Les plantes també prenen minerals

Igual que nosaltres, les plantes necessiten als minerals per a que alguns dels seus processos biològics funcionen correctament. En un laboratori valencià s'estudia el coure i els sistemes dels vegetals per a regular-lo.

Els humans necessitem incorporar a la nostra dieta 17 minerals essencials per a tenir una bona salut però, i les plantes? També requereixen minerals essencials que són adquirits del sòl, i és més, les seues deficiències poden afectar a la qualitat i quantitat de les collites afectant negativament a la nostra alimentació. 


En el laboratori de Lola Peñarrubia, del departament de bioquímica i biologia molecular de la facultat de biologia de la UVEG, s'estudia l'homeòstasi del coure (Cu) en la planta model Arabidopsis thaliana centrant-se en la deficiència d'aquest metall.

 

ARABIDOSIS5

Arabidopsis thaliana al laboratori


I és que el Cu és un element essencial per als organismes vius aerobi, i necessari per al correcte funcionament de proteïnes encarregades d'eliminar les espècies reactives de l'oxigen (ROS) i d'enzims involucrats en processos generadors d'energia. El trobem formant part de la composició de l'escorça terrestre i també en forma mineral.

 

ARABIDOSIS2

Aplicació de fungicides amb base de Cu als camps de cultiu


A causa de la seua elevada capacitat conductiva, el Cu s'utilitza per a fabricar el cablejat elèctric, en el sector agrícola l’usen com a fungicida (barreja Bordeaux) i en ramaderia com a factor de creixement. No obstant açò, el seu ús abusiu i continuat per l'ús de fungicides i les activitats industrials, ha incidit de manera negativa en el medi ambient, contaminant sòls i xarxes tròfiques.

Les plantes necessiten Cu, però amb moderació
En plantes superiors, el Cu és l'objectiu d'estudi a causa de la seua importància agronòmica, el seu pes en les xarxes tròfiques i el potencial biotecnològic. El seu dèficit pot generar problemes en el desenvolupament, causant alteracions en l'arquitectura de la planta, però fins i tot sent un metall essencial per a la vida, el seu excés també pot ser citotòxic, ja que genera ROS.

La natura sèssil de les plantes fa que es troben entre els organismes millor adaptats, de tots els eucariotes superiors, a acomodar els seus requeriments de Cu en un rang ampli, depenent de la disponibilitat ambiental. Per a sobreviure i créixer, les plantes s'han d'adaptar a les variacions en la composició mineral dels sòls i en l'accessibilitat dels nutrients.

 

ARABIDOPSIS4

El Cu s'utilitza al desenvolupant de nous teixits verds


La necessitat del Cu vària, no solament durant el dia amb la fotosíntesi, sinó que hi ha altres processos que requereixen metalls per a dur-se a terme correctament, com és el desenvolupament de teixits verds i òrgans reproductius. Per a conciliar els canvis dinàmics de demanda i subministrament de Cu, les plantes han desenvolupat una xarxa homeostàtica sofisticada i altament regulada en el control de l'entrada de Cu, lliurament a proteïnes diana i destoxificació. Per açò, és interessant estudiar com les plantes són capaces d'adaptar-se i sobreviure als canvis dels diferents nutrients.

Les plantes utilitzen Cu per a un ampli rang de processos fisiològics com la fotosíntesi, la respiració mitocondrial, l'eliminació de ions superòxid i la percepció d'etilè. De la mateixa manera que la major part dels macro i micronutrients constituents d'una planta vascular, el Cu és adquirit de forma habitual a partir dels recursos minerals del sòl i amb posterioritat és distribuït als òrgans de consum.

La natura dual del Cu ha motivat que els organismes hagen desenvolupat al llarg de l'evolució xarxes homeostàtiques subjectes a una regulació molt precisa amb la finalitat de mantenir la concentració del metall en un rang òptim. És necessari destacar que els principals elements d’aquestes xarxes es troben conservats en tots els organismes eucariotes, des de llevats fins a mamífers o plantes superiors. Així doncs, encara que les característiques fonamentals del transport i distribució del Cu també ho estan, en el cas de plantes mostren particularitats.

El cas de Arabidopsis
En A. thaliana s'ha descrit una família de 6 proteïnes transportadores de coure de tipus CTR denominada COPT, que són proteïnes integrals de membrana conservades en els eucariotes. En condicions de deficiència de Cu, A. thaliana se serveix dels transportadors de Cu d'alta afinitat COPT (de l'anglès, Copper transporter) per a adquirir aquest metall.

 

ARABIDOSIS3

Esquema de la xarxa homeostàtica del Cu en Arabidopsis thaliana. En condicions de dèficit de Cu, el factor de transcripció SPL7 és funcional i activa els gens de resposta, entre ells el de la reductasa FRO4 i els de els transportadors d'alta afinitat COPT1 i COPT2. El Cu+ entra en la cèl·lula i és captat per un conjunt de metalocarabinas solubles (ATX1, CCS, COIX17, CCH) encarregades de distribuir-ho. En condicions d'excés de Cu, la ATPasa HMA5 s'encarrega de bombar el metall a l'exterior. Durant la fase de senescencia, CCH podria mobilitzar el Cu a través de les ATPasas PAA1 i PAA2 situades en la membrana interna i tilacoidal, respectivament. Modificada de (Garcia-Molina, 2010)



En condicions de dèficit de Cu, entra en la cèl·lula i és captat per un conjunt de metalocarabines solubles encarregades de distribuir-lo. En condicions d'excés, la ATPasa HMA5 s'encarrega de bombar el metall a l'exterior.

Mitjançant l'ús de diferents eines biotecnològiques s'han obtingut els mutants de pèrdua de funció d'aquests transportadors COPT, amb la intenció de determinar la seua funció dins de la xarxa homeostàtica del Cu. Actualment en el laboratori estem treballant sobre els efectes del cadmi (Cd) en l'homeòstasi del Cu en un dels mutants COPT.

 

ARABIDOSIS7

Les deixalles al medi natural poden fer que s'acumulen als nostres sóls metalls pesats, com per exemple el Cadmi que desplaça altres metalls beneficiosos per a les plantes com el Cu


El cadmi és un metall que es troba de forma natural en l'escorça terrestre i com a mineral combinat amb altres elements. A causa de les activitats antròpiques realitzades en indústries, deixalles domèstiques, etc, el Cd entra en el sòl i l'aigua, augmentant els nivells disponibles en l'ambient, i algunes d'aquestes formes de Cd s'adhereixen fortament a partícules del sòl. D'aquesta manera, el Cd que hi ha present en l'ambient s'incorpora en plantes, contaminant la cadena alimentícia.

El potencial tòxic del Cd és a causa de la seua capacitat de substitució, desplaça altres metalls de llocs actius o d'unió a proteïnes. És molt tòxic en animals, en canvi les plantes són més tolerants a aquesta toxicitat ja que posseeixen mecanismes de destoxificació. Donat que les plantes constitueixen, en gran part, la base de les cadenes tròfiques, l'entrada de Cd en la biosfera està intervinguda per la incorporació del metall en les plantes.

 

ARABIDOSIS6

A l'esquerra un cultiu hidropònic, i a la dreta plantes conreades en placa amb mitjà sòlid


En el laboratori el meu treball ha consistit a caracteritzar la toxicitat del Cd en plantes mutants. Per a açò les plantes s'han conreat tant en placa amb mitjà sòlid com en hidroponia. Conrear les plantes en placa permet estudiar els efectes del Cd en la germinació de les plantes i en plantes joves. D'altra banda, el cultiu hidropònic ofereix la possibilitat d'analitzar els efectes del metall en plantes adultes. Els cultius hidropònics es diferencien dels cultius en plaques en què el mitjà on creixen les plantes és líquid en lloc de sòlid.


L'objectiu que es persegueix és estudiar com el Cd altera l'expressió de gens involucrats en l'homeòstasi del Cu. Així, de les plantes, s'extrau ARN dels gens d'interès estudiant l'expressió d'aquests a nivell transcripcional amb l'ús de la tècnica de PCR quantitativa a temps real. Aquesta tècnica permet analitzar canvis en l'expressió dels gens de plantes sotmeses a diferents tractaments. En un futur, ens plantegem estudiar una possible interacció entre aquests metalls que afecte a la biosíntesi de determinades hormones.

Angela Carrió Seguí

Becària pre-doctoral de Lola Peñarrubia a la UVEG. Llicenciada en ciències biològiques i máster en biotecnologia molecular i cel·lular de plantes

Mitjà