO MECANISMO DE SEÑALIZACIÓN (IONES - SOLUTOS- AGUA PARA ABRIR Y CERRAR EL PORO) 35

36 PAREDES DIFERENCIALMENTE ENGROSADAS, CON MISCELACIÓN RADIAL 36

37 Cómo acoplar eficientemente el intercambio gaseoso 37

38 PATRONES DIURNOS DE APERTURA ESTOMÁTICA Salisbury & Ross (2000) 38

39 INTEGRANDO LA INFORMACION COMO VARIAN LOS VALORES DE POTENCIAL HIDRICO EN EL SUELO ( S ), LA RAIZ ( R ) Y LA HOJA ( L ) EN UNA SITUACION DE FALTA DE RIEGO? 39

40 El ascenso del agua en planta (Teoria CTT) Cohesion / adhesion: columna de agua como una red continua Xilema (vasos/traqueidas): anatómicamente la continuidad hidraulica necesaria La fuerza impulsora del movimiento de agua en el sistema es resultado de la tensión generada en las superficies donde se produce evaporación (paredes celulares de células de la hoja) la evaporación establece un gradiente de presion o tensión (continuo suelo-planta atmósfera) 40