Los elementos potencialmente tóxicos en las plantas de manglar: una revisión de los mecanismos de tolerancia involucrados

Daniel González-Mendoza ¹, OnÉcimo Grimaldo Juárez ² y Lourdes Cervantes Díaz ³

¹ Doctor en Ciencias, Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav-IPN) Mérida, México. Profesor Investigador, Universidad Autónoma de Baja California (UABC). Dirección: Instituto de Ciencias Agrícolas, Carretera a Delta s/n. C.P. 21705, Ejido Nuevo León, Baja California, México. e-mail: daniasaf@gmail.com

² Doctor en Genética Vegetal, Colegio de Postgraduados (COLPOS), Montecillo, México. Profesor Investigador, UABC, México.

³ Doctor en Ciencias Agropecuarias, COLPOS, Montecillo, México. Profesora-Investigadora, UABC, México.

RESUMEN

Las plantas de manglar han desarrollado a través de su evolución una serie de mecanismos a nivel celular que le permiten establecerse en ambientes con altas concentraciones de metales. Externamente, involucra la participación de microorganismos rizosféricos, la formación de placas de hierro y modificaciones en sus raíces. A nivel interno, se menciona la participación conjunta de exudados radicales, metalotioneinas, y fitoquelatinas. La comprensión de los mecanismos de tolerancia a metales por las plantas de manglar representa un factor clave en el conocimiento de la fisiología de estas plantas de gran importancia ecológica y biotecnológica. En este trabajo se describen los mecanismos de tolerancia a elementos potencialmente tóxicos presentes en algunas especies de manglares.

The potentially toxic elements in mangrove plants: a review of the mechanisms of tolerance involved

SUMMARY

Mangroves have developed through evolution a number of potential mechanisms at the cellular level that let them settle in environments with high concentrations of metals. Externally, they involve the participation of rhizosphere microorganisms, the formation of iron plaques and changes in their roots. Internally, they involve the participation of radical exudates, metallothioneins, and phytochelatins. The comprehension of metal tolerance mechanisms by mangroves is a key factor in understanding of the physiology of these plants of great significance to ecology and biotechnology. This paper describes the mechanisms of tolerance to potentially toxic elements present in some species of mangroves.

Os elementos potencialmente tóxicos no manguezal plantas: revisão dos mecanismos de tolerância involucrados

  RESUMO

As plantas de manglar desenvolveram através de sua evolução uma série de mecanismos potenciais a nível celular que lhe permitem se estabelecer em ambientes com altas concentrações de metais: externamente, envolve a participação de microorganismos rizosféricos, a formação de placas de ferro e modificações em suas raízes. Ao nível interno menciona-se a participação conjunta de exudados radicais, metalotioneinas, e fitoquelatinas. O entendimento dos mecanismos de tolerância a metais, pelas plantas de mangue pode representar um fator chave que no conhecimento da fisiologia destas plantas têm grande importância ecológica e biotecnológica. Nesta revisão realiza-se uma breve descrição dos mecanismos de tolerância a elementos potencialmente tóxicos presentes em algumas espécies de manguezais.

PALABRAS CLAVE / Contaminación / Manglares / Metales/ Raíz / Tolerancia /

Recibido: 92/05/2008. Modificado: 20/09/2008. Aceptado: 29/09/2008.

El manglar es un ecosistema que se desarrolla en las planicies y humedales de costas, bahías y estuarios en regiones tropicales y subtropicales del mundo, con árboles que incluyen unas 54 especies, 20 géneros y 16 familias (Das et al., 2002). Las plantas de manglar se caracterizan por ser vivíparas y presentar una serie de adaptaciones que les permiten sobrevivir en suelos inundados y con altas concentraciones de NaCl (500mM), así como por poseer un sistema radical especializado que desempeña las funciones de anclaje al sustrato y suministro de O₂ (Tomlinson, 1986).

Los manglares pueden ser clasificados de acuerdo a los mecanismos para prevenir el ingreso del exceso de sal en sus células en especies secretoras, aquellas que eliminan el exceso de sal a partir de órganos específicos (eg. glándulas secretoras) en las hojas, y especies no secretoras, las que se caracterizan por tener la capacidad de modificar el ingreso de iones específicos mediante el proceso de ultrafiltración en la raíz para impedir una absorción excesiva de sales (Morgany et al., 1999).

Los bosques de manglar tienen una gran importancia para los ecosistemas costeros ya que ofrecen un hábitat para la protección y desarrollo de diferentes especies acuáticas de importancia ecológica y económica, participan en la productividad y aporte de nutrientes en los sistemas costeros y en el control de la erosión y la intrusión salina, y actúan como barrera para la protección contra tormentas (Lokman y Sulong, 2001; Abduluziz y Al-Khayri, 2003).

Elementos Potencialmente Tóxicos en el Ecosistema de Manglar

El término elementos potencialmente tóxicos (EPT) se refiere a los elementos esenciales y no esenciales que pueden generar síntomas de toxicidad e inhibición del crecimiento en las plantas (Dietz et al., 1999). En el ecosistema costero, la presencia de concentraciones elevadas de EPT tales como Zn, Cu, Cd, Ni, Cr y Hg se debe principalmente a factores antropogénicos como la urbanización, el desarrollo de zonas turísticas, la industria petrolera, la actividad agropecuaria y el desarrollo de la acuacultura, que aportan cantidades importantes de estos contaminantes, representando un riesgo latente para la estabilidad de las distintas comunidades de las especies de manglar (Cuong et al., 2005).

La anoxia y los cambios del pH, salinidad, materia orgánica y actividad microbiana son factores que modifican las características edáficas del suelo y contribuyen a incrementar la biodisponibilidad, acumulación y movilización de EPT en los ecosistemas de manglar (Lacerda y Abrao, 1984; López-Portillo, 2002; Machado et al., 2002; Gale et al., 2006; Nascimento et al., 2006), donde el incremento de la biodisponibilidad y acumulación de los EPT representa un riesgo a la integridad de plantas así como para otros organismos, debido a que los EPT pueden afectar los niveles superiores de la cadena alimenticia, tanto por ingesta directa como por la bioacumulación a través de la red trófica estuarina (Selvaraj et al., 2004).

Efectos de los EPT en los Manglares

Los metales son una fuente potencial de estrés oxidativo porque generan la producción de especies reactivas de O₂ (ERO) y radicales hidroxilo que causan inactivación de enzimas, peroxidación de lípidos y degradación de proteínas. Las plantas han desarrollado mecanismos antioxidantes que contribuyen a la disminución del estrés oxidativo mediante la síntesis de enzimas tales como catalasa, peroxidasa y superoxido dismutasa, que intervienen en la protección y, en consecuencia, en el mantenimiento del balance oxidante/antioxidante (MacFarlane, 2002).

En el caso de las especies de manglares, la exposición a metales puede provocar efectos en su sistema antioxidante, como lo son incrementos en la actividad de las tres enzimas mencionadas (MacFarlane, 2002; Zahng et al., 2007). Generalmente es posible observar que el efecto de la exposición a metales causa un incremento en la actividad de enzimas antioxidantes por un periodo de tiempo determinado, dependiendo de la especie de manglar, concentración del metal, tejido analizado y tiempo de duración del estrés. Posteriormente se observa que la generación de ERO en los distintos tejidos de las plantas de manglar puede ocasionar oxidación de ácidos nucleicos, lipoperoxidación de ácidos grasos asociados a proteínas de membrana y disminución del proceso fotosintético, así como la toma y transporte de nutrientes (Zhang et al., 2007; González-Mendoza et al., 2007a). Los cambios observados en las actividades de las enzimas antioxidantes en las plantas de manglar ha motivado que las respuestas bioquímicas, como la actividad de enzimas antioxidantes, sean consideradas como posibles biomarcadores de efecto para determinar el estrés que provocan de los iones metálicos en el manglar (MacFarlane et al., 2001; Zhang et al., 2007).

Interacción EPT - Manglar

Los cambios evolutivos que han dado origen a la tolerancia en diferentes especies de plantas, están representados por el desarrollo de una serie de mecanismos eficientes y específicos (procesos adaptativos) que permiten mantener dentro de rangos fisiológicos permisibles la toma de elementos esenciales, además de proporcionar la capacidad de inactivar metabólicamente a los elementos esenciales y no esenciales cuando representan un riesgo para la integridad celular (Cai y Ma 2002).

En el caso de las plantas de manglar, diversos estudios indican que éstas son tolerantes a la presencia de EPT debido a la participación de diversos mecanismos de tolerancia que han desarrollado a través de su proceso evolutivo. Trabajos realizados en plántulas de Rhizophora mangle L., R. mucronata L., Avicennia alba L., Kandelia candel L., y Aegiceras comiculatun L. expuestas a Pb, Hg, Cd, Cu y Zn sugieren que la tolerancia de los mangles a los EPT puede ser dividida en mecanismos externos de tolerancia tales como la: formación de placas de hierro y microorganismos, y mecanismos internos de tolerancia que incluyen precipitación de los iones de EPT por grupos sulfuros extracelulares, síntesis de exudados radicales, compuestos orgánicos y desarrollo de glándulas secretoras, presentes en el tejido foliar de ciertas especies de mangle que eliminan el exceso de iones en el tejido (Walsh et al., 1979; Thomas, 1984; Ronghua y Lin, 1989).

Mecanismos Externos de Tolerancia

En los manglares el proceso de adsorción de metales puede ser influenciado por la presencia de placas de hierro (Hansel et al., 2001), compuestas generalmente de ferilhidrita (63%) y goetita (32%), y en menor proporción de siderita (5%). Estas placas pueden moderar la absorción de iones a través de las raíces e inducir una mayor acumulación de iones en la rizosfera presente en manglares (Kirby et al., 2002). Esto ha sido observado en plantas de R. mangle y K. candel, en donde la formación de placas de hierro influye en la biodisponibilidad de Zn, Fe y Cd (Machado et al., 2005; Jingchun et al., 2008). Resultados similares han sido obtenidos en otras plantas donde los grupos funcionales de hidróxidos de hierro secuestran diferentes iones (As, Cu, Zn, Mn; Meng et al., 2002; Liu et al.,2004). Sin embargo, aun cuando existen evidencias de la participación de las placas de hierro en la retención de iones en la rizosfera de manglares, es importane continuar estudios básicos que evalúen la participación de estos compuestos en la tolerancia a EPT.

Por otra parte, actualmente se conoce de la presencia en la comunidad rizosférica de microorganismos asociados a los manglares que participan en la absorción y retención de metales. En este sentido, Mendes de Souza et al. (2005) encontraron que cepas de Cunninghamella elegans aisladas del sedimento de manglar mostraban la retención de Cu mediante la precipitación intracelular por polifosfatos. De manera similar se han identificado microorganismos en la rizosfera de Laguncularia racemosa y Avicennia germinans que pueden generar ácidos orgánicos que participaban en la absorción de iones por la raíz, contribuyendo posiblemente en la tolerancia a EPT (Vázquez et al., 2000).

Reportes recientes mencionan que el desarrollo del sistema radicular (SR) influye directamente en la absorción de metales, ya que González-Mendoza et al. (2007b) encontraron que a menor desarrollo del SR mayor absorción de Cu y Cd en plantas de A. germinans, presentando las plantas con mayor SR una menor acumulación de metales, debido posiblemente a la presencia de exudados radicales (e.g. ácidos orgánicos) que podrían disminuir en forma notable la toma de esos iones por la raíz.

Por otra parte, la capacidad de A. germinans de acumular altas concentraciones de Cu y Cd en la raíz (3000ppm) y en menor proporción en las partes aéreas (5ppm), indica una posible estrategia de exclusión por parte de la planta, en donde la raíz actúa como una barrera para evitar la transferencia de estos metales al tejido foliar (Baker, 1981; Vogel-Mikuš et al., 2006; González-Mendoza et al., 2007b). Con base en la información disponible es posible sugerir que las especies de manglar son plantas fitoestabilizadoras, debido a que las altas concentraciones de metales son detectadas principalmente en raíz. Resultados similares han sido reportados por MacFarlane et al. (2003), Chen y Chen (2005) y Jingchun et al. (2008) en plantas de A. marina y K. candel expuestas a Cu y Cd, respectivamente.

Mecanismos Internos de Tolerancia

El entendimiento de las bases moleculares y fisiológicas de los mecanismos y estrategias que las plantas han desarrollado como resultado de la interacción con los EPT es complejo, debido a que involucra una serie de etapas en las cuales se produce la activación de diferentes procesos que actúan a distintos niveles de organización. Se ha demostrado que los exudados radicales están formados principalmente por ácidos orgánicos (AO) de bajo peso molecular, generados principalmente a partir del ciclo de ácidos tricarboxílicos (Young et al., 1998). La importancia de los AO en la tolerancia a metales en el sistema radical de manglares se debe a que pueden influir en la solubilidad de elementos esenciales y no esenciales de manera directa, mediante la acidificación, quelación, precipitación y procesos de óxidoreducción en la rizósfera, y de forma indirecta a través de efectos en la actividad microbiana, en las propiedades físicas de la rizósfera y en la dinámica de crecimiento de la raíz (McKee y Mendelssohn, 1987; Marschner, 1995).

La participación de los AO en la tolerancia a metales en manglares se observa principalmente en plantas expuestas a Cd, como lo confirma los trabajos realizados por Haoliang et al. (2007) quienes demostraron que al exponer plantas de K. candel al Cd se presenta una mayor producción de AO asociados con la tolerancia a ese elemento, evitando así la entrada a la célula, lo cual sugiere una posible estrategia de exclusión por parte de las plantas de manglar que podría involucrar la participación de AO en los ápices radicales, favoreciendo la disminución de las concentraciones fitotóxicas de metales. El efecto de estos AO está bien documentado en la planta acuática Phragmites australis y en Zea mays (Ederli et al., 2004; Wójcik y Tukiendorf, 2005), donde la producción de AO y la presencia de una mayor lignificación de la raíz favorecen la retención de metales en la rizosfera.

Fitoquelatinas y Metalotinoneinas en Manglares

La quelación es la capacidad de una molécula para formar un complejo con un metal y así formar un nuevo compuesto con propiedades químicas diferentes al original. Es un proceso homeostático en el que participan los ligandos de alta afinidad como las fitoquelatinas (FQ) y las metalotioneinas (MT), las cuales contribuyen a mantener estable la concentración de iones de metales en el citosol (Clemens, 2001). Los ligandos de alta afinidad mejor caracterizados en las células de plantas (Zenk, 1996) son las fitoquelatinas (FQ) y las metalotioneinas (MT).

En las plantas, las FQ son péptidos con la fórmula general (g-Glu-Cys)_n-Gly (n=2-11), donde las estructuras (g-Glu-Cys)₂-Gly (FQ₂) y (g-Glu-Cys)₃-Gly (FQ₃) son las más comunes (Cobbett y Goldsbrough, 2002). El mecanismo de acción de las FQ en las plantas consiste en la formación de complejos no tóxicos con iones de metales mediante la interacción con los grupos tiol de cisteína (Cys), formando un complejo FQ-metal de bajo peso molecular (CBPM) que se une a iones sulfuro (S²⁻) en el citosol estabilizando al CBPM y formando moléculas complejas de alto peso molecular (CAPM; Hirata et al., 2005). Posteriormente, estas moléculas atraviesan el tonoplasto, posiblemente usando proteínas transportadoras tipo ABC; una vez dentro de la vacuola, los AO presentes (malato, citrato, oxalato) retienen a los iones de los metales y disocian el complejo FQ-metal (Salt y Rauser, 1995).

A su vez, las MT son proteínas de bajo peso molecular (4-8kDa) generadas transcripcionalmente y con capacidad de ligar iones metálicos por su alto contenido en residuos de cisteína (30% del total de la proteína) para evitar así una intoxicación por metales. Las MT presentes en las plantas se agrupan en cuatro tipos (Mt1, Mt2, Mt3 y Mt4) de acuerdo con el ordenamiento de los residuos de cisteína en la proteína y fueron identificadas por primera vez en embriones maduros de trigo como una proteína quelante del Zn (Cobbett y Goldsbrough, 2002). El mecanismo de acción de las MT en la regulación homeostática y la tolerancia a metales en las plantas no se conoce con exactitud; sin embargo, se ha reconocido su participación en la tolerancia a metales en diferentes especies de plantas, como es el caso de Oryza sativa y Arabidopsis thaliana al ser tratadas con Cu, Cd y Zn (Hsieh et al., 1996). La información relevante sobre la acción de EPT a nivel molecular en la inducción de la expresión de los genes metalotioneina y fitoquelatina sintetasa (enzima clave en la producción de FQ) en manglares es relativamente reciente.

Resultados obtenidos por González-Mendoza et al. (2007c) y Usha et al. (2007) de manera independiente, sugieren que la exposición de plantas de Avicennia germinans y A. marina a diferentes dosis subletales de Cd y Cu son capaces de inducir la expresión diferencial de los genes de metalotioneina y fitoquelatina sintetasa. En este contexto, la inducción de transcriptos de los genes de las MT en diferentes tejidos de estas plantas de manglar coincide con las observaciones de Roosens et al. (2003) en las plantas acuáticas Typha latifolia y Thlaspi caerulescens cuando eran sometidas a bajas concentraciones de Cu y Cd. Lo mismo reportan Zhang et al. (2005) con respecto a la expresión del gen de la fitoquelatina sintetasa en plantas de Triticum spp. y Allium sativum, expuestas a metales. Esto indica que ambos genes en las plantas de manglar podrían tener una función en la desintoxicación de metales esenciales y no esenciales.

Conclusiones

Las plantas de manglar han desarrollado a través de su proceso evolutivo una serie de mecanismos bioquímicos para poder crecer en ambientes con elevadas concentraciones de elementos esenciales y no esenciales. No obstante, la mayoría de los estudios de elementos potencialmente tóxicos en manglares se han realizado a nivel de laboratorio o en microcosmos. En consecuencia, se tiene poco conocimiento sobre la respuesta de los mecanismos de tolerancia presentes en estas plantas a nivel de ecosistema. Futuros estudios en estas especies deben involucrar la aplicación de herramientas moleculares y bioquímicas a nivel de ecosistema, así como utilizar a Avicennia germinans y Rhizophora mangle como plantas modelos para conocer mejor el modo de acción de los mecanismos de tolerancia en el mantenimiento homeostático de las células vegetales presentes en las especies de manglar del continente americano.

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