Efectos de la sequía sobre el estado hídrico, el intercambio gaseoso y fluorescencia en especies tropicales

Transcripción

1 Efectos de la sequía sobre el estado hídrico, el intercambio gaseoso y fluorescencia en especies tropicales WILMER TEZARA, ORANYS MARIN, ELIZABETH RENGIFO, SHAYBETH IRAZABAL, RITA COLOMBO Y ANA HERRERA Laboratorio de Ecofisiología de Xerófitas. Centro de Botánica Tropical Instituto de Biología Experimental, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela Apartado Caracas 1041A, Venezuela. @: wtezara@strix.ciens.ucv.ve Introducción El déficit hídrico es uno de los factores limitantes más fuertes que gobiernan en gran parte la distribución de las plantas terrestres. Muchas especies en ecosistemas venezolanos están sujetas a sequía durante una parte del año, y necesariamente presentan respuestas a este estrés que se pueden considerar como adaptaciones. En este laboratorio se estudian las respuestas de las especies a la sequía en condiciones naturales o semi-controladas. En todos los casos la sequía no sólo disminuyó la apertura estomática sino que afectó negativamente diversos componentes mesófilares de la fotosíntesis (la actividad de componentes bioquímicos y fotoquímicos). El déficit hídrico, entre otras respuestas, puede ocasionar disminución de la fotosíntesis y posteriormente la caída de hojas. Aquí presentamos resultados obtenidos de estudios sobre el efecto de la sequía natural o impuesta sobre plantas silvestres. Estrés hídrico por defecto: sequía El déficit hídrico altera el metabolismo de las plantas disminuyendo la tasa fotosintética (A) y el crecimiento. Existe una enorme polémica sobre los mecanismos mediante los cuales el déficit hídrico disminuye la A (3). Se han sugerido principalmente dos mecanismos de regulación: la restricción de la difusión de CO 2 en la hoja causada por el cierre estomático (1) y la inhibición del metabolismo de CO 2 (4). Limitación estomática y mesofilar de la fotosíntesis En este laboratorio se evalúan los cambios en algunas variables fisiológicas (intercambio gaseoso y estado hídrico), bioquímicas (componentes mesofilares: proteínas soluble totales, contenido de RUBISCO, contenido de clorofilas y RuBP), y la actividad fotoquímica del PSII (fluorescencia de la clorofila a) y su relación con A a medida que incrementa el déficit hídrico, en las los arbustos xerofíticos C3 Ipomoea carnea, Jatropha gossypifolia y Lycium nodosum en condiciones naturales y semicontroladas bajo concentración ambientales de CO 2. El estrés hídrico no sólo afecta la apertura estomática sino también la A a nivel mesofilar (4); las disminuciones en la A a valores constantes de concentración intercelular de CO 2 (C i ) indican un alto acoplamiento de los factores estomáticos y metabólicos que regulan la A (4). En I. carnea y J. gossypifolia, A estuvo afectada principalmente por la disminución de la conductancia estomática, g s, mientras que en L. nodosum se observó colimitación de la fotosíntesis por factores estomáticos y no

2 estomáticos, es decir, una regulación coordinada de los componentes estomáticos y metabólicos de la A (5). Se han estudiado las relaciones hídricas, el intercambio gaseoso y la fluorescencia de la clorofila a de I. carnea, J. gossypifolia (7) y L. nodosum (5) con el objeto de conocer el grado de regulación de la A por factores metabólicos (cantidad de Rubisco y actividad fotoquímica del fotosistema II, PSII), así como evaluar las limitaciones estomáticas (L s ) y no estomáticas (L m ) relativas de la A mediante el análisis de curvas A vs. C i y determinar si entre las limitaciones no estomáticas de la A se encuentran factores relacionados con el funcionamiento del PSII. La sequía causó una disminución de aproximadamente el 50% en la A a una concentración de CO 2 saturante (A sat ) y del 60% en la eficiencia de carboxilación (EC) en I. carnea, J. gossypifolia y L. nodosum (Tabla 1). El valor de L s aumentó de 35 a 43%, en I. carnea y L. nodosum, mientras que disminuyó en J. gossypifolia. Sin embargo, L m aumentó hasta en un 65% en las especies estudiadas (Tabla 1). Tabla I. Efecto del déficit hídrico en la tasa de A a Ci saturante (A sat ), eficiencia de carboxilación (EC), punto de compensación de CO 2 ( ), limitación estomática relativa (L s ) y limitación mesofilar (L m ) en plantas de I. carnea, J. gossypifolia y L. nodosum. Los valores son presentados como la media (n=4) Letras diferentes indican diferencias significativas al p<0.05. Especies Tratamiento A sat (µmol m -2 s -1 ) EC (mol m -2 s -1 ) (µmol mol -1 ) L s (%) L m (%) I. carnea Control 32.2 b b 45 a 35 a 0.0 a Sequía 11.4 a a 95 b 42 b 65 b J. gossypifolia Control 37.8 b b 58 a 35 b 0.0 a Sequía 18.4 a a 130 b 26 a 51 b L. nodosum Control 36.2 b b 38 a 34a 0.0 a Sequía 15.8 a a 100 b 43 b 56.3 b Se observó una reducción significativa en el rendimiento cuántico máximo del PSII (F v /F m ) en I. carnea y J. gossypifolia, indicando la posible existencia de fotoinhibición en estas xerófitas, mientras que permaneció constante en L. nodosum (ausencia de fotoinhibición) (Tabla II). La sequía causó una reducción del 50% en la tasa de transporte de electrones (J) en las especies estudiadas. El coeficiente de extinción fotoquímica (q P ) disminuyó con la sequía al igual que la eficiencia cuántica relativa del PSII ( PSII ), mientras que el coeficiente de extinción no fotoquímica (NPQ) incrementó (Tabla II).

3 Tabla II. Efecto del déficit hídrico sobre la eficiencia cuántica máxima del PSII (F v /F m ), tasa de transporte de electrones (J), eficiencia cuántica del PSII ( PSII ), coeficiente de extinción fotoquímico(q P ), no fotoquímico (NPQ) y el contenido de clorofilas totales en plantas de I. carnea, J. gossypifolia y L. nodosum. Valores son presentados como la media (n=3). Letras diferentes indican diferencias significativas a p<0.05. Las medidas fueron realizadas a una densidad de flujo fotónico de 1200 µmol m -2 s -1. Especies Tratamiento F v /F m J PSII q P NPQ Clorofilas (µg cm -2 ) I. carnea Control 0.82 b 168 b 0.31 b 0.52 a 1.3 a 19.2 b Sequía 0.78 a 98 a 0.22 a 0.51 a 5.3 b 11.2 a J. gossypifolia Control 0.81 b 203 b 0.41 b 0.65 b 1.3 a 20.9 b Sequía 0.71 a 115 a 0.28 a 0.46 a 6.7 b 11.4 a L. nodosum Control 0.82 a 196 b 0.31 b 0.87 b 1.4 a 30.8 a Sequía 0.81a 86 a 0.12 a 0.47 a 5.2 b 33.8 a No se observaron cambios en el contenido de Rubisco con la sequía (aprox. 2.0 g m -2 ), aún cuando la cantidad de proteína soluble incrementó. El contenido de clorofila total disminuyó en un 40% en I. carnea y J. gossyfifolia, mientras que permaneció constante en L. nodosum (5) Paralelamente a la disminución de un 90% en el potencial hídrico ( ), la A disminuyó a valores muy cercanos a cero. Se encontró una alta correlación entre la A y la g s en las tres especies, lo que sugiere que la g s está regulando la A en estas especies; resultados similares han sido reportados anteriormente (5). Sin embargo, la sequía causó una drástica disminución de EC y de la A a una concentración de CO 2 saturante, indicando que la cantidad y/o actividad de RUBISCO pudo verse afectada por la sequía. En las especies estudiadas se observó un fuerte incremento en L m, sugiriendo que los factores metabólicos tienen un peso muy importante en la regulación de A en las xerófitas estudiadas. Las reducciones observadas en EC, PSII, J y q P podrían explicar parcialmente el incremento en L m durante la sequía. Las disminuciones en J pueden contribuir al incremento en L m a través de una disminución en los contenidos de ATP y/o RuBP (4) ya que en las curvas A vs. Ci, el valor de A sat es igual a la máxima tasa de regeneración de RuBP y a la máxima J (2). Un incremento en L m en condiciones de estrés podría ser causado por la disminución de la cantidad y/o actividad de algunas enzimas del ciclo de Calvin (por ejemplo, una disminución en la cantidad de RUBISCO podría explicar una reducción de la EC). Se concluye que, si bien ocurre una disminución de la g s, la regulación metabólica de la fotosíntesis tiene un peso importante; y que la regulación descendente de factores metabólicos tales como la capacidad de funcionamiento del PSII (reducción de PSII y J) modula la A en condiciones de estrés. Estudio ecofisiologico de dos especies del género Calotropis El género Calotropis, originario de África y Asia, es considerado una maleza invasora de zonas áridas. En Venezuela este género está representado por dos especies arbustivas (C. procera y C. gigantea) que se establecen en hábitats xerofíticos y son muy resistentes a la sequía. Con la finalidad de comparar la ecofisiología de estas dos especies del género Calotropis. Se determinó el estado hídrico, el intercambio gaseoso y la fluorescencia de clorofila a de plantas en condiciones naturales durante la época de lluvia. Se midió Ψ, el contenido de agua foliar (CAF), A, C i, g s, J, Φ PSII y F v /F m y las respuestas de la A a cambios en la densidad de flujo fotónico, C i y temperatura. No se

4 observaron diferencias significativas en Ψ y CAF entre ambas especies (Tabla III).Los valores de A y g s fueron mayores en C. procera que en C. gigantea. Tabla III. Valores de potencial hídrico, contenido de agua foliar, tasa de fotosíntesis instantánea, concentración intercelular de CO 2,y conductancia estomática en dos especies del género Calotropis. Los valores son presentados como la media (n=8) Letras diferentes indican diferencias significativas al p<0.05. Especies CAF (%) A ( mol m -2 s -1 ) C i ( mol mol -1 ) g s (mol m -2 s -1 ) MPa) C. procera -0.8 a 86.3 a 18.9 a a 300 a C. gigantea -1.1 a 85.9 a 9.8 b a 100 b En C. gigantea la A sat fue cerca de un 38 % mayor que en C. procera; sin embargo la EC fue 50% menor en C. gigantea que en C. procera. No se observaron diferencias significativas (p<0.05 ) en Γ (55 mol m -2 s -1 ) y en L s (31 %) (Fig. 1) A ( mol m -2 s -1 ) C i ( mol mol -1 ) Fig. 1. Tasa de fotosíntesis en respuesta a cambios en la concentración intercelular de CO 2 (C i ) en hojas de plantas de C. procera ( ) y C. gigantea ( ) en condiciones naturales: temperatura 31 ± 1.5 C. DFF de 1200 ± 0.1 mol m -2 s -1 y W h-a = 10 mbares. Cada valor es la media ± ES (n=4). La temperatura óptima de la fotosíntesis en C. procera estuvo comprendida entre 25 y 40 ºC, mientras que la de C. gigantea fue de ºC. Los valores del rendimiento cuántico aparente (Φ CO2 ) y la A en C. procera fueron mayores que en C. gigantea, al igual que los valores de J y PSII. El F v /F m no mostró diferencias significativas entre las especies. Los resultados sugieren que la capacidad fotosintética de C. procera es mayor que la de C. gigantea. Tabla IV. Valores de transporte de electrones, eficiencia cuántica del fotosistemas II y la eficiencia cuántica máxima en dos especies del género Calotropis. Los valores son presentados como la media (n=8) Letras diferentes indican diferencias significativas al p<0.05 Especies J ( mol m -2 s -1 ) PSII F v /F m C. procera 79.5 a b 0.83 a

5 C. gigantea 65.8 b a 0.84 a Análisis de crecimiento y balance de carbono en la especie CAM-inducible talinum triangulare. Para evaluar los cambios en la distribución de asimilados en Talinum triangulare, se midió el crecimiento e intercambio gaseoso de plantas que crecen en condiciones de invernadero. Se sembraron 60 plantas y se sometieron a condiciones hídricas diferentes para evaluar el efecto del cambio del metabolismo fotosintético de C3 a CAM sobre el crecimiento. Los tratamientos fueron: plantas control (C), estrés suave (ES) y estrés fuerte (EF). A los141 días de tratamiento el potencial hídrico fue (C), (ES) y (EF) MPa. La fotosíntesis instantánea máxima (A inst ) disminuyó 29% en ES y 37% en EF. La tasa relativa de crecimiento (TRC) disminuyó 26% en ES y 32% en EF con relación a C. La tasa de asimilación neta (TAN) fue 30% mayor en C con respecto a EF. La relación raíz/vástago (R/V) fue 8 veces mayor en EF con respecto a C. El aumento de la relación R/V sugiere que hay una mayor distribución de asimilados hacia las raíces. Se encontró una correlación positiva entre balance de carbono diurno (BCD) y TRC (r 2 =0.42; Fig 2A) y la TRC y Tasa de asimilación neta, TAN (r 2 = 0.81; Fig. 2B) A TRC (g g -1 d -1 ) BCD (mmol CO 2 m 2 h -1 ) B TAN (g cm -2 d -1 ) TRC (g g -1 d -1 ) Fig. 2. (A) correlación lineal entre la tasa de crecimiento relativa y el balance de carbono diurno. (B) correlación entre la tasa de asimilación neta y la tasa de crecimiento relativa en plantas de Talimum traingulare, Control ( ),sometidas a estrés suave ( ) y estrés severo ( )

6 La fuerte disminución de A inst en EF aparentemente no se traduce en una reducción similar en TRC, lo cual podría sugerir que el incremento en la actividad CAM en T. triangulare contribuye con el mantenimiento en la TRC en EF. Conclusiones Al estudiar los mecanismos de regulación de la fotosíntesis en diferentes especies de xerófitas, se encontró que si bien ocurre una disminución de la conductancia estomática, la regulación metabólica de la fotosíntesis tiene un peso importante; factores metabólicos, tales como capacidad de funcionamiento del PSII, regulan la fotosíntesis en condiciones de estrés. Reducciones en PSII, y J sugieren que posiblemente la actividad fotoquímica del PSII esta regulada en forma descendente. Los resultados obtenidos en L. nodosum sugieren que la fotosíntesis está colimitada por componentes estomáticos y mesofilares de manera que ambos mecanismos parecen operar coordinadamente para mantener el C i, optimizando la eficiencia de uso de agua. Se observaron diferencias en la capacidad fotosintética de dos especies del género Calotropis indicando posibles diferencias ínter específicas en este género. La sequía afecta significativamente la distribución de biomasa y el crecimiento en plantas de T. triangulare, obteniéndose correlaciones significativas entre el balance de carbono diario y algunas variables de crecimientos. Agradecimentos CDCH CONICIT S CDCH IFS Nº C/3138 Referencias 1. Cornic, G. (2002) Trends Plant Sci.. 5: Farquhar, G.D. y Sharkey, T.D. (1982) Annu. Rev. Plant Physiol. 33: Lawlor, D.W. (2002) Ann. Bot. 89: Tezara, W., Mitchell, V., Driscoll, S. y Lawlor, D. (1999) Nature 401: Tezara, W., Martínez, D. y Herrera, A. (2003) Ann. Bot. 92, Tezara, W., Marín, O., Rengifo, E., Martínez, D. y Herrera, A. (2005) Photosynthetica 43 (1):37-45