Acuaporinas en carya illinoensis 2015
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Acuaporinas en carya illinoensis 2015
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Acuaporinas en carya illinoensis 2015
- 1. FISIOLOGÍA Y NUTRICIÓN Funciones de las Acuaporinas en Carya illinoensis (Koch) y sus Implicaciones Frente al Estrés Dr. Luis Alberto Lightbourn Rojas, PhD. www.bioteksa.com lalr@bioteksa.com Instituto de Investigación Lightbourn A.C. www.lightbournr.me Agosto del 2015
- 2. González et al., 2003; Bellard et al., 2012 Una Realidad
- 3. GigatoneladasdeequivalentesdeCO2anuales Año Gases con Flúor N2O CH4 CO2 Forestales y Otros CO2 combustibles e industrias Emisión de Gases Antropogénicos Anuales Intergovenmental Panel on Climate Change, 2015 W/𝐦 𝟐 Forzamiento Radiativo en 2011 en relación a 1970 𝐂𝐎 𝟐 𝐂𝐇 𝟒 𝐍 𝟐 𝐎 Halocarbonos Otros Forzadores Antropogénicos Total Natural (Variaciones solares y volcánicas)
- 4. Hollósy, 2002; Jaakola and Hohtola, 2010; Prado et al., 2012 Incremento de la Temperatura y Radiación Ultravioleta por Efecto del Incremento de Gases de Origen Antropógeno ConcentracióndeCO2 (ppm) TemperaturaGlobal(°C) T = 0.0092 (ppm de CO2) + 10.9536 𝐑 𝟐 = 0.8416 Correlación CO2 vs T
- 5. Degradación del Suelo en México Tipos Específicos de Degradación Química (2002) Erosión Eólica (2002) SEMARNAT, 2015
- 6. Efectos del Cambio Climático en los Seres Vivos 1. Distribución geografica (tendencia de algunas especies a desplazarse). 2. Adaptación (cambios micro- evolutivos in situ). 3. Fisiológicos = fotosíntesis, respiración, crecimiento, nutrición 4. Fenológicos (alteraciones en los ciclos de vida por efecto del fotoperiodo, horas frío, etc.). González et al., 2003; Ahmad and Prasad 2012; Lightbourn 2013 Las Plantas son los Organismos más Expuestos a los Cambios Ambientales
- 7. NUTRIR ES ROMPER EFICAZMENTE EL MOMENTUM PINOCITÓCICO CELULAR •MOMENTUM ARMÓNICO = ADSORCIÓN del nutriente DIFUSIONAL = ABSORCIÓN del nutriente Lightbourn 2013
- 8. Relación Temperatura, Humedad Relativa y Esfuerzo Termodinámico Estación Meteorológica de Zaragoza Coahuila, México Esfuerzo Termodinámico HR T Máxima T Promedio T Mínima Línea de Tendencia Lightbourn 2015
- 9. Comportamiento del Esfuerzo Termodinámico VelocidaddelEsfuerzo Termodinámico Velocidad Fecha AceleracióndelEsfuerzo Termodinámico Aceleración Fecha Lightbourn, 2015
- 10. ξQ − 𝐰 𝛙 ∆𝐒 − ∆𝐇 ξQ − 𝐰 𝛙 ∆(𝐒 − 𝐇) Relación Termodinámica de Lightbourn del Esfuerzo Metabólico ξQ𝛙 𝛙 − 𝐰 𝛙 ∆(𝐒 − 𝐇) ξQ𝛙 − 𝐰 𝛙 ∆(𝐒 − 𝐇) 𝐰 ∆𝛙(𝐇 − 𝐒) − ξQ ∆(𝐇 − 𝐒) Fracción Expansiva Parcial 𝐰 − ξQ𝛙 ∆𝐇𝛙 − ∆𝐒𝛙 Forma Expandida ξQ − 𝐰 𝛙 ∆𝐒 − ∆𝐇 ξQ ∆𝐒 − ∆𝐇 + −𝐰 𝛙 (∆𝐒 − ∆𝐇) ξQ ∆𝐒 − ∆𝐇 − 𝐰 𝛙(∆𝐒 − ∆𝐇) Forma Alternativa Asumiendo que H, Q, s, ∆, ξ, ψ y w son Positivos – ξQ 𝛙 −𝐰 ∆𝐇𝛙 −∆𝐒𝛙 Raíz w = ξQ𝛙 ∆𝐇𝛙 − ∆𝐒𝛙 ≠ 𝟎 Lightbourn, 2015
- 11. Relación Termodinámica de Lightbourn del Esfuerzo Metabólico Serie Expansiva en s = 0 𝐰 −ξQ 𝛙 ∆𝐇𝛙 + 𝐬( 𝐰 −ξQ 𝛙) ∆𝐇 𝟐 𝛙 + 𝑺 𝟐( 𝐰 −ξQ 𝛙) ∆𝐇 𝟑 𝛙 + 𝑺 𝟑( 𝐰 −ξQ 𝛙) ∆𝐇 𝟒 𝛙 + 𝑺 𝟒( 𝐰 −ξQ 𝛙) ∆𝐇 𝟓 𝛙 + O(𝑺 𝟓) Serie Expansiva en S = ∞ ξQ 𝛙 −𝐰 ∆𝐒𝛙 + H(ξQ 𝛙 −𝐰) ∆𝑺𝛙 + 𝐇 𝟐(ξQ 𝛙 −𝐰) ∆𝑺 𝟑 𝛙 + 𝐇 𝟑(ξQ 𝛙 −𝐰) ∆𝑺 𝟒 𝛙 + O(( 𝟏 𝑺 ) 𝟓 ) Lightbourn, 2015
- 12. Relación Termodinámica de Lightbourn del Esfuerzo Metabólico 𝐝 𝐝𝑺 ( ξQ − 𝐰 𝛙 ∆𝐒 − ∆𝐇 ) Derivada (ξQ − 𝐰 𝛙 ) 𝐝 𝐝𝑺 ( 𝟏 ∆𝐒 − ∆𝐇 ) Utilizando la regla de la cadena 𝐝 𝐝𝑺 ( 𝟏 ∆𝐒 − ∆𝐇 ) = 𝐝 𝐝𝐮 𝟏 𝐮 𝐝𝐮 𝐝𝑺 Donde: 𝐮 = ∆𝐒 − ∆𝐇 𝐝 𝐝𝐮 𝟏 𝐮 = 𝟏 𝐮 𝟐 Entonces = (ξQ − 𝐰 𝛙 ) - 𝐝 𝐝𝐬 (∆𝐒 − ∆𝐇) (∆𝐒 − ∆𝐇) 𝟐 = ξQ − 𝐰 𝛙 (∆𝐒 − ∆𝐇) 𝟐 ∆ 𝐝 𝐝𝑺 𝐬 + 𝐝 𝐝𝑺 (- ∆𝐇) = − (ξQ − 𝐰 𝛙 ) [ 𝐝 𝐝𝑺 −∆𝐇 +∆] (∆𝐒 − ∆𝐇) 𝟐 La derivada de s es 1 = − (ξQ − 𝐰 𝛙 ) (∆+𝟎) (∆𝐒 − ∆𝐇) 𝟐 La derivada de ∆ (−𝐇) es 0 Simplificando la Expresión = − ∆ (ξQ − 𝐰 𝛙 ) (∆𝐒 − ∆𝐇) 𝟐 Lightbourn, 2015
- 13. Relación Termodinámica de Lightbourn del Esfuerzo Metabólico ( ξQ − 𝐰 𝛙 ∆𝐒 − ∆𝐇 ) 𝐝𝑺 Integral ξQ − 𝐰 𝛙 ( 𝟏 ∆𝐒 − ∆𝐇 ) 𝐝𝑺 Sustituyendo u = ∆𝐒 − ∆𝐇 y du = ∆dS ξQ ∆ − 𝐰 ∆𝛙 ( 𝟏 𝐮 ) 𝐝𝐮 La integral de 𝟏 𝐮 𝐞𝐬 𝐥𝐨𝐠 (𝐮) 𝐥𝐨𝐠 𝐮 ξQ ∆ − 𝐰 ∆𝛙 + 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭𝐞 Sustituyendo u 𝐥𝐨𝐠 [∆(𝐇 − 𝐒)] ξQ ∆ − 𝐰 ∆𝛙 + 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐚𝐧𝐭𝐞 Limite lim 𝐒 → ±∞ ξQ − 𝐰 𝛙 ∆𝐒 − ∆𝐇 = 0 Lightbourn, 2015
- 14. Correlación Sistémica del Esfuerzo Termodinámico en el No Equilibrio Fotosíntesis / Respiración (Lightbourn, et al) Lightbourn, 2015
- 15. Temperaturas en Carya illinoensis Koch Tmin = 10 °C Toptima = 21 -28 °C Tmax = 38 °C Temperatura de Crecimiento y Desarrollo del Nogal Taiz y Zeiger 2002; Villaseca, 2007; Nuñes-Barrios et al., 2010; SEMARNAT, 2012 Nogal = 400 – 1000 HFE 1. Retraso en apertura de yemas 2. Retraso en inicio de producción 3. Bajo potencial productivo Reducción de horas frío:
- 16. Efectos de la Radiación Ultravioleta Radiación en ( 𝒌𝑾𝒉 𝒎 𝟐 /𝒅í𝒂) Respuestas de las Plantas Disminución del área foliar Menor densidad de estomas Menor elongación de tallos Deposición de cera Metabolitos secundarios Mahdavian et al., 2008; Björn y McEnzie, 2008; Carrasco-Ríos, 2009; Prado et al., 2012
- 17. Consumo de Agua del Nogal Godoy et al., 2000; Ferreyra et al., 2001; Andales et al., 2006 Wang et al., 2007; Ojeda-Barrios et al., 2009; Zermeño-Gonzales et al., 2010; Nava Uribe 2015 Distribución de la Precipitación anual en México Los requerimientos de riego dependen de la demanda evaporativa de la localidad donde se encuentra el cultivo de nogal, de su estado de desarrollo y del porcentaje de cobertura del suelo, que varia con la edad de las plantas y con el marco de plantación 225,792.34 310,464.23
- 18. Las plantas obtienen el agua a través de sus raíces mediante tres mecanismos principales Epidermis Parénquima Cortical Endodermis Cilindro Vascular Xilema Floema Transporte Apoplástico (Protoplasto) Transporte Simplástico (Plasmodesmata) Transporte Transcelular (Acuaporinas) Las acuaporinas representan la mayor ruta de obtención de agua de las raíces Mecanismos de Transporte del Agua Chaumont y Tyerman, 2014
- 19. Acuaporinas en Plantas Las acuaporinas son unidades proteicas transmembranales con la capacidad de transportar agua y otros solutos como compuestos nitrogenados, boro, silicio, selenio, titanio, níquel, anhídrido carbónico y glicerol. Subfamilias Luu y Maurel, 2013; Lightbourn 2013 PIP TIP NIP SIP HIP GIP XIP
- 20. Localización de las Acuaporinas PIP TIP NIP SIP Son las aquaporinas más abundantes de la membrana citoplasmática. También son encontradas en retículo endoplásmico y en cloroplastos. Principalemte encontradas en membrana citoplasmática y retículo endoplasmático. Participan en la fijación de nitrógeno. Predominantemente encontradas en retículo endoplásmico. TIP 1: Asociadas con vacuolas líticas. TIP 2: Asociadas con vacuolas de almacenamiento de proteínas. Las acuaporinas se encuentran en todos los tejidos vegetales y en todos los compartimentos subcelulares, lo cual refleja la necesidad de la célula para controlar el transporte de agua y solutos en toda la célula. Luu y Maurel, 2013 Algunas acuaporinas tienen también la característica de tener una localización polarizada
- 21. Funcionalidad de Acuaporinas Maurel et al., 2008
- 22. Maurel et al., 2008 Homotetramero de acuaporinas PIP2;1 Las acuaporinas se encuentran ensambladas en las membranas que las contienen como homo- o hetero-tetrámeros, en los que cada monómero constituye un canal funcional. Estructura de las Acuaporinas Carboxilo-terminal Amino-terminal Canal Acuaporínico
- 23. Las acuaporinas son proteínas de 21 a 34 KDa Estructura de las Acuaporinas Canal Transportador Citoplasma NPA Citoplasma A C B D E El poro central de las acuaporinas es delimitado por los dominios transmembranales y los lazos hidrofóbicos B y E, que contienen una región conservada de tres aminoácidos, que son Asparagina-Prolina-Alanina Chaumont y Tyerman, 2014
- 24. Citoplasma Estructura de las Acuaporinas Estas proteínas se diferencian entre sí, por su secuencia de aminoácidos lo cual permite una diferencia del tamaño de poro de las acuaporinas, que influye directamente en el tipo de molécula(s) que pueden ser transportadas a través de dichas proteínas Aminoácidos conservados en PIPs Aminoácidos importantes en la formación y selectividad del poro Aminoácidos diferentes presentes en PIP1;1 Motif NPA Los motif NPA son determinantes en la permeabilidad selectiva del agua, a través de estas proteínas. Además, se ha encontrado, que también son determinantes para el anclaje de algunas acuaporinas en la membrana plasmática. Chaumont et al., 2005
- 25. Asn 101 (NPA) Asn 222 (NPA) Phe 81 His 210 Arg 225 Motif Ar/R His 210 y Phe (Ar) Arg 225 (R) En los motifs Ar/R, el residuo de arginina funciona como un sitio electrostático de repulsión de protones, lo que hace a las acuaporinas impermeables a estos sustratos Mecanismos de Regulación Acuaporínica Maurel et al., 2008; Lightbourn et al., 2010
- 26. Ser 115 Arg 118 Glu 31 Asp 28 His 193 Leu 197 His 193 Ser 115 Arg 118 Glu 31 Asp 28 Leu 197 Apertura y Cierre de Acuaporinas Acuaporina PIP2;1 Abierta Acuaporina PIP2;1 Cerrada Maurel et al., 2008; Lightbourn et al., 2013
- 27. Núcleo y RE Aparato de Golgi Cloroplasto Vacuola Pared Celular Membrana Plasmática COP II Algunos experimentos han demostrado que PIP1 no es transportada a la membrana citoplasmática si no existe la presencia de PIP2 Si la expresión de PIP2 es inhibida, se reduce la conductividad hidráulica de las raíces de un 36 a un 45 %. Traslado de las Acuaporinas Luu y Maurel, 2013; Chevalier y Chaumont 2015
- 28. El sistema de señalización que tiene PIP para abandonar el retículo implica secuencias primarias conocidas como motifs diacídicos en el sitio amino terminal, los cuales contienen dos residuos de aminoácidos ácidos, separados por un residuo indeterminado, expresándose como la secuencia DXE (ácido aspártico-X-ácido glutámico) o bien EXD (ácido glutámico-X-ácido aspártico). Traslado de las Acuaporinas Luu y Maurel, 2013; Chevalier y Chaumont 2015; Lightbourn 2015
- 29. Se ha identificado, que para el traslado anterógrado de las acuaporinas PIP en la ruta secretora, es necesario que dichas proteínas contengan en su sección transmembrana 3, los residuos de leucina en la posición 127 y alanina en la posición 131, lo cual es representado como la región LXXXA. Otro mecanismo de regulación de la localización de las acuaporinas PIPs es su interacción con factores proteicos SNAREs (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor protein atachment protein receptor, por sus siglas en ingles), los cuales son una familia de proteínas que regulan la fusión de vesículas en el sistema endomembrana. Luu y Maurel, 2013; Chevalier y Chaumont 2015 Traslado de las Acuaporinas PIP2 PIP1 Heterotetrámero PIP1-PIP2
- 30. Ritmo Circadiano de las Acuaporinas en Nogal La expresión de acuaporinas incrementa durante el día, con una cantidad máxima alrededor de las 3 a 4 horas posteriores al amanecer y presenta un decremento al mínimo poco antes de oscurecer Se ha reportado que en el caso del nogal, la conductividad hidráulica de las hojas es directamente proporcional a la temperatura y pueden incrementar durante el día hasta en un 400% Tiempo de Aplicación de Luz (h) 𝐊𝐥𝐞𝐚𝐟(mmol·𝐒−𝟏 ·𝐦−𝟐 ·𝐌𝐏𝐚−𝟏 Cochard et al., 2007
- 31. El bloqueo de las acuaporinas puede llegar a reducir entre un 30 y 90 % de la conductividad hidráulica de la raíz Nitratos y sulfatos provocan una reducción en el transporte del agua ya que afectan directamente la actividad acuaporínica Nilsen y Orcutt, 1996; Thomson y Walworth, 2006; Lightbourn, 2012 Bloqueos de Acuaporinas en Carya illinoensis Koch
- 32. El níquel, en balance con selenio, titanio y zinc; el cual despolariza la membrana sosteniendo el equilibrio iónico Gibbs-Donnan y el transporte vacuolar, en especial en condiciones extremas de temperatura, ya que se evita la coagulación intravascular diseminada en cambium, con el consecuente bloqueo acropetálico de los nutrientes. Existe la expresión específica de algunas acuaporinas en células vasculares, las cuales, se sugiere, participan en el transporte de sabia a través de los diferentes órganos de la planta La expresión del promotor de TIP1;1 ha sido asociado con el alargamiento de raíces hipocotilos y hojas, obteniéndose una acumulación de los transcritos mediante la acción de la hormona de crecimiento ácido giberélico, asociada a la Ribofuranosilzeatina en relación al balance de níquel, selenio y titanio. Acuaporinas Maurel et al., 2008; Lightbourn et al., 2013
- 33. Las acuaporinas PIPs, TIPs y NIPs participan en el transporte de compuestos nitrogenados Acuaporinas en el Crecimiento y Desarrollo CO2 La expresión de la acuaporina PIP1 puede incrementar la obtención de boro en un 30 %. Las deficiencias de boro provocan la inhibición de la síntesis de ARN y ADN, con lo cual también se obtiene una falta de elongación normal en la punta de las raíces e inhibición de la división celular en el ápice del tallo y hojas jóvenes El silicio es transportado por algunas acuaporinas, el cual es un elemento indispensables para mejorar las defensas de las plantas ante el ataque de diversos patógenos. Maurel et al., 2008; Lightbourn et al., 2012; Bhardwaj et al., 2013
- 34. Las deficiencias de nitrógeno, fósforo o azufre, provocan una reducción del transporte del agua en las raíces; este proceso es reversible, sin embrago, puede llegar a demorar hasta más de 24 horas, con lo que la planta puede mantener daños irreversibles durante el proceso de deshidratación y rehidratación Efectos del Estrés en las Acuaporinas Anoxia La anoxia promueve una reducción en el pH de las células radiculares; esta reducción del pH provoca una reducción de la conductividad hidráulica en las raíces lo cual ha sido asociado al cierre de las acuaporinas PIP provocado por el exceso de protones en el citoplasma. El estrés por frío provoca la producción de ROS que dañan directamente membranas, acuaporinas y el ADN Maurel et al., 2008; Lightbourn et al., 2011; Bhardwaj et al., 2013
- 35. Salinización de Suelos y Acuíferos SEMARNAT, 2011; Intergovenmental Panel on Climate Change, 2015; Chevalier y Chaumont 2015 Año Niveldelmarpromedio(m) Cambios del nivel del mar a nivel mundial Se ha demostrado que la salinidad puede provocar una reducción en la transcripción de las principales acuaporinas TIPs y PIPs hasta en un 60 a 70% en pocas horas Salinización de Suelos y Acuiferos, y sus Efectos en Acuaporinas
- 36. K+ K+ K+ Na+ Na+ Na+Cl- Cl- Cl- SO4 SO4 SO4 2 % 98 % Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ H+ ATP ADP Pi Na+ •Cobre •Hierro •Zinc •Manganeso •Potasio •Calcio •Magnesio •Fósforo Orcutt y Nilsen, 2000; Shi et al., 2002 ; Munns, 2005; Abenavoli et al., 2012 Efectos de la Salinización del Suelo
- 37. Las deficiencias de calcio son comunes cuando el ratio Na/Ca es elevado en el agua del suelo Los iones de sodio compiten con los iones del calcio por los sitios de enlace con las membranas disminuyendo su obtención Cuando a las células vegetales se les aplica KCl y CaCl2 se manifiesta una reducción de hasta 4 veces la conductividad hidráulica de la célula comparado con células control debido a efectos adversos en la actividad acuaorínica. En contraste, se ha presentado un incremento de hasta dos veces la conductividad hidráulica de la célula cuando los iones de cloro son sustituidos PermeabilidaddelAgua(µm·𝐬−𝟏 ) Calcio en la Actividad Acuaporínica en Condiciones Salinas Carbajal et al., 2000; Martínez-Ballestas et al., 2008
- 38. APB2 APB1 Acuaporinas Calmodulinas Tubulinas Cys – Gly – Pro – Cys Subporfirina S2 Ferredoxina Epimerasas N/P/K/Ca/B/Zn/Mg/ 𝐅𝐞+𝟐 𝐅𝐞+𝟑 /B/Ni/Se/Ti/Si Martínez-Ballestas et al., 2006; Lightbourn; 2014 Sistema de Acción del Calcio
- 39. Factores Biológicos Físicos Químicos Suelo a, b, c, ···, n x, y, z, ···, n u, v, w, ···, n Planta a, b, c, ···, n x, y, z, ···, n u, v, w, ···, n Agua a, b, c, ···, n x, y, z, ···, n u, v, w, ···, n Atmosfera a, b, c, ···, n x, y, z, ···, n u, v, w, ···, n Matriz Lightbourn SPAA-BFQ Lightbourn, 2012
- 41. Frecuencia y Amplitud de Onda en Solitones para Canales de Ca++ según la IML 𝒔𝒆𝒏(𝟒𝒙) 𝐜𝐨𝐬(𝒙) 𝒅𝒙 𝐬𝐞𝐜 𝐱 𝐬𝐞𝐧 𝟒𝐱 𝐝𝐱 [−𝟐𝐬𝐞𝐧 𝟑(𝐱) − 𝟐𝐬𝐞𝐧 𝐱 + 𝟔𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝟐(𝐱)] 𝐝𝐱 −𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝟑 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 + 𝟔 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝟐 𝐱 𝐝𝐱 Para la integral sen(x) 𝑐𝑜𝑠2 𝑥 , sustituir u = cos(x) y du = -sen(x) −𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝟑 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟔 𝐮 𝟐 𝐝𝐮 −𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝟑 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐮 𝟑 La integral u2 = u3 3 Lightbourn, 2015
- 42. Utilizando la formula reducida: senm x dx = − cos x senm −1 x m + m −1 m sen−2+m x dx Donde: m = 3 Frecuencia y Amplitud de Onda en Solitones para Canales de Ca++ según la IML 𝟐 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝟐 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟒 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐮 𝟑 La integral de sen(x) es – cos(x) 𝟐 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝟐 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟒 𝟑 𝐜𝐨𝐬(𝐱) − 𝟐 𝐬𝐞𝐧 𝐱 𝐝𝐱 − 𝟐 𝐮 𝟑 𝟐 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝟐 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟒 𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝐱 + 𝟐 𝐜𝐨𝐬(𝐱) − 𝟐 𝐮 𝟑 𝟐 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝟐 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟏𝟎 𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟐 𝐮 𝟑 + 𝐜 Sustituyendo u = cos(x) 𝟐 𝟑 𝐬𝐞𝐧 𝟐 𝐱 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟏𝟎 𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟐 𝐜𝐨𝐬 𝟑 + 𝐜 Equivalente a: 𝟐 𝐜𝐨𝐬 𝐱 − 𝟐 𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝟑𝐱 + 𝐜 Lightbourn, 2015
- 43. Frecuencia y Amplitud de Onda en Solitones para Canales de Ca++ según la IML Series expansivas de la integral en x = 0 𝟒 𝟑 + 𝟐𝐱 𝟐 − 𝟏𝟑𝐱 𝟒 𝟔 + 𝐎(𝐱 𝟔 ) Integral definida sobre la mitad del periodo 𝟎 𝛑 𝐬𝐞𝐜 𝐱 𝐬𝐞𝐧 𝟒𝐱 𝐝𝐱 = − 𝟖 𝟑 𝟎 𝟐𝛑 𝐬𝐞𝐜 𝟐 𝐱 𝐬𝐞𝐧 𝟐 (𝟒𝐱) 𝟐𝛑 𝐝𝐱 = 𝟒 x de – 6 a 6 x de – 20 a 20 Lightbourn, 2015
- 44. DECISIONES •D= Decisión •B= Posibilidades •C= Consecuencias •A= Acciones b1 b2 b3 a1 C11 C12 C13 a2 C21 C22 C23 a3 C31 C32 C33 •D: A x B C •A: B C •Cij: D (ai, bj)
- 45. ¡MuchasGracias! Dr. Luis Alberto Lightbourn Rojas, PhD. www.bioteksa.com lalr@bioteksa.com Instituto de Investigación Lightbourn A.C. www.lightbournr.mx.
- 46. FISIOLOGÍA Y NUTRICIÓN Funciones de las Acuaporinas en Carya illinoensis (Koch) y sus Implicaciones Frente al Estrés Dr. Luis Alberto Lightbourn Rojas, PhD. www.bioteksa.com lalr@bioteksa.com Instituto de Investigación Lightbourn A.C. www.lightbournr.meAgosto del 2015
Notas del editor
- El clima de un planeta es determinado por la masa total del mismo, su distancia respecto de la(s) estrellas más cercanas (en el caso de la Tierra, el Sol) y la composición química de su atmósfera (González et al., 2003). El último de los factores anteriormente mencionados es el más variable, tanto de forma natural como por las actividades de los organismos que lo habitan, en especial el hombre. En las últimas décadas se han presentado una gran diversidad de cambios ambientales, que están afectando la vida en la Tierra, por lo que existe una gran variedad de estudios con respecto al cambio climático, los cuales se enfocan en distintos factores como el incremento en las concentraciones de CO2 atmosférico, derretimiento de los polos, sequías, cambios en los patrones de precipitación, velocidad de vientos, cambios bruscos de temperatura, calentamiento global e incremento de la radiación ultravioleta, entre otros (Bellard et al., 2012).
- El aumento observado del promedio mundial de las temperaturas desde mediados del siglo XX se debe principalmente al aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI) antropógenos, que de 1970 al 2004 incrementaron en un 70 %; este incremento se debe a la emisión superior de estos gases sobre su detracción. Las actividades humanas generan emisiones de cuatro GEI de larga permanencia: el anhídrido carbónico mayormente conocido como dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y compuestos clorofluorocarbonados (CFC´s, grupo de gases que contienen flúor, cloro o bromo). El aumento de las concentraciones de CO2 se debe principalmente al uso de combustibles fósiles, el CH4 se debe predominantemente a la agricultura y al uso de combustibles fósiles y el aumento del N2O se debe principalmente a las actividades agrícolas (IPCC, 2007). El incremento en algunos de estos compuestos provoca la degradación de la capa de ozono por lo que permite una mayor emisión de los rayos ultravioleta en la superficie terrestre, los cuales también infieren en el desarrollo de las plantas (Björn y McEnzie, 2008). Radiación Ultravioleta (UV) La radiación UV corresponde al intervalo de longitud de onda de 200 a 380 nm. Esta radiación es escasa cuando la elevación del sol sobre el horizonte es baja y a poca altitud. La radiación UV representa hasta un 9% de la energía de la radiación global y puede subdividirse en UV-A (320 a 280 nm) radiación que broncea la piel, UV-B (290 a 320 nm) responsable del cáncer de piel, y UV-C (200-290 nm) potencialmente peligrosa pero que es absorbida casi por completo por la capa de ozono (Castilla, 2007; Prado et al., 2012). El coeficiente de absorción de la capa de ozono decrece rápidamente a longitudes de onda por encima de los 280 nm y se aproxima a cero alrededor de los 330 nm (Hollósy, 2002). Aunque el ozono estratosférico determina la cantidad de radiación UV que llega a la superficie terrestre, sus niveles son significativamente afectados por la latitud y la altitud. Los niveles de radiación UV sobre latitudes tropicales son mayores que en las regiones templadas debido su menor absorción atmosférica por el ángulo solar y la misma capa de ozono que es más delgada en la región ecuatorial (Jaakola y Hohtola, 2010; Prado et al., 2012). En 1987 se estableció el Protocolo de Montreal en “Sustancias que Deterioran la Capa de Ozono” para llevar a cabo la reducción de dichos compuestos en la atmósfera, principalmente los CFC´s; sin embargo, el deterioro sigue incrementando hasta en un 0.6 % por año (Prado et al., 2012). En general, cada 1 % de reducción de la capa de ozono provoca un incremento de 1.3 a 1.8 % de la radiación UV-B (Hollósy, 2002). La mayor parte de los estudios referentes a los efectos del incremento de la radiación UV, se enfocan en la radiación UV-B, sin embargo, se a podido demostrar la presencia de radiación UV-C, incluso dentro de invernaderos de plástico (León-Chan, 2012); por lo que existen algunos estudios que contemplan la radiación UV-C para estudiar sus efectos en las plantas (Mahdavian et al., 2008; Sarghein et al., 2008; Katerova et al., 2009).
- Los efectos del cambio climático sobre los seres vivos se pueden clasificar en cuatro categorías (Gonzáles et al., 2003): 1) Distribución geográfica (tendencia de algunas especies a desplazarse); 2) adaptación (cambios micro-evolutivos in situ); 3) fisiológicos (fotosíntesis, respiración y crecimiento) y 4) fenológicos (alteraciones en los ciclos de vida por efecto del foto-periodo, horas frío, etcétera). Por lo que los cambios en la radiación y la temperatura son los factores que tienen más incidencia en los organismos presentes en la Tierra, especialmente en las plantas, que son la base energética de la vida en el planeta al transformar la energía solar en energía química, la cual es tomada por el resto de los organismos como alimento. Las plantas son los organismos más expuestos a los cambios ambientales ya que no pueden migrar del lugar donde se desarrollan, por lo que son una base referencial indispensable para el conocimiento de las repercusiones que tiene el cambio climático en la Tierra. Los cambios en el ambiente que producen un impacto negativo en el crecimiento y desarrollo de las plantas son considerados como factores de estrés (Bray et al., 2000) y pueden ser clasificados en primarios, cuando el factor de estrés afecta directamente el desarrollo de la planta, y en secundarios, cuando el factor de estrés proporciona la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) las cuales afectan negativamente el metabolismo de la planta (Ahmad y Prasad 2012).
- Efecto de Temperaturas Elevadas en los Árboles de Nogal Las temperaturas elevadas casi siempre acompañan a las condiciones de sequia y, en sí mismas, son un importante factor de tensión del ambiente (Salisbury y Ross, 1994); ya que a cierta temperatura, las enzimas inician un rápido decremento de su actividad debido a su desnaturalización. Frecuentemente esta desnaturalización inicia entre los 40 y 50 °C, obteniendo una completa inactivación enzimática por encima de los 60 °C (Figura 7) (Taiz y Zeiger 2002). Al igual que otros frutales de crecimiento primaveral, el nogal tiene una temperatura mínima de crecimiento de 10 °C, una óptima de 21 a 28 °C y una máxima de 38 °C, sobre la cual se producen pérdidas de producción (Villaseca, 2007). Entre los meses de enero a mayo la temperatura aumenta en toda la región nogalera pudiendo alcanzar las temperaturas más altas del ciclo en los meses de junio y julio (Nuñes-Barrios et al., 2010); en el 2012 se han presentado mediciones máximas de 35 a 40 °C en promedio en la zona nogalera (Figura 8) (SEMARNAT, 2012) lo que puede provocar diversos efectos desastrosos en estos cultivos al superar su temperatura máxima de crecimiento. Por otra parte, debido a las temperaturas alcanzadas en los meses de junio y julio, se obtienen las máximas tasas de evapotranspiración (Figura 9), periodo en el que finaliza el crecimiento vegetativo y formación del fruto que es donde las deficiencias hídricas afectan más la producción de nuez (Nuñes-Barrios et al., 2010).
- La falta de agua o estrés hídrico en nogales afecta el crecimiento de los arboles, provoca una disminución de la producción y afecta la calidad de la nuez. Por ejemplo, durante el periodo inicial de crecimiento del fruto, entre floración y 5 a 6 semanas posteriores a esta, la escasez de agua provoca un gran porcentaje de frutos pequeños; por otra parte, después de 5 a 6 semanas de floración se inicia el periodo de acumulación de aceites en la nuez, por lo que la escasez de agua en este periodo afecta el llenado y calidad del fruto (nueces más livianas, más oscuras, con cascaras más delgadas y con problemas de sellado entre valvas), en especial en las partes del árbol donde la fruta se encuentra más expuesta al sol (Ferreyra et al., 2001). El consumo de agua del nogal es alto comparado con el de otros cultivos (Andales et al., 2006; Wang et al., 2007). Los requerimientos de riego dependen de la demanda evaporativa de la localidad donde se encuentra el cultivo de nogal, de su estado de desarrollo y del porcentaje de cobertura del suelo, que varia con la edad de las plantas y con el marco de plantación (Ferreyra et al., 2001). Las plantaciones mexicanas hasta el momento cuentan con 70 a 100 árboles por hectárea (Ojeda-Barrios et al., 2009), pudiendo obtener gastos de agua de hasta 14 400 m3·ha-1·año-1 lo cual se concluye con un gasto promedio de 169,411.76 l·árbol-1·año-1 (Zermeño-Gonzales et al., 2010; Comunicación Personal, 2012)
- En la región norte de México se realiza la producción de diversos cultivos, tales como chile, melón, manzana y nuez, que son susceptibles a diversas condiciones climáticas adversas. Las condiciones adversas que se destacan en el norte del país son las altas temperaturas y la poca disponibilidad que tienen los cultivos de consumir agua en las cantidades y con la calidad adecuadas. Las plantas obtienen el agua a través de sus raíces mediante tres mecanismos principales, que son denominados apoplástico, transporte a través del protoplasto, simplástico, a través del plasmodesmata y, a través de rutas transcelulares, cruzando la membrana, en las que destaca la ruta acuaporínica, que representa la mayor ruta de obtención de agua de las raíces. La presencia de acuaporinas en hojas y raíces ha sido correlacionada con la presencia de barreras en el transporte apoplástico, que impide el acceso total del agua a diferentes compartimentos de los tejidos vegetales. El silenciamiento de las acuaporinas se ha relacionado con una disminución en el crecimiento e incluso la muerte de las plantas, debido a que las acuaporinas son canales proteicos transmembranales, que no solamente facilitan el transporte de agua, sino también el de solutos, tales como CO2, amonio, arsénico, ácido bórico, glicerina, entre otros.
- Las acuaporinas presentan una gran diversidad de isoformas, que pueden ser divididas en siete subfamilias: las proteínas intrínsecas de la membrana plasmática (PIPs, por sus siglas en ingles), proteínas intrínsecas del tonoplasto (TIPs, por sus siglas en ingles), proteínas intrínsecas nodulin-26 (NIPs, por sus siglas en ingles), proteínas intrínsecas pequeñas (SIPs, por sus siglas en ingles), proteínas intrínsecas GlpF (GIPs, por sus siglas en ingles), proteínas intrínsecas híbridas (HIPs, por sus siglas en ingles) y proteínas intrínsecas X (XIPs, por sus siglas en ingles). De las sub familias anteriormente mencionadas, se ha encontrado un mayor número de acuaporinas PIPs las cuales hasta el momento son las más estudiadas junto con las TIPs. Las subfamilias pueden ser divididas en subgrupos basándose en la secuencia de nucleótidos de sus genes y en la similitud de sus secuencias de aminoácidos. Las acuaporinas PIPs son divididas en dos subgrupos denominados PIP1 y PIP2, mientras que las acuaporinas TIP son divididas en 5 subgrupos denominados TIP1, TIP2, TIP3, TIP4 y TIP5. Finalmente, los subgrupos se presentan en distintas isoformas, las cuales se pueden representar de la siguiente forma: PIP1;1, PIP1;2, PIP1;3, etc
- Las acuaporinas se encuentran ensambladas en las membranas que las contienen como homo- o hetero-tetrámeros, en los que cada monómero constituye un canal funcional.
- Cada monómero está constituido por seis dominios transmembranales con las terminaciones carboxilo y amino del lado del citoplasma. La mitad de las secuencias amino y carboxilo terminales son similares. Los dominios transmembranales están ligados por cinco lazos denominados A, B, C, D y E; de los que B y D se encuentran en la superficie interna de la membrana (hacia el citoplasma) mientras que los lazos A, C y E se encuentran en la superficie externa de la membrana.
- Las acuaporinas son proteínas de 21 a 34 KDa de tamaño. Estas proteínas se diferencian entre sí, por su secuencia de aminoácidos lo cual permite una diferencia del tamaño de poro de las acuaporinas, que influye directamente en el tipo de molécula(s) que pueden ser transportadas a través de dichas proteínas. El poro central de las acuaporinas es delimitado por los dominios transmembranales y los lazos hidrofóbicos B y E, que contienen una región conservada de tres aminoácidos, que son Asparagina-Prolina-Alanina, por lo que a dicha región se le denomina motif NPA. Estas regiones NPA son, quizás, la parte más importante en la estructura de las acuaporinas, ya que son determinantes en la permeabilidad selectiva del agua, a través de estas proteínas. Además, se ha encontrado, que también son determinantes para el anclaje de algunas acuaporinas en la membrana plasmática.
- Otra región importante en la selectividad de las acuaporinas es constituida por 4 residuos de aminoácidos, entre los que se encuentran residuos de aminoácidos aromáticos y uno residuo de arginina, por lo que se denomina motif Ar/R. En los motifs Ar/R, el residuo de arginina funciona como un sitio electrostático de repulsión de protones, lo que hace a las acuaporinas impermeables a estos sustratos.
- Se ha determinado que, en PIPs, el residuo de histidina 193 en el lazo D es muy conservado y actúa en el mecanismo de apertura y cierre de estas acuaporinas. En el caso del cierre de las acuaporinas PIPs, se ha encontrado que la protonación del residuo His193 promueve su interacción con un residuo ácido (Asp28) de la terminación amino de la proteína; lo anterior provoca un cambio conformacional en el lazo D de la acuaporina promoviendo el cierre del poro, mientras que en el caso de la apertura de las acuaporinas PIPs, el residuo de His193 se encuentra desprotonado. Otras forma de permitir la apertura del poro acuaporínico PIP, aún con la protonación del residuo de His193, es mediante la fosforilación del residuo Ser 115 en el lazo B. El diámetro del poro de acuaporinas, que transportan otras moléculas como el glicerol, es mayor en tamaño, además de contener un mayor contenido residuos de aminoácidos hidrofóbicos.
- Algunos estudios recientes indican que la localización intracelular de las acuaporinas es dirigida por un amplio rango de factores, entre los cuales se puede encontrar regiones conservadas denominadas motifs, modificaciones postraduccionales, interacciones puentes de hidrógeno e interacciones proteína-proteína. En primer lugar, al mismo tiempo que las acuaporinas son producidas, estas son insertadas en el retículo endoplásmico, sufriendo modificaciones a través de la ruta secretora, que implica ser exportadas hacia el aparato de Golgi por vesículas COPII, posteriormente hacia la cara trans del mismo aparato de Golgi y, finalmente hacia su destino final que comúnmente implica la membrana citoplasmática y el tonoplasto. Algunos experimentos han demostrado que PIP1 no es transportada a la membrana citoplasmática si no existe la presencia de PIP2, quedándose en el retículo endoplásmico, lo cual significa que PIP1 carece de un sistema de señalización para su transporte o es inestable sin la presencia de PIP2. Cuando se han realizado estos experimentos en los que PIP2 queda en el retículo endoplásmico o es inhibida su expresión, se reduce la conductividad hidráulica de las raíces de un 36 a un 45 %. Las acuaporinas PIPs, también tienen un mecanismo de movilidad lateral a través de las membranas que las contienen, el cual en el caso de la membrana citoplasmática, el movimiento al parecer es restringido de manera mecánica por la pared celular; esto quiere decir que, las acuaporinas con mayor longitud de sus lazo de la cara externa de la membrana citoplasmática, obtendrán mayor restricción en su movimiento lateral. En condiciones idóneas, se ha encontrado que las acuaporinas PIPs manifiestan una constante recirculación desde el aparato de Golgi a la membrana citoplasmática y viceversa, lo cual aún no se ha descubierto el porqué de este proceso; probablemente este sea un mecanismo de reparación, ya que se ha observado que durante una exposición a estrés salino, este mecanismo de recirculación es incrementado. En el caso de las acuaporinas TIP, se ha encontrado dentro de las investigaciones realizadas que, al parecer, existen dos mecanismos de transporte de estas proteínas, hacia las vacuolas que las contienen: en el primer mecanismo, la proteína sigue su proceso postraduccional, a través del retículo endoplásmico y posteriormente pasa hacia al aparato de Golgi, para finalmente dirigirse hacia la vacuola; mientras que el segundo mecanismo de transporte es independiente del paso por el aparato de Golgi, esto quiere decir que algunas acuaporinas TIP, pasan directamente del retículo endoplásmico a la vacuola.
- El sistema de señalización que tiene PIP para abandonar el retículo endoplásmico y con ello continuar con su ruta hasta su ubicación final, implica secuencias primarias conocidas como motifs diacídicos en el sitio amino terminal, los cuales contienen dos residuos de aminoácidos ácidos, separados por un residuo indeterminado, expresándose como la secuencia DXE (ácido aspártico-X-ácido glutámico) o bien EXD (ácido glutámico-X-ácido aspártico). Estas secuencias diacídicas pueden servir de señal para COPII, que es el componente de transporte del retículo endoplásmico hacia el aparato de Golgi. Posteriormente, se ha identificado, que para el traslado anterógrado de las acuaporinas PIP en la ruta secretora, es necesario que dichas proteínas contengan en su sección transmembrana 3, los residuos de leucina en la posición 127 y alanina en la posición 131, lo cual es representado como la región LXXXA. La fosforilación de las acuaporinas PIP2, también está implicada en el transporte de estas proteínas desde el retículo endoplásmico hasta la membrana. Se ha demostrado que la fosforilación en el residuo de serina 283 es necesario para que se realice el transporte de las acuaporinas PIP2, mientras que la fosforilación en el residuo 280 no tiene afecto sobre este proceso.
- Otro mecanismo de regulación de la localización de las acuaporinas PIPs es su interacción con factores proteicos SNAREs (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor protein atachment protein receptor, por sus siglas en ingles), los cuales son una familia de proteínas que regulan la fusión de vesículas en el sistema endomembrana. Las proteínas SNAREs se encuentras ligadas tanto a la vesícula transportadora, como a la membrana a la que va dirigida la vesícula; ambas proteínas interactúan formando una estructura hidrofóbica y con ello lograr la fusión de ambas membranas. Se ha observado que con el bloqueo de la acción de proteínas SNAREs, como la SYP 121, se reduce la cantidad de ZmPIP2;5, además de observarse una interacción directa entre ambas proteínas, con lo cual se manifiesta la interacción SYP121-PIP2 para el anclaje de PIP2 en la membrana citoplasmática. Otra proteína SNAREs identificada en la participación del transporte de acuaporinas es la SYP61, ya que se ha demostrado su interacción con acuaporinas PIP2 y también la formación de complejos con SYP121. Al parecer, SYP 121 se encuentra principalmente en la membrana citoplasmática, mientras que la proteína SYP 61 se encuentra predominantemente en endosomas, por lo que se sugiere que un segundo mecanismo de transporte en el que en lugar de interactuar proteínas SYP121 solamente, se realiza una interacción SYP61 desde la vesícula, con SYP121 de la membrana citoplasmática para crear la fusión de las membranas, y con ello el anclaje de las acuaporinas PIP2.
- La expresión de ciertas acuaporinas es específica en diversos tipos de células y órganos vegetales; sin embargo, su expresión es regulada por diversos factores ambientales, entre los que destaca la luz. Se ha encontrado en diferentes especies, que al amanecer, incrementa la expresión de acuaporinas con una cantidad máxima alrededor de las 3 a 4 horas posteriores al amanecer, con un decremento al mínimo poco antes de oscurecer el día. Se ha reportado que en el caso del nogal, la conductividad hidráulica de las hojas es baja durante la noche; sin embargo, durante el día, la conductividad hidráulica incrementa hasta en un 400%. Se ha demostrado, que la conductividad hidráulica del nogal, es dependiente de la expresión de acuaporinas PIP2;1 y PIP2;2 y no asociada a la apertura y cierre de los estomas. En este caso, se encontró, que, la expresión de dichas acuaporinas está directamente correlacionada con la radiación solar y la temperatura. Por lo tanto, la expresión y actividad de las acuaporinas en nogal mantienen un ritmo circadiano, en el que, a mayor temperatura, es más rápido el incremento de la expresión de acuaporinas en respuesta a la luz, llegando a su máxima expresión en un tiempo más corto de exposición a la radiación solar.
- El agua es un componente esencial en la vida de cualquier organismo, en especial en las plantas; no solo porque es el medio de transporte de los elementos necesarios para la vida, sino porque también es un termorregulador de las células y proporciona el turgor de las mismas. El flujo del agua a través de la membrana de las células vegetales es regulado principalmente por dos mecanismos, los cuales implican en primer lugar, la cantidad de acuaporinas en las membranas y en segundo lugar la actividad de las mismas proteínas; sin embargo, la presencia de diversos agentes que promueven la oxidación de las membranas tales como nitratos y sulfatos, provocan una reducción en el transporte del agua ya que también afectan directamente la actividad acuaporínica. El bloqueo de las acuaporinas puede llegar a reducir entre un 30 y 90 % de la conductividad hidráulica de la raíz. Para evitar esto, se requiere de agentes que provoquen un efecto reversible a los daños causados por nitrato y sulfatos; tal es el caso del níquel, en balance con selenio, titanio y zinc; el cual despolariza la membrana sosteniendo el equilibrio iónico Gibbs-Donnan y el transporte vacuolar, en especial en condiciones extremas de temperatura, ya que se evita la coagulación intravascular diseminada en cambium, con el consecuente bloqueo acropetálico de los nutrientes. La velocidad de la germinación de las semillas es dependiente de la cantidad de agua que esta pueda adquirir, lo cual está directamente correlacionado con la expresión de acuaporinas en esta etapa de desarrollo, especialmente con PIPs. También existe la expresión específica de algunas acuaporinas en células vasculares, las cuales, se sugiere, participan en el transporte de sabia a través de los diferentes órganos de la planta. La expresión del promotor de TIP1;1 ha sido asociado con el alargamiento de raíces hipocotilos y hojas, obteniéndose una acumulación de los transcritos mediante la acción de la hormona de crecimiento ácido giberélico, asociada a la Ribofuranosilzeatina en relación al balance de níquel, selenio y titanio.
- El nitrógeno es un elemento esencial en el desarrollo de las plantas, por lo que es uno de los elementos más utilizados en la nutrición. Las acuaporinas PIPs, TIPs y NIPs participan en el transporte de compuestos nitrogenado como el amoniaco. Otro gas transportado por las acuaporinas es el dióxido de carbono en tanto en la membrana citoplasmática como en la membrana de los cloroplastos, por lo que influyen directamente en los procesos de fotosíntesis. Además del calcio, el boro es indispensable para el desarrollo de la pared celular, por lo que las deficiencias de este elemento muestran una reducción significativa del crecimiento de tallos y raíces, así como la formación de flores. Dichas deficiencias muestran una sobreexpresión de acuaporinas NIPs que tienen la propiedad de transportar este elemento a través de las raíces para el desarrollo óptimo de la planta. También se ha demostrado que la expresión de la acuaporina PIP1 puede incrementar la obtención de boro en un 30 %. las deficiencias de boro provocan la inhibición de la síntesis de ARN (ácido ribonucleico) y ADN (ácido desoxirribonucleico), con lo cual también se obtiene una falta de elongación normal en la punta de las raíces e inhibición de la división celular en el ápice del tallo y hojas jóvenes También el silicio es transportado por algunas acuaporinas, el cual es un elemento indispensables para mejorar las defensas de las plantas ante el ataque de diversos patógenos. Finalmente, algunas acuaporinas TIPs tienen la capacidad de transportar glicerol, compuesto base para la estructura de los fosfolípidos de las membranas; se ha reportado que una inhibición en estas acuaporinas, presentan una reducción significativa en el crecimiento de las raíces.
- Las acuaporinas son afectadas por diversos tipos de estrés, como lo es las deficiencias de algunos nutrientes necesarios para el desarrollo de las plantas; por ejemplo, las deficiencias de nitrógeno, fósforo o azufre, provocan una reducción del transporte del agua en las raíces. La reducción del transporte de agua por la deficiencia de los elementos anteriormente mencionados es reversible, sin embrago, este proceso puede llegar a demorar hasta más de 24 horas, con lo que la planta puede mantener daños irreversibles durante el proceso de deshidratación. El estrés por frío provoca una reducción en el flujo de sabia y la conductividad hidráulica en las raíces en poco tiempo, así como también promueve la reducción de la conductividad hidráulica de las hojas de nogal, lo cual conlleva a problemas de hidratación y transporte de solutos en toda la planta. Lo anterior ha sido relacionado con una reducción en la transcripción de acuaporinas PIPs y con cambios postranscripcionales que merman su actividad, lo cual al parecer es mediado por radicales libres producidos durante este tipo de estrés, los cuales pueden llegar a dañar directamente el ADN o a las acuaporinas modificando su estructura y con ello su actividad. La anoxia (ausencia de oxígeno) provocada por inundaciones, riego excesivo y/o compactación de los suelos provocada comúnmente por las diversas actividades agrícolas, es una de las causa principales de estrés en los cultivos. La anoxia promueve una reducción en el pH de las células radiculares que con la aplicación de ácidos se vuelve más severo; esta reducción del pH provoca una reducción de la conductividad hidráulica en las raíces lo cual ha sido asociado al cierre de las acuaporinas PIP provocado por el exceso de protones en el citoplasma.
- La salinidad es el principal problema de estrés en los cultivos, siendo uno de los factores más severos al limitar a las plantas de la obtención de agua y nutrientes, que provoca un déficit en el crecimiento y producción. La salinidad del suelo y los riegos provoca una reducción significativa en la conductividad hidráulica de las células vegetales debido a diversas causas, entre las que se encuentra la regulación genética y directamente en la actividad de las acuaporinas. Se ha demostrado que la salinidad puede provocar una reducción en la transcripción de las principales acuaporinas TIPs y PIPs hasta en un 60 a 70% en pocas horas. También se ha observado una redistribución de las acuaporinas durante los efectos del estrés salino; por ejemplo, las TIPs se colocan en invaginaciones producidas en las vacuolas mientras que las PIPs se encuentran en estructuras intracelulares, se inhibe su traslado hacia la membrana citoplasmática e incluso, algunas acuaporinas llegan a ser degradadas en proteosomas.
- En la mayoría de las plantas, las raíces tienen que excluir hasta un 98 % de las sal presente en el suelo, permitiendo el transporte de solo el 2 % (Munns, 2005). En el caso de los iones Na+, estos entran pasivamente a la célula y salen mediante un impulso secundario de protones de sodio con una estequiometría probable Na+:H+ 1:1 (Shi et al., 2002), proceso en el que se requiere una alta demanda de energía; por lo que en condiciones de estrés por agua y en presencia de salinidad, la adaptación mediante mecanismos fisiológicos son dirigidos a optimizar el estado energético y reducir la acumulación de tóxicos y otros productos que dañan la integridad de la membrana (Abenavoli et al., 2012). El problema se vuelve más fuerte aun, debido a que impulsado por la transpiración del tallo de la planta, la solución de los suelos salinos se mueve desde la gran masa de suelo hacia la superficie de las raíces donde ocurre la obtención de agua, pero la mayoría de los iones son excluidos; consecuentemente, la rizosfera puede llegar a ser hasta 15 veces más salina que el resto del suelo y este gradiente es también más expresado bajo condiciones de una alta evapotranspiración (Abenavoli et al., 2012) como lo es el caso del nogal (Andales et al., 2006; Wang et al., 2007). Esta acumulación de sales en la rizosfera también provoca que la humedad sea retenida con más energía por el suelo dificultando su movilidad hacia las raíces de los árboles. Las plantas adquieren una limitación de nutrientes debido a los efectos de la salinidad, incluso en situaciones donde los nutrientes no se encuentran limitados en el suelo. Los nutrientes comúnmente limitados son el cobre, hierro, manganeso y zinc porque estos elementos son poco solubles en suelos salinos o alcalinos; además, de que también se han mostrado limitaciones de potasio, calcio, magnesio y fósforo (Orcutt y Nilsen, 2000).
- En el caso del calcio, sus deficiencias promueven una reducción en la transcripción de las acuaporinas, obteniendo con ello una reducción de la densidad de las mismas en las membranas que promueven un menor transporte de los diferentes componentes que mueven estas proteínas. Las deficiencias de calcio son comunes cuando el ratio Na/Ca es elevado en el agua del suelo. Los iones de sodio compiten con los iones del calcio por los sitios de enlace con las membranas disminuyendo su obtención. Existe evidencia de que los problemas provocados por salinidad, pueden ser disminuidos por calcio. Se ha observado que al aplicar cloruro de calcio durante un estrés salino que reduce la cantidad de acuaporinas PIPs, la cantidad de estas proteínas se ve restablecido en un porcentaje considerable. Sin embargo, cuando a las células vegetales se les aplica KCl y CaCl2 se manifiesta una reducción de hasta 4 veces la conductividad hidráulica de la célula comparado con células control debido a efectos adversos en la actividad acuaorínica. En contraste, se ha presentado un incremento de hasta dos veces la conductividad hidráulica de la célula cuando los iones de cloro son sustituidos. Por lo tanto, los iones Cl- provocan efectos deletéreos en la producción y actividad de las acuaporinas
- Lo anterior se ha evitado mediante el uso de calcio coloidal el cual actúa mediante una cascada de quinasas para la producción y activación de acuaporinas, que promueven la activación de clamodulinas, las cuales, en conjunto con tetra péptidos activos de cisteína-glicina-prolina-cisteína, continúan una cascada de señales a través de ferredoxina y epimerasas, en conjunto con un sinergismo de los elementos N, P, K, Ca, B, Zn, Mg y Fe para promover la producción y estabilización de tubulinas. Por lo que, además de restablecer el transporte de agua y obtención de nutrientes, se favorece la estructura producción de nuevas células (crecimiento y producción) (Lightbourn Rojas, et Al, 2014)