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El calcio y la regulación del estrés de las plantas

El calcio y la regulación del estrés de las plantas
  • El calcio (Ca2+) cumple múltiples funciones en el desarrollo de tolerancia al estrés en las plantas

Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica

 

El calcio (Ca2+) es un ion sorprendentemente multifacético; es un macronutriente esencial y puede representar hasta el 5% del peso seco de la planta. Desempeña un papel importante como componente estructural de las paredes y membranas de las células vegetales, así como en los procesos bioquímicos de crecimiento. Está involucrado de manera crítica en una red muy bien elaborada de vías de señalización, y como mensajero intracelular en diversos mecanismos desencadenados por estreses bióticos y abióticos.

Los diferentes componentes de señalización de Ca2+ se localizan en distintas estructuras y compartimientos celulares como la membrana plasmática, el citoplasma, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi y las vacuolas.

La regulación estricta de los niveles de Ca2+ es importante para prevenir la citotoxicidad ya que elevados niveles pueden causar la precipitación de biomoléculas que llevan carga negativa, así como interferir con el metabolismo del ATP.

 

Avances en los mecanismos de regulación del estrés de las plantas

Los avances en las tecnologías “ómicas” han permitido conocimientos nuevos e integradores sobre las respuestas al estrés de las plantas y sus mecanismos de regulación. La disponibilidad de secuencias genómicas de diferentes especies ha hecho posible los estudios y análisis comparativos de identificación de todo el genoma lo que ha permitido entender una gran cantidad de funciones del Ca2+ tanto en el desarrollo, así como en diversas condiciones de estrés.

La primera fase de la señalización de Ca2+ comienza con proteínas sensores a saber, calmodulinas y quinasas*. La unión del Ca2+ a éstas, se correlaciona con respuestas como el transporte iónico, expresión génica, metabolismo, y modificaciones postraduccionales de determinadas proteínas.

Los niveles de Ca2+ intracelulares se mantienen mediante canales proteicos que regulan los procesos de eflujo y aflujo. Se han identificado los componentes de varias familias con dominios transmembranosos, que son inducidos o reprimidos de acuerdo con las condiciones externas y/o fisiológicas de la planta.

 

Los estímulos externos aumentan los niveles de calcio intracelular

Las respuestas de las plantas al estrés están impulsadas por una amplia gama de reordenamientos celulares. La exposición a estímulos externos provoca un aumento en los niveles de Ca2+ intracelular que actúa como desencadenante de vías de señalización específicas.

Los sensores o proteínas de unión a Ca2+ activan quinasas que son responsables de regular varios genes que responden al estrés, lo que en última instancia resulta en las respuestas de las plantas al estrés biótico y abiótico.

Por ejemplo, el estrés biótico es causado por plagas herbívoras o patógenos (virus, hongos y bacterias). Las plantas desarrollan una inmunidad innata para luchar contra estas invasiones, y varios estudios demuestran la participación de los canales y transportadores de Ca2+ en las respuestas bajo este tipo de estrés induciendo una regulación positiva de muchos genes.

 

Mecanismos de defensa para combatir el estrés térmico

Las plantas enfrentan el estrés por cambios de temperatura más rápidamente en comparación con otros tipos de estrés como la sequía o la salinidad. Al igual que otros organismos, han desarrollado mecanismos de defensa para combatir el estrés térmico. Genes como CNGCb codifican elementos vitales del sistema termosensorial en las plantas terrestres llevando a altos niveles de proteínas de respuesta al calor, como proteínas de choque térmico y ascorbato peroxidasas. El influjo de Ca²⁺ inducido por el calor, facilita la expresión de genes que codifican proteínas de choque térmico y el consiguiente desarrollo de termotolerancia.

 

El papel del calcio frente a estreses por sequía y salinidad

El transporte de Ca2+ es también importante para la señalización de los estreses por sequía y salino. En estas condiciones, las plantas producen la fitohormona ácido abscísico y especies reactivas de oxígeno (ROS) lo que evoca diferentes vías de señalización. Los canales de Ca2+ pueden actuar como válvulas de seguridad osmóticas regulando la homeostasis y modulando la expresión génica.

 

Otros roles del calcio en las estrategias adaptativas de las plantas

Las actividades antropogénicas como la agricultura moderna, la industrialización y la minería tienen efectos nocivos sobre el medio ambiente. Estas actividades contaminan con metales pesados el suelo, el agua y el aire, poniendo en peligro la mayoría de las formas de vida. Cadmio, Cobalto, Níquel, Plomo, Cromo etc., tienen efectos tóxicos sobre las células y alteran los procesos fisiológicos. Las plantas han desarrollado tolerancia y estrategias adaptativas para combatir estas condiciones desfavorables; una de esas adaptaciones es mediante componentes de señalización de Ca2+.

El conocimiento de la capacidad de diferentes componentes de inducir la tolerancia al estrés en las plantas, es una oportunidad muy valiosa. Los enfoques “ómicos” han sido particularmente útiles para identificar transportadores de Ca2+ en estas respuestas, lo que permite diseñar estrategias específicas en circunstancias relacionadas a las limitaciones climáticas y geográficas. Este requisito se suma a la necesidad por excelencia de mejorar el rendimiento y la calidad agrícola.

calcio stress

Resumen gráfico. De acuerdo con Ghosh et al, 2022.

*Es un tipo de enzima que transfiere grupos fosfato de moléculas donantes de alta energía (como el ATP) a moléculas proteicas objetivo específicas (sustratos). La molécula diana puede activarse o inactivarse mediante fosforilación.

 

Fuente
Ghosh, S.; Bheri, M.; Bisht, D.; Pandey, G. K. (2022).
Calcium signaling and transport machinery: Potential for development of stress tolerance in plant
Current Plant Biology, 29: 100235.

Imagen principal, 
https://revistaplaneta.com.br/plantas-gritam-quando-submetidas-a-estresse/ Acceso el 20/12/2023.

 

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