Estudio de la homeostasis de Zn y Cd en plantas superiores

203 Pag.El estudio de la homeostasis de nutrientes en plantas trata de entender los procesos de adquisición, transporte y distribución de los nutrientes esenciales, y los mecanismos que se utilizan para mantener la concentración necesaria de esos nutrientes en el organismo para un correcto funcionamiento, evitando una acumulación excesiva que lo dañe. El Zn es un elemento esencial tanto para las plantas como para animales, sin embargo en exceso provoca alteraciones en procesos esenciales para el desarrollo del organismo. El Cd es un metal pesado sin ninguna función biológica y, por tanto, tóxico incluso a bajas concentraciones pero, al tener unas características fisico-químicas parecidas a otros metales esenciales, la planta lo absorbe por los mismos canales llegando a interferir con la entrada, transporte y utilización de varios macro y microelementos. De hecho, la similitud entre el Zn y el Cd hace que los síntomas de toxicidad observados en las plantas sean comunes; se reduce la biomasa en general, se detiene la elongación de las raíces principales y se oscurecen, se desarrollan raíces o pelos secundarios, se observa clorosis en las hojas jóvenes y pueden llegar a necrosar en casos extremos. Internamente, como respuesta a la exposición a metales pesados, la relación clorofila/carotenoides disminuye, se reduce la apertura estomática, la fotosíntesis y la transpiración, y aumenta la concentración de nicotianamina y glutatión (GSH). La toxicidad por metales pesados se debe en parte al estrés oxidativo producido por las especies reactivas de oxígeno (ROS), generadas a través de diferentes mecanismos dependiendo del metal de que se trate. El Zn2+ y el Cd2+ no experimentan cambios redox pero pueden actuar como pro-oxidantes a través de la reducción del contenido de GSH, necesario para la síntesis de fitoquelatinas, disminuyendo así su disponibilidad para la defensa antioxidante. Así se produce también peroxidación lipídica y daños en las proteínas por formación de grupos carbonilo. Las plantas son la base de la cadena alimentaria y de ahí la importancia de conocer cuáles son los mecanismos de toxicidad del metal en la planta, así como los mecanismos de defensa de la misma. La contaminación ambiental por Zn y Cd ha aumentado como consecuencia del incremento de la actividad industrial del último siglo. Así, los altos niveles de estos metales encontrados en suelos, aguas de riego y fertilizantes agrícolas suponen un peligro por su carácter no biodegradable, la toxicidad que ejercen sobre los diferentes cultivos y su biodisponibilidad. La sensibilidad de los cultivos a la presencia de los metales pesados es muy variable, así como la tendencia a acumular los mismos en partes que luego pasen al consumo animal o humano. A pesar de los avances realizados durante las últimas décadas en este tema, casi toda la información que tenemos proviene de estudios realizados en plantas hiperacumuladoras, y aún es muy poco lo que se conoce de la fisiología de especies de interés agronómico sometidas a estrés por metales pesados. Objetivos de la investigación El trabajo de investigación desarrollado en esta tesis se ha basado en el estudio de dos especies de interés comercial: el tomate y la remolacha. Las plantas han sido crecidas en cámaras de cultivo en medio hidropónico y exceso de Zn o Cd, añadidos de forma inorgánica a la solución de crecimiento. El objetivo general consistió en el estudio, descriptivo y detallado, de los cambios fisiológicos inducidos por las toxicidades de Zn y Cd, con el fin de determinar las causas de los mismos así como los mecanismos de transporte y tolerancia de especies de interés agronómico.Peer reviewe

Effects of Zn and Cd toxicity on metal concentrations in the xylem sap of Beta vulgaris and Lycopersicon esculentum

1 .pdf (1 Tabl.) copia del Póster original presentado por los autores en la Reunión.The aim was to study xylem sap Fe, Zn and Cd concentrations changes in sugar beet and tomato plants grown under different Zn and Cd toxicity levels.Peer reviewe

Estudio de la homeostasis de Zn y Cd en plantas superiores

El estudio de la homeostasis de nutrientes en plantas trata de entender los procesos de adquisición, transporte y distribución de los nutrientes esenciales, y los mecanismos que se utilizan para mantener la concentración necesaria de esos nutrientes en el organismo para un correcto funcionamiento, evitando una acumulación excesiva que lo dañe. El Zn es un elemento esencial tanto para las plantas como para animales, sin embargo en exceso provoca alteraciones en procesos esenciales para el desarrollo del organismo. El Cd es un metal pesado sin ninguna función biológica y, por tanto, tóxico incluso a bajas concentraciones pero, al tener unas características fisico-químicas parecidas a otros metales esenciales, la planta lo absorbe por los mismos canales llegando a interferir con la entrada, transporte y utilización de varios macro y microelementos. De hecho, la similitud entre el Zn y el Cd hace que los síntomas de toxicidad observados en las plantas sean comunes; se reduce la biomasa en general, se detiene la elongación de las raíces principales y se oscurecen, se desarrollan raíces o pelos secundarios, se observa clorosis en las hojás jóvenes y pueden llegar a necrosar en casos extremos. Internamente, como respuesta a la exposición a metales pesados, la relación clorofila/carotenoides disminuye, se reduce la apertura estomática, la fotosíntesis y la transpiración, y aumenta la concentración de nicotianamina y glutatión (GSH). La toxicidad por metales pesados se debe en parte al estrés oxidativo producido por las especies reactivas de oxígeno (ROS), generadas a través de diferentes mecanismos dependiendo del metal de que se trate. El Zn2+ y el Cd2+ no experimentan cambios redox pero pueden actuar como prooxidantes a través de la reducción del contenido de GSH, necesario para la síntesis de fitoquelatinas, disminuyendo así su disponibilidad para la defensa antioxidante. Así se produce también peroxidación lipídica y daños en las proteínas por formación de grupos carbonilo. Las plantas son la base de la cadena alimentaria y de ahí la importancia de conocer cuáles son los mecanismos de toxicidad del metal en la planta, así como los mecanismos de defensa de la misma. La contaminación ambiental por Zn y Cd ha aumentado como consecuencia del incremento de la actividad industrial del último siglo. Así, los altos niveles de estos metales encontrados en suelos, aguas deriego y fertilizantes agrícolas suponen un peligro por su caracter no biodegradable, la toxicidad que ejercen sobre los diferentes cultivos y su biodisponibilidad. La sensibilidad de los cultivos a la presencia de los metales pesados es muy variable, así como la tendencia a acumular los mismos en partes que luego pasen al consumo animal o humano. A pesar de los avances realizados durante las últimas décadas en este tema, casi toda la información que tenemos proviene de estudios realizados en plantas hiperacumuladoras, y aún es muy poco lo que se conoce de la fisiología de especies de interés agronómico sometidas a estrés por metales pesados. Objetivos de la investigación El trabajo de investigación desarrollado en esta tesis se ha basado en el estudio de dos especies de interés comercial: el tomate y la remolacha. Las plantas han sido crecidas en cámaras de cultivo en medio hidropónico y exceso de Zn o Cd, añadidos de forma inorgánica a la solución de crecimiento. El objetivo general consisitió en el estudio, descriptivo y detallado, de los cambios fisiológicos inducidos por las toxicidades de Zn y Cd, con el fin de determinar las causas de los mismos así como los mecanismos de transporte y tolerancia de especies de interés agronómico

Stomatal conductance is the main limitation to photosynthesis in sugar beet plants treated with Zn excess

4 Pag., 2 Tabl., 1 Fig.The effects of high Zn concentrations in growth and photosynthetic parameters of sugar beet (Beta vulgaris L.) plants grown in hydroponics were investigated. Zinc toxicity (100 and 300 μM) resulted in large reductions in biomass accumulation (>50%) and photosynthetic rates (40-50%). It was known that high Zn concentrations usually lead to decreases in net photosynthesis, but the effects of excess Zn on each of the possible factors limiting photosynthesis, including photochemistry, stomatal conductance and mesophyll conductance, had not been studied in detail until now. Leaf photochemistry was not affected by Zn, and reduced photosynthesis was due mostly to marked decreases in stomatal conductance, whereas mesophyll conductance decreased to a lower extent. Stomata were study using scanning electron microscopy (SEM) and large structural differences were observed in stomatal frequency, size and shape between 300 μM Zn and control plants. In high Zn plants stomatal density was lower than in the controls, and stomata were smaller and had a more rounded shape than those present in control plants. The presence of these morphological changes could be associated to the reductions in photosynthetic rates under excess Zn.Work supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation (projects AGL2007-61948 and BFU2008-01072/BFI). R.S. was supported by an I3P-CSIC predoctoral fellowship.Peer reviewe

Effects of Zinc toxicity in sugar beet plants grown in hydroponics

1 .pdf (3 Phot.- 5 Figs.) copia del Póster original presentado por los autores en el Simposio. Se acompaña de 1 .pdf con el resumen oficial.Zinc is essential for cell physiological processes, has no redox activities but plays structural and/or catalytic roles in many processes, and it is the only metal present in all enzyme classes. However, at high concentrations Zn could be toxic. In most cases, an excess of Zn generates reactive oxygen species and/or displaces other metals from active sites in proteins. Zinc toxicity also induces chlorosis in young leaves, and this has been suggested to result from a Zn-induced Fe or Mg deficiency, based on the fact that the three metals have similar ion radii.The aim of the present study was to investigate the effects of high concentrations of Zn in the nutrient solution to establish a basis for studies of the mechanisms of heavy metal transport in this model plant species.This work was supported by grants AGL2004-00194 and AGL2007-61948 to J.A. R.S. was supported by an I3P pre-doctoral fellowship from the CSIC.Peer reviewe

Genotypic differentiation in the stomatal response to salinity and contrasting photosynthetic and photoprotection responses in five olive (Olea europaea L.) cultivars

10 Pags., 2 Figs., 3 Tabls.Olive tree is moderately tolerant to salinity. Differences in salt tolerance among olive tree cultivars are documented. Salt-mediated decreases of stomatal conductance and photosynthesis are common in the studied cultivars, but other photosynthetic characteristics in response to increasing salinity are much less investigated. Greenhouse experiments were conducted to investigate the responses to increasing salinity up to 200mM NaCl of five olive tree cultivars: 'Chemlali', 'Chetoui', 'Arbequina I18', 'Arbosana I43' and 'Koroneiki', widely used in Tunisia. Techniques used include determinations of leaf concentrations of the toxic ions Na and Cl, photosynthetic pigment analyses, gas exchange and chlorophyll (Chl) fluorescence measurements. Relationships between thermal energy dissipation and changes in pigment composition were investigated. With 100mM NaCl water, the most readily available water in arid regions of Tunisia, 'Chemlali', 'Chetoui' and 'Arbosana' grew similarly to control plants, which is a valuable information for horticultural purposes. In all cultivars, leaf Na and Cl concentrations increased and net CO2 assimilation rates decreased as salt concentration increased. A negative correlation was observed between photosynthesis and leaf thickness. Data revealed genotypic differentiation in the stomatal response to salinity, decreasing in 'Koroneiki', 'Arbequina' and 'Arbosana' but remaining fairly constant in 'Chemlali' and 'Chetoui'. In those cultivars where the amount of energy thermally dissipated increased in response to salinity, it was well correlated with increases of (zeaxanthin+antheraxanthin)/(violaxanthin+antheraxanthin+zeaxanthin) ((Z+A)/(V+A+Z)) and lutein to Chl molar ratios. In summary, salinity caused marked reductions in photosynthetic rates well correlated with leaf Na and Cl accumulation. Photosynthesis limitation was partially attributed to stomata closure, except in the cultivars 'Chemlali' and 'Chetoui' in which stomatal conductances were unaltered. Possible decrease of CO2 mesophyll conductance mediated by increases of leaf thickness is discussed. Salinity increased Z+A- and/or lutein-mediated thermal energy dissipation of some of the olive tree cultivars investigated. © 2013 Elsevier B.V.This work was supported by grants from Olive Tree Institute (Tunisia) to Ajmi Larbi and Monji Msallem and AECID (grant AP/040397/11) to Ajmi Larbi and Anunciación Abadía (EEAD-CSIC). Ruth Sagardoy was supported by an I3P-CSIC predoctoral fellowship. Fermín Morales wishes to thank Gobierno de Aragón (A03 Research Group) for financial support.Peer reviewe

Cadmium toxicity in tomato (Lycopersicon esculentum) plants grown in hydroponics

10 pages, 5 figures, 2 tables.-- Available online Nov 28, 2008.The effects of Cd have been investigated in tomato (Lycopersicon esculentum) plants grown in a controlled environment in hydroponics, using Cd concentrations of 10 and 100 μM. Cadmium treatment led to major effects in shoots and roots of tomato. Plant growth was reduced in both Cd treatments, leaves showed chlorosis symptoms when grown at 10 μM Cd and necrotic spots when grown at 100 μM Cd, and root browning was observed in both treatments. An increase in the activity of phosphoenolpyruvate carboxylase, involved in anaplerotic fixation of CO2 into organic acids, was measured in root extracts of Cd-exposed plants. Also, significant increases in the activities of several enzymes from the Krebs cycle were measured in root extracts of tomato plants grown with Cd. In leaf extracts, significant increases in citrate synthase, isocitrate dehydrogenase and malate dehydrogenase activities were also found at 100 μM Cd, whereas fumarase activity decreased. These data suggest that at low Cd supply (10 μM) tomato plants accumulate Cd in roots and this mechanism may be associated to an increased activity in the PEPC–MDH–CS metabolic pathway involved in citric acid synthesis in roots. Also, at low Cd supply some symptoms associated with a moderate Fe deficiency could be observed, whereas at high Cd supply (100 μM) effects on growth overrule any nutrient interaction caused by excess Cd. Cadmium excess also caused alterations on photosynthetic rates, photosynthetic pigment concentrations and chlorophyll fluorescence, as well as in nutrient homeostasis.This work was supported by grants AGL2004-00194 and AGL2007-61948 to J.A.R.S. was supported by an I3P pre-doctoral fellowship from the CSIC.Peer reviewe

Effects of zinc toxicity on sugar beet (Beta vulgaris L.) plants grown in hydroponics

The effects of high Zn concentration were investigated in sugar beet (Beta vulgaris L.) plants grown in a controlled environment in hydroponics. High concentrations of Zn sulphate in the nutrient solution (50, 100 and 300 μm) decreased root and shoot fresh and dry mass, and increased root/shoot ratios, when compared to control conditions (1.2 μm Zn). Plants grown with excess Zn had inward-rolled leaf edges and a damaged and brownish root system, with short lateral roots. High Zn decreased N, Mg, K and Mn concentrations in all plant parts, whereas P and Ca concentrations increased, but only in shoots. Leaves of plants treated with 50 and 100 μm Zn developed symptoms of Fe deficiency, including decreases in Fe, chlorophyll and carotenoid concentrations, increases in carotenoid/chlorophyll and chlorophyll a/b ratios and de-epoxidation of violaxanthin cycle pigments. Plants grown with 300 μm Zn had decreased photosystem II efficiency and further growth decreases but did not have leaf Fe deficiency symptoms. Leaf Zn concentrations of plants grown with excess Zn were high but fairly constant (230-260 μg·g-1 dry weight), whereas total Zn uptake per plant decreased markedly with high Zn supply. These data indicate that sugar beet could be a good model to investigate Zn homeostasis mechanisms in plants, but is not an efficient species for Zn phytoremediation. © 2008 German Botanical Society and The Royal Botanical Society of the Netherlands.This work was supported by grants AGL2004-00194 and AGL2007-61948 to J.A. R.S. was supported by an I3P pre-doctoral fellowship from the CSIC.Peer Reviewe

Teledetección para percibir el estrés de las plantas

1 .pdf (1 Pag.- 1 Fot.) copia del artículo de divulgación en prensa.Un procedimiento nuevo para detectar el estrés en la vegetación es el proyecto que, desde Aragón, va a desarrollar un grupo de investigación del CSIC.Interés... El método propuesto por este grupo de trabajo está siendo investigado por la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA)con su proyecto FLUORMOD lo que avala el gran interés internacional de este tipo de metodologías para detección de estrés en vegetación.Aplicación... El éxito de este proyecto abrirá la puerta a importantes utilizaciones de la teledetección de estrés de tipo previsual al permitir la monitorización de cultivos bajo riego deficitario además de favorecer que el CSIC pueda involucrarse en futuros proyectos europeos de la ESA.N

Carboxylate metabolism in sugar beet plants grown with excess Zn

4 Pag., 2 Tabl., 1 Fig. The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/01761617The effects of Zn excess on carboxylate metabolism were investigated in sugar beet (Beta vulgaris L.) plants grown hydroponically in a growth chamber. Root extracts of plants grown with 50 or 100 M Zn in the nutrient solution showed increases in several enzymatic activities related to organic acid metabolism, including citrate synthase and phosphoenolpyruvate carboxylase, when compared to activities in control root extracts. Root citric and malic acid concentrations increased in plants grown with 100 M Zn, but not in plants grown with 50 M Zn. In the xylem sap, plants grown with 50 and 100 M Zn showed increases in the concentrations of citrate and malate compared to the controls. Leaves of plants grown with 50 or 100 MZn showed increases in the concentrations of citric and malic acid and in the activities of citrate synthase and fumarase. Leaf isocitrate dehydrogenase increased only in plants grown with 50 M Zn when compared to the controls. In plants grown with 300 M Zn, the only enzyme showing activity increases in root extracts was citrate synthase, whereas the activities of other enzymes decreased compared to the controls, and root citrate concentrations increased. In the 300 MZn-grown plants, the xylem concentrations of citric and malic acids were higher than those of controls, whereas in leaf extracts the activity of fumarase increased markedly, and the leaf citric acid concentration was higher than in the controls. Based on our data, a metabolic model of the carboxylate metabolism in sugar beet plants grown under Zn excess is proposed.This work was supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation (grant AGL2007-61948, co-financed with FEDER) and the Aragón Government (group A03). The HPLC–TOFMS apparatus was co-financed with FEDER. R.S. and R.R-A were supported by I3P-CSIC and FPI-MCINN pre-doctoral fellowships, respectively.Peer reviewe