EL CICLO DE LAS XANTOFILAS, UN PRECISO INDICADOR DEL

EL CICLO DE LAS XANTOFILAS, UN PRECISO INDICADOR DEL ESTADO FISIOLÓGICO DE LOS
ÁRBOLES
J.I. GARCÍAPLAZAOLA
(1)
A.
HERNÁNDEZ
(2)
U.
ARTETXE
J.M.
BECERRIL
(3)
(4)
(1, 2, 3, 4)Dpto. Biol. Vegetal y Ecología. Univ. del País Vasco. Apdo 644. 48080 BILBAO
RESUMEN
Los pigmentos del ciclo de las xantofilas (VAZ) son una de las principales adaptaciones de las hojas de los árboles
frente a las adversidades ambientales. Su contenido es estable en ausencia de estrés y relativamente similar entre especies
arbóreas muy diversas (peremnes, caducifolias y coníferas). Por el contrario, en condiciones ambientales desfavorables el
contenido de VAZ se incrementa a corto plazo (días), al igual que lo hace el contenido total de carotenoides. En este
trabajo se discute su uso como indicador precoz de estrés así como la metodología más adecuada para su determinación.
P.C.: bioindicadores, carotenoides, estrés ambiental, hojas, VAZ, xantofilas
SUMMARY
Xanthophyll cycle pigments (VAZ) are one of the main leaf adaptations to cope with the environmental stress. VAZ
content is stable in the absence of stress and is similar among a wide diversity of tree species. When plants are exposed to
unfavourable conditions, VAZ content increases in the term of days as do the total amount of carotenoids. The possibilities
of use of VAZ pigments as early stress indicators as well as the more suitable techniques for their determination are
discussed.
K.W.: biomarkers, carotenoids, environmental stress, leaves, VAZ, xanthophylls
INTRODUCCIÓN
Los tejidos verdes (hojas, frutos, algunos tallos) de las especies leñosas juegan un papel esencial en el desarrollo de
los individuos al ser los únicos órganos capaces de aprovechar la energía luminosa para la producción de energía y
compuestos estructurales. Este proceso, la fotosíntesis, puede llevarse a cabo gracias a la clorofila, un pigmento capaz de
transformar la luz en energía química. En condiciones de estrés (físico, biótico o antrópico), cuando muchos procesos
metabólicos se encuentran disminuidos, la luz captada por la clorofila es mayor que la capacidad de utilización por la
planta y puede ser finalmente cedida al oxígeno molecular (O2) formando especies activas de oxígeno (EAO) altamente
oxidantes, que dañan irreversiblemente los tejidos fotosintéticos (POLLE & RENNENBERG 1994). Estos daños se
traducen externamente en el amarilleamiento de las hojas y la defoliación prematura, lo que en última instancia genera la
reducción del área foliar y descensos en la producción anual de biomasa.
Es precisamente la extrema sensibilidad de los tejidos fotosintéticos hacia las condiciones ambientales la que hace
que éstos sean buenos indicadores del estado fisiológico de la planta. Así se han desarrollado índices de daño y estrés
basados en el estado visual de la copa (decoloración, defoliación, etc). Igualmente se han realizado grandes esfuerzos por
buscar otros indicadores más precisos y precoces mediante el estudio de diversos parámetros fisiológicos (asimilación de
CO2, transporte electrónico, fluorescencia de la clorofila) o bioquímicos (SAXE 1996). Entre estos últimos han recibido
gran atención los pigmentos fotoprotectores y compuestos antioxidantes, que si bien presentes de modo constitutivo, se
inducen específicamente en respuesta a las condiciones de estrés. Los pigmentos fotoprotectores actuan a modo de “gafas
de sol”, reduciendo la eficiencia con la que la clorofila capta la energía luminosa, favoreciendo su disipación como calor,
disminuyendo así la generación de peligrosos procesos fotooxidativos. Dentro de estos compuestos, los carotenoides del
denominado ciclo VAZ o de las xantofilas juegan un papel fundamental al ser capaces de regular con gran precisión la
eficiencia de la transformación de la energía luminosa en química, respondiendo de manera muy fina a las condiciones
ambientales (DEMMIG-ADAMS & ADAMS 1992). Cuando hay un exceso de luz el ciclo se activa y la violaxantina (V)
es deepoxidada a zeaxantina (Z) a través del intermediario anteraxantina (A). Esta transformación es proporcional a la
cantidad de energía luminosa que se absorbe en exceso, y se traduce en una diferente composición de los pigmentos
fotosintéticos en el cloroplasto provocando una disipación térmica de la energía captada, sin que se de lugar a la formación
de EAO.
Algunos estudios han determinado que el contenido de pigmentos VAZ (expresado por clorofila) tiene un valor
relativamente estable en distintas especies cuando crecen en idénticas condiciones luminosas, y que este contenido varía
respondiendo como un mecanismo de adaptación a diferentes regímenes de luz, encontrándose valores de VAZ hasta 5
veces superiores en hoja de sol que de sombra en una misma especie (THAYER & BJÖRKMAN 1990). Otros estreses
también inducen específicamente incrementos en los pigmentos VAZ como es el caso de las bajas temperaturas invernales,
el estrés hídrico estival, los patógenos, las deficiencias minerales o la contaminación atmosférica (DEMMIG-ADAMS &
ADAMS 1992). De esta forma el contenido de pigmentos VAZ resulta ser una característica altamente plástica,
adaptándose en el margen de unos pocos días a las variaciones en las condiciones ambientales (DEMMIG-ADAMS et
al.1989).
En el presente trabajo se establecen unos patrones generales del metabolismo de las xantofilas a partir de la revisión
de la bibliografía existente sobre estos pigmentos en especies arbóreas de clima templado. Estos patrones se han
comprobado con las dos especies forestales representativas de los dos ambientes principales de la Península Ibérica: el
haya del mundo eurosiberiano y la encina de la región mediterránea. Asímismo los índices elaborados sirven como una
herramienta para la detección del estado fisiológico de los árboles así como para la selección de procedencias con una
mayor tolerancia fisiológica al estrés.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se ha comparado la composición pigmentaria de diversas especies arbóreas de clima templado a partir de la
información contenida en 16 recientes publicaciones (ADAMS & DEMMIG-ADAMS 1994, BRUGNOLI et al. 1998;
ELVIRA et al. 1998; FARIA et al. 1998, FLECK et al. 2000, GARCIA-PLAZAOLA et al. 1999, GARCIA-PLAZAOLA
et al. 2000, GARCIA-PLAZAOLA & BECERRIL 2001, KRONFUß et al. 1998, MARTINEZ-FERRI et al. 2000,
NIINEMETS et al. 1998, OTTANDER et al. 1995, SIRCELJ et al. 1999, SCHINDLER & LICHTENTHALER 1996;
TAUSZ et al. 1999, VERHOEVEN et al. 1996); y de datos de nuestro grupo (no publicados). Así se ha obtenido la
composición pigmentaria de 87 situaciones que corresponden a 25 especies, de las cuales 11 fueron árboles caducifolios
(Acer monspelliensis, Acer platanoides, Betula pendula, Corylus avellana, Fagus sylvatica, Fraxinus excelsior, Malus
domestica, Populus tremula, Quercus faginea, Tilia cordata, Tilia platyphyllos), 7 árboles perennifolios (Arbutus unedo,
Eucaliptus globulus, Ilex aquifolium, Laurus nobilis, Olea europaea, Quercus ilex, Quercus suber), y 7 coníferas
(Juniperus phoenicaea, Picea abies, Picea pugnens, Pinus ponderosa, Pinus halepensis, Pinus sylvestris, Pseudotsuga
menziesii). De los 87 casos estudiados, 45 valores correspondieron a condiciones ambientales favorables, 18 a condiciones
invernales, 7 a condiciones de sombra, 12 a condiciones de sequía y 5 a contaminación atmosférica. Los datos proceden de
estudios de campo realizados en Alemania, Austria, Eslovenia, España, Estados Unidos, Estonia, Italia, Portugal y Suecia.
En el estudio propio se han determinado las variaciones de la composición pigmentaria en respuesta a estreses
ambientales en campo o en condiciones controladas de laboratorio, de hojas de haya (Fagus sylvatica) y de encina
(Quercus ilex). En concreto se estudió en campo el efecto de la sequía estival en el haya; y del estrés invernal, de la altitud
y de la sequía estival en la encina. En condiciones controladas se verificó el efecto de la sequía en el haya y de las bajas
temperaturas en la encina. La determinación del contenido de pigmentos se realizó como se describe en GARCÍAPLAZAOLA & BECERRIL (1999) con las modificaciones y el sistema de muestreo descrito en GARCÍA-PLAZAOLA et
al. (2001).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Pese a la amplia diversidad de especies, ambientes, condiciones ecológicas y sistemas analíticos empleados, llama la
atención que el contenido de pigmentos VAZ expresado por clorofila es un parámetro relativamente estable en hojas de
árboles en condiciones favorables (Figura 1A). Así este índice osciló en el 65% de las especies estudiadas entre 50 y 90
mmol VAZ mol-1 clorofila, con unos valores extremos de 43.5 y 123.4 mmol VAZ mol-1 clorofila para Pinus ponderosa y
Fraxinus excelsior, respectivamente. Esto no es sorprendente ya que la estructura molecular del aparato fotosintético es
muy similar entre todos los vegetales y las diferencias que se observan en el funcionamiento fotosintético entre unas
especies y otras se deben a la diferente organización de los cloroplastos y las células fotosintéticas en las hojas. Por otro
lado el contenido de pigmentos VAZ se incrementó notablemente cuando los mismos árboles se estudiaron en condiciones
de estrés (Figura 1B). Este incremento fue especialmente llamativo en las coníferas afectadas por bajas temperaturas y en
los árboles perennifolios mediterráneos en situaciones de estrés hídrico. Esto no implica una mejor o peor adaptación de
cada tipo de plantas a un determinado estrés, ya que los datos recopilados no son comparables entre sí al proceder de
situaciones ecológicas completamente diferentes, pero muestra de forma clara que el contenido de pigmentos VAZ se
incrementa en respuesta a diverasas condiciones de estrés (frío, sequía, contaminación). En hojas de sombra y por tanto no
sometidas a estrés luminoso, el contenido de VAZ se ve reducido (Figura 1B)
A fin de verificar las tendencias descritas en la figura 1, se estudió el efecto de diversos estreses ambientales en el
contenido de VAZ de hojas de haya y encina (Tabla 1) como se describe en la sección de Materiales y Métodos. En todos
los casos se obtuvieron incrementos significativos en este parámetro respecto a sus respectivos controles que presentaron
un rango de variación muy estrecho (49-52,9 para el haya y 62,4-75 para la encina). Estos incrementos resultaron
especialmente llamativos en el caso de la encina. Esta mayor plasticidad de los sistemas fotoprotectores en la encina se
debe probablemente a la mayor duración de las hojas de las especies perennifolias que hace que deban ser potencialmente
capaces de tolerar muy diversos tipos de estrés durante su periodo de existencia (sequía en verano y frío en invierno).
Especie
Haya
Haya
Encina
Encina
Encina
Encina
Experimento
Laboratorio
Campo
Laboratorio
Campo
Campo
Campo
Estrés
Hídrico
Sequía
Frío
Invierno
Sequía
Altitud
Control
52.9±2.2
49±2
67.4±1.8
73.0±0.1
62.4±3.3
75.0±3.5
Tratamiento
61.7±4.7
64±16
78.8±5.4
93.6±8.1
129.0±9.4
91.7±4.1
Tabla 1: Efecto de diferentes condiciones de estrés en el contenido de pigmentos VAZ (expresado como mmol mol-1 clorofila) en
plantas de haya y encina. Medias ± SE.
Las variaciones en el contenido de pigmentos VAZ parecen estar controladas por un mecanismo que activa la
síntesis de carotenoides preferentemente dirigida hacia los pigmentos VAZ, cuando la luz resulta excesiva debido a
cualquier estrés ambiental produciendose la activación del ciclo VAZ (datos no publicados). Por el contrario, en ausencia
de estrés luminoso, prevalece el proceso de degradación natural de los carotenoides. De este modo que el contenido de
pigmentos VAZ en cualquier momento resultará del balance entre los procesos de biosíntesis y degradación, respondiendo
en el plazo de unos pocos días a las fluctuaciones en las condiciones ambientales. Dado que las características estructurales
y fotosintéticas de las hojas son difícilmente modificables una vez que éstas se han desarrollado completamente, las
variaciones en el contenido de VAZ que regulan la eficiencia con la que la luz solar es utilizada por la planta, se convierten
en el principal mecanismo de adaptación a las variaciones ambientales a corto plazo (unos días) (NIINEMETS et al. 1998).
Por ello, el contenido de VAZ en un momento determinado no será consecuencia de las condiciones ambientales en ese
mismo momento, sino que se verá determinado por la incidencia de las situaciones de estrés acaecidas los días precedentes.
De esta forma el contenido de pigmentos VAZ se comportaría como un registro o “caja negra” de la planta, reflejando el
nivel de estrés soportado por la planta durante el periodo previo a la medida. Por ello el análisis de este parámetro
representa una ventaja indudable frente a otros indicadores que vienen determinados precisamente por las condiciones
existentes durante la realización de la medida (asimilación de CO2, transporte electrónico, fluorescencia de la clorofila,
índice de epoxidación de las xantofilas), o que se ven escasamente afectados por las variaciones en el nivel de estrés
(morfología, indicadores visuales), o bien son de interpretación ambigua (antioxidantes, poliaminas, metabolitos
secundarios). Sin embargo, la cuantificación del contenido en pigmentos VAZ es a priori una tarea compleja que requiere
la inversión en equipamientos costosos (HPLC) y el dominio de técnicas sofisticadas. Por ello algunos autores se han
aventurado a diseñar técnicas de teledetección, basadas en los cambios de reflectancia que generan las interconversiones de
los pigmentos del ciclo VAZ (PEÑUELAS et al. 1998).
Puesto que el contenido de VAZ influye en la regulación de la síntesis de carotenoides, existe cierta correlación
entre los niveles de VAZ y del contenido total de carotenoides (figura 2). Aunque la proporción de VAZ respecto al total
de carotenoides se incrementa al aumentar el contenido de carotenoides, sería posible estimar aproximadamente la
concentración de los pigmentos VAZ a través de la correlación con el nivel de carotenoides. Esta medida resulta sencilla y
rápida mediante técnicas espectrofotométricas o de teledetección. De hecho, en los casos más extremos, la detección se
puede realizar incluso visualmente a partir de la observación del amarilleamiento de las hojas. Esta aproximación tiene sin
embargo otros problemas añadidos, ya que hay que considerar que el amarilleamiento de las hojas también se puede deber
a procesos de senescencia natural en los que no hay síntesis de carotenoides, sino principlamente destrucción de clorofila
(TEVINI & STEINMÜLLER 1985) y a los procesos de deterioro forestal en los que hay una degradación uniforme de
clorofilas y carotenoides (GARCIA-PLAZAOLA & BECERRIL 2001). Hechas estas salvedades la determinación del
contenido de carotenoides totales sería un valioso test que informa sobre el contenido en VAZ, cuando éste no pueda ser
directamente determinado, indicando el nivel de estrés acumulado por la planta durante los días inmediatos a la medida.
CONCLUSIONES
El contenido de pigmentos VAZ en las hojas de los árboles es un parámetro estable en condiciones control, que
responde finamente a las variaciones a medio plazo en el nivel de estrés. Esto le hace ser un indicador precoz y ajustado de
las alteraciones ambientales que pueden afectar la supervivencia y el desarrollo de los árboles. Su determinación en
principio costosa y compleja puede aproximarse mediante la simple cuantificación de la relación entre carotenoides
y clorofila.
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