Doi: http://dx.doi.org/10.17584/rcch.2016v10i1.4189
El estrés por boro afecta la fotosíntesis y el metabolismo de pigmentos en plantas. Una revisión
Boron stress affects photosynthesis and metabolism of plant pigments. A review
DARWIN MORENO-ECHEVERRY1, 4, IVONNE A. QUIROGA1, HELBER ENRIQUE BALAGUERA-LÓPEZ2, STANISLAV MAGNITSKIY3
1 Facultad de Ciencias Agrarias, Programa de Maestría en Ciencias Agrarias, Grupo de Investigación Horticultura, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá (Colombia).
2 Facultad de Ciencias Básicas, Programa de Biología, Universidad El Bosque, Bogotá (Colombia) / Grupo de Investigaciones Agrícolas, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Tunja (Colombia). ]]>
Fecha de recepción: 15-12-2015 Aprobado para publicación: 14-05-2016
RESUMEN
El estrés causado por deficiencia o toxicidad de boro es común en plantas cultivadas. En la actualidad, el papel del boro en la fotosíntesis y sus efectos en el metabolismo de pigmentos es desconocido. La fotosíntesis puede presentar limitación estomática, debido a la disminución en el intercambio gaseoso; y limitación no estomática, que se caracteriza por disminuciones en la actividad de enzimas relacionadas con el ciclo de Calvin y alteraciones en parámetros de la fluorescencia de la clorofila a, debido al desacople generado entre las fases foto y síntesis de la fotosíntesis, propiciando un aumento en los contenidos de especies reactivas de oxígeno que afectan negativamente algunas moléculas, estructuras celulares y la eficiencia fotosintética. Así mismo se presenta una alteración a nivel del metabolismo de pigmentos, tales como la composición de clorofila a, b y total, así como la concentración de otros pigmentos como carotenoides, los cuales están implicados en la tolerancia de plantas a diferentes condiciones de estrés, variando en su expresión de acuerdo a la especie y al estado fenológico de la misma.
Palabras clave adicionales: fluorescencia de clorofila, ciclo de Calvin, nutrición mineral, carotenoides, especies reactivas de oxígeno.
ABSTRACT
Stress due to the deficiency and toxicity of boron is common in crop plants. Currently, the role of boron in photosynthesis and its effects on pigment metabolism are unknown. Photosynthesis can present stomatal limitations due to a decrease in gas exchange and non-stomatal limitations, characterized by decreases in the activity of enzymes of the Calvin cycle and alterations in chlorophyll fluorescence due to the decoupling generated between the photo phase and synthesis phase of photosynthesis, promoting contents that increase reactive oxygen species that negatively affect some molecules, cellular structures, and photosynthetic efficiency. Likewise, an alteration of the pigment metabolism occurs, changing the composition of a, b, and total chlorophylls, as well as the concentration of other pigments, such as carotenoids, involved in the tolerance of plants to various stress conditions, varying their expression according to the species and phenological stage.
Additional keywords: chlorophyll fluorescence, Calvin cycle, mineral nutrition, carotenoids, reactive oxygen species.
INTRODUCCIÓN
]]> El boro (B) es un elemento químico metaloide perteneciente al grupo 13 de la tabla periódica (Guidon et al., 2014). Se considera como un micronutriente esencial para las plantas (Broadley et al., 2012). En la solución del suelo, el B se encuentra en forma de ácido bórico (B(OH)3) altamente soluble en condiciones de pH entre 5,5 y 7,5, por lo cual puede ser lixiviado y perderse del suelo en zonas lluviosas (Camacho et al., 2008). En este sentido, la disponibilidad de B en los suelos de muchas regiones del mundo es limitada, por lo que es frecuente que se presenten síntomas de deficiencia en las plantas (Tanaka y Fujiwara, 2008). Sin embargo, en algunos suelos el B se encuentra en niveles tóxicos, principalmente en suelos regados con agua rica en B, en suelos con mal drenaje y en suelos de regiones áridas y semiáridas donde este nutriente es acumulado como depósito natural (Landi et al., 2013a).El B(OH)3 representa cerca de 10% del total del B en el suelo (Bariya et al., 2014) y es la principal forma en que las plantas absorben este elemento (Tanaka y Fujiwara, 2008). En la planta, el B libre se encuentra en forma de ácido bórico, mientras que en el citoplasma (pH 7,5) cierta cantidad del B libre está en forma de tetrahidroxiborato (B(OH)4-) (Broadley et al., 2012). Durante mucho tiempo se consideró que el B(OH)3 era transportado a través de membranas celulares en la planta por un mecanismo de transporte pasivo (difusión simple) (Brown y Shelp, 1997; Miwa y Fujiwara, 2010), debido a su alto coeficiente teórico de permeabilidad (8×10-6 cm s-1) en las células vegetales (Takano et al., 2008), sin embargo, se comprobó a nivel experimental, que la permeabilidad en realidad es más baja (4,4×10-7 cm s-1) (Stangoulis et al., 2001), por lo cual se concluyó que existen otros mecanismos de transporte diferentes a la difusión simple, que funcionan dependiendo de las condiciones de B en el suelo (Tanaka y Fujiwara, 2008). Así, la difusión simple funciona bajo condiciones normales, mientras que bajo condiciones de deficiencia se pueden presentar el transporte por difusión facilitada a través de canales N1Ps y también el transporte activo por transportadores BOR1 (Takano et al., 2002; Takano et al., 2008; Wimmer y Eichert, 2013; Reid et al., 2014).
El B después de ser cargado al xilema, se transporta a otras partes de la planta por la corriente transpiratoria (Blevins y Lukaszewski, 1998; Tanaka y Fujiwara, 2008). Anteriormente se consideraba que el B era inmóvil en el floema (Blevins y Lukaszewsk, 1998), sin embargo, estudios recientes han demostrado que algunas plantas que producen altas cantidades de azúcares alcoholes, como sorbitol, manitol y dulcitol pueden movilizar el B a través del floema (Tanaka y Fujiwara, 2008; Lehto et al., 2010), debido a que el ácido bórico forma complejos 11B-Poliol" con compuestos biológicos que tienen grupos hidroxilo en configuración Cis (Cis-dioles), los cuales son móviles en floema (Papadaskis et al., 2004; Camacho et al., 2008; Broadley et al., 2012). Con base en lo anterior, la movilidad del B varía dependiendo de la especie de planta, de tal forma que existen plantas con alta movilidad (tolerantes a la deficiencia) y otras con movilidad restringida (susceptibles) (Brown y Shelp, 1997; Ozturk et al., 2010). Además, la sensibilidad de las plantas a la deficiencia o toxicidad de B, también varía con la edad de la planta, siendo la etapa reproductiva la de mayor sensibilidad (Ahmad et al., 2009); adicionalmente, la capacidad de la planta para desplegar mecanismos para disminuir el efecto del estrés por B varía de acuerdo a la especie (Landi et al., 2013a).
El B ejerce un papel importante a nivel fisiológico y bioquímico sobre el crecimiento y desarrollo de las plantas (Ahmad et al., 2009). La principal función del B es como componente estructural de la pared celular, debido a la formación de enlaces con moléculas de ramnogalacturonano II (B-RG-11) (Botta et al., 2007; Takano et al., 2008; Kobayashi et al., 2011). Se ha reportado que más del 90% del B en la planta está localizado en las paredes celulares (Ahmad et al., 2009). No obstante, su función es la menos comprendida entre todos los nutrientes y las funciones que se le han atribuido parten de estudios de deficiencia o toxicidad del elemento, en los cuales se genera un 11efecto de cascada" (Reid et al., 2004; Broadley et al., 2012) que afecta diferentes procesos como: desarrollo de semillas y frutos (Ahmad et al., 2009; Agustí, 2013); división y elongación celular (Botta et al., 2007; Ozturk et al., 2010); crecimiento del tubo polínico (Blevins y Lukaszewsk, 1998); transporte y metabolismo de azúcares (Bogiani et al., 2013); síntesis de fenoles y de algunas hormonas, como acido índolacético (Ahmad et al., 2009); metabolismo de ARN, respiración (Broadley et al., 2012); fotosíntesis (Han et al., 2008) y en general, en el crecimiento de plantas (Wimmer y Eichert, 2013). Por tanto, el objetivo fue revisar el estado del arte de los efectos del estrés por B en la fotosíntesis y la síntesis de compuestos antioxidantes.
EL BORO EN LA FOTOSÍNTESIS
El papel del B en la fotosíntesis no está aún bien definido y los efectos de la deficiencia o toxicidad asociados a este proceso son considerados complejos de naturaleza secundaria (Goldbach y Wimmer, 2007), es decir, que el B al parecer no participa directamente en el proceso de fotosíntesis. En general, la deficiencia y toxicidad por B disminuyen la fotosíntesis en diversas plantas como: algodón (Bogiani et al., 2013), cucurbitáceas (Landi et al., 2013a), albahaca (Landi et al., 2013b), té (Mukhopadhyay et al., 2013), cítricos (Han et al., 2008; Sheng et al., 2009), kiwi (Sotiropoulos et al., 2002) y palma de coco (Pinho et al., 2010). Por el contrario, en Dittrichia viscosa (Asteraceae), la deficiencia de B no tuvo ningún efecto en la fotosíntesis, pero sí disminuyó el crecimiento (Stavrianakou et al., 2006), lo que confirma que los efectos del B en la fotosíntesis no se presentan de manera directa, sino que son el resultado de una serie de alteraciones en otros procesos bioquímicos y fisiológicos (Broadley et al., 2012).
En condiciones de deficiencia, se ha reportado la acumulación de almidón y en toxicidad menor actividad de enzimas fotosintéticas, así como la alteración en la capacidad de transporte de electrones (Landi et al., 2013a). Concordando con Guidi et al. (2011), quienes afirman que las plantas con exceso de B presentan menor estabilidad en el fotosistema II (PSII), y por lo tanto, menor intercambio de energía entre sus unidades. Sin embargo, el mecanismo por el cual la deficiencia o toxicidad por B afecta la fotosíntesis no se ha dilucidado completamente (Chen et al., 2009), recientes estudios han reportado que incluye limitaciones estomáticas y no estomáticas (Sheng et al., 2009; Bogiani et al., 2013).
Boro y limitaciones estomáticas de la fotosíntesis
El B afecta el intercambio gaseoso (Pinho et al., 2010), por ejemplo, se ha reportado que la deficiencia o toxicidad por B disminuyen la conductancia estomática (gs), transpiración (E) y fotosíntesis neta (Pn), especialmente en hojas jóvenes (Bogiani et al., 2013; Landi et al., 2013b; Mukhopadhyay et al., 2013). Al parecer existen diferencias en la magnitud de la disminución de los anteriores parámetros entre la deficiencia y toxicidad. Bajo condiciones de deficiencia de B, se reportó que la gs se disminuye entre 35%, 45% y 47%; mientras que la Pn se disminuye entre 55%, 34% y 78% en plántulas de té (Mukhopadhyay et al., 2013), palma de coco (Pinho et al., 2010) y naranja (Han et al., 2008; Han et al., 2009), respectivamente. Por su parte, bajo condiciones de toxicidad (>100 ¡.M en la solución de suelo), la Pn se disminuye entre 17% en Cucurbita peppo (Landi et al., 2013b), 21% a 27% en mandarina (Papadaskis et al., 2004) y 33% en cebada (Reid et al., 2004). Lo anterior sugiere que la Pn es más sensible a condiciones de deficiencia de B que a condiciones de toxicidad.
La disminución de la gs correlaciona positivamente con la reducción de la Pn, sin embargo, el mecanismo por el cual la deficiencia o toxicidad por B disminuye la gs, no se ha dilucidado completamente, pero puede estar relacionado con la inducción del cierre estomático (Landi et al., 2013a; Landi et al., 2013b). En este sentido, bajo condiciones de deficiencia de B, se ha reportado que los daños inducidos en las membranas de las células guarda de los estomas afectan el funcionamiento de las bombas de protones (ATPasa/ H+) (Ahmad et al., 2009; Broadley et al., 2012), ocasionando la disminución en la absorción de K+ y favoreciendo la salida pasiva de K+ de células guarda de los estomas (Wimmer y Eichert, 2013). Además, Bogiani et al. (2013) encontraron que la deficiencia de B disminuye la densidad de estomas y afecta el funcionamiento de los mismos, debido a la acumulación de azúcares en ellos Boro y limitaciones no estomáticas de la fotosíntesis
]]> La concentración intercelular de CO2 (Ci) incrementa bajo condiciones de deficiencia y toxicidad de B, lo que sugiere que la disminución de la Pn también se debe a limitaciones no estomáticas (Han et al., 2008; Sheng et al., 2009; Bogiani et al., 2013), probablemente por alteración en varios procesos como: daño en membranas; alteración en la actividad de enzimas involucradas en la fotosíntesis; acumulación de hexosas y almidón en hojas; daños en la estructura de los cloroplastos, alteración en la eficiencia fotosintética, daño en el aparato fotosintético, entre otros. En este sentido, los daños en las membranas celulares ocasionados por la deficiencia de B afectan a las proteínas que participan en la fotosíntesis (Pinho et al., 2010), adicionalmente, se ha reportado que la deficiencia y toxicidad de B disminuyen significativamente las actividades de las enzimas Rubisco (71%-85% de disminución), NADP-GAPDH (~90%) y FBPasa del estroma (~73%), sin presentarse diferencias entre la deficiencia y la toxicidad (Han et al., 2008; Han et al., 2009).Además, Chen et al. (2014) demostraron con estudios de proteómica, que la deficiencia y la toxicidad por B afectan negativamente a las proteínas involucradas con las reacciones de luz (OEC23 (Oxygen evolving complex-23 protein of Photosystem II), PSI RC2-1 (photosystem II reaction-center subunit II-1) y subunidad __de H+-ATPasa), así como algunas relacionadas con la fijación de CO2 (Rubisco activasa y FBP aldolasa) de la fotosíntesis en Arabidopsis thaliana. Mishra et al. (2009) encontraron que durante los primeros 5 días de estrés por deficiencia de B, la concentración de Rubisco, las actividades de Rubisco activasa y OEC23 no cambiaron significativamente con respecto a plantas con suficiencia de B, a pesar de que la Pn se disminuyó, indicando la importancia de otros factores en la disminución de la fotosíntesis bajo deficiencia de este nutriente.
El mecanismo por el cual el estrés por B afecta a las enzimas que participan en la fotosíntesis es desconocido, sin embargo, puede estar relacionado con la acumulación de hexosas (glucosa y fructosa) y la disminución en la translocación de fotoasimilados en las hojas de las plantas con deficiencia de B (Zhao y Oosterhui, 2002; Bariya et al., 2004; Han et al., 2008), las cuales llevan a la disminución de la expresión de genes que codifican para enzimas de la fotosíntesis (Krapp et al., 1993). En tabaco se demostró que niveles altos de glucosa (4,5 mmol m-2) en la hoja inhiben la expresión de algunos genes relacionados con fotosíntesis (Herbers et al., 1996), además se ha reportado que la acumulación de glucosa en hojas de naranja deficientes de B es de 9 mmol m-2 (Han et al., 2008). La acumulación de glucosa está relacionada con el aumento de la actividad de la enzima invertasa (INV), superando la capacidad de la enzima hexoquinasa (HXK) para fosforilar hexosas, con lo cual se desencadena una retroalimentación negativa del ciclo de Calvin (Sheen, 1994; Rolland et al., 2006). En este sentido, Han et al. (2008) y Han et al. (2009) encontraron que la actividad de INV en hojas de cítricos se aumenta en mayor proporción en condiciones de exceso de B (3,5 veces) que en deficiencia (2 veces) con respecto al control.
Por otro lado, se ha reportado que bajo deficiencia de B además de la acumulación de hexosas, también se aumenta la acumulación de almidón en los cloroplastos, afectando negativamente la ultra-estructura y función de los mismos (Han et al., 2008; Han et al., 2009; Wimmer y Eichert, 2013). Además, la deficiencia y el exceso de B disminuyen el contenido de clorofilas, la relación Chl a/Chl b, y el contenido de carotenoides en diferentes especies, con lo cual se disminuye la capacidad fotosintética de la planta (Pinho et al., 2010; Mukhopadhyay et al., 2013; Landi et al., 2013b). La relación de clorofilas se puede ver reducida según Horn et al. (2007) por un aumento en el contenido de la clorofila b en plantas con toxicidad por B, sugiriendo una pérdida diferencial de los centros de reacción y de las proteínas de la antena captadora de luz.
Adicionalmente, se ha reportado que los daños celulares como consecuencia de la deficiencia o toxicidad por B, como: disminución de la expansión foliar, daños en membranas, clorosis y necrosis, causan reducción significativa de la fotosíntesis (Reid et al., 2004; Pinho et al., 2010). Finalmente, se ha reportado una alteración de la fluorescencia de la clorofila a bajo condiciones de estrés por B (Han et al., 2009; Guidi et al., 2011).
Boro y fluorescencia de la clorofila a
La fluorescencia de la clorofila a genera una aproximación del desempeño y del estado del aparato fotosintético a nivel del PSII. Por medio de la cinética de Kautsky, la cual es una curva de inducción de fluorescencia que consiste en dos fases, la rápida (OJIP) la cual relaciona principalmente los eventos primarios del PSII, que incluye la óxido-reducción de los aceptores y donadores de electrones (QA, QB y PO); y la fase lenta (PSMT), asociada con interacciones entre procesos de las membranas de los tilacoides y procesos metabólicos en el estroma del cloroplasto, se puede evidenciar alteraciones en la respuesta fotosintética de las plantas (Maxwell y Johnson, 2000; Baker, 2008; González et al., 2008). En la fase rápida de la curva se encuentra un pico K el cual es considerado como el resultado de la inhibición en la donación de electrones desde el agua al aceptor secundario de electrones del PSII, debido posiblemente a una inactivación del complejo productor de oxígeno (OEC), resultado de la liberación del ion manganeso desde este complejo; siendo la amplitud del pico K un indicador específico del daño en OEC. Han et al. (2009) han reportado un pico K pronunciado para plantas con exceso de B y en menor proporción para plantas con deficiencia de este nutriente, concordando con Mukhopadhyay et al. (2013), quienes afirman que la disminución de la fotosíntesis por deficiencia de B puede deberse a limitaciones en la reacción de Hill, limitando la fotólisis del agua y la posterior liberación de oxígeno, lo que altera el flujo de electrones en los aceptores del PSII.
Se ha sugerido que la amplitud de la fase I-P es una medida de la cantidad de aceptores finales reducidos al sitio aceptor del PSI, representando esta fase el último paso y el más lento limitante de la cadena transportadora de electrones fotosintético (Han et al., 2009). Estos investigadores aseguran que la fase I-P que va desde fluorescencia a los 30 milisegundos (F30ms) a fluorescencia máxima (Fm) fue igualmente disminuido tanto por deficiencia como por exceso de B. Por lo tanto, la mayor disminución en la asimilación de CO2 en hojas con deficiencia de B comparado con exceso, no puede ser atribuido a un aumento en la disminución en los aceptores finales reducidos (Han et al., 2009).
Variaciones en los parámetros relacionados con la fluorescencia de la clorofila a se han reportado debido a los diferentes niveles de B en la planta. La eficiencia máxima del PSII (Fv/fm) tiende a disminuir con exceso de B en plantas de Citrus grandis y Ocimum basilicum (Han et al., 2009; Landi et al., 2013b) y este efecto se ve disminuido en plantas de Solanum lycopersicum cuando existen sales presentes en la solución del suelo, las cuales ejercen una función antagonista con el B (Guidi et al., 2011). Sin embargo, Han et al. (2009) reportan que este parámetro disminuye aún más en hojas deficientes que con exceso de B, indicando que el PSII es menos inhibido con exceso de este nutriente; concordando con Papadakis et al. (2004) quienes afirman que este parámetro no se ve afectado con dosis altas de B. Stavrianakou et al. (2006) afirman que con deficiencia no se ve afectado el Fv/fm ni la capacidad fotosintética en plantas de Dittichia viscosa. Por lo tanto, bajo condiciones de estrés por B el Fv/fm puede verse afectado dependiendo de la especie, teniendo en cuenta que este índice es un buen indicador del estado inhibitorio del PSII, debido a que refleja la acumulación de centros de reacción del PSII que no están funcionales (Baker, 2008).
Dentro de las vías de disipación de energía se encuentra el quenching no fotoquímico (qNP), el cual aumenta en plantas con altos contenidos de B, indicando que una mayor proporción de energía se está dirigiendo a la vía de la disipación por calor, esto puede estar relacionado con la protección del aparato fotosintético a partir del ciclo de las zeaxantinas, o por el daño mismo que se genera por los diferentes niveles de fotoinhibición (González et al., 2008; Guidi et al., 2011; Landi et al., 2013). Por otro lado, la disminución del quenching fotoquímico (qP) bajo condiciones de exceso de B, está relacionado con la reducción en el rendimiento cuántico fotoquímico del PSII (<DPSII) debido a una alteración en la proporción de centros de reacción abiertos del PSII (Guidi et al., 2011; Landi et al., 2013a).
]]> Así mismo, la tasa de transporte de electrones (TTE) se ve disminuida tanto en bordes de la hoja de Solanum lycopersicum, como en el centro de la misma cuando los niveles de B son altos, debido posiblemente a la incapacidad para disipar calor (Guidi et al., 2011) y su disminución varía de acuerdo a la severidad en que la concentración de B se encuentre en la planta. También se ha reportado que la TTE se disminuye cuando se presenta una deficiencia de B, afectando consecuentemente la tasa fotosintética (Han et al., 2009). En general, cuando se presenta un estrés por B, se disminuye la apertura u oxidación de los centros de reacción del PSII por la baja reoxidación de la QA, y por tanto, no se produce el ATP y NADPH productos de la cadena trasportadora de electrones, afectando así el Ciclo de Calvin (Guidi et al., 2011).Han et al. (2009) reportaron que la fotoinhibición se identifica con mayor precisión por un aumento en el flujo de energía disipado por el centro de reacción (DI0/RC) y una disminución en la probabilidad de que un exitón atrapado mueva un electrón en la cadena de transporte de electrones más allá de OA (ET0/TR0), que por una disminución en Fv/fm (TR0/ABS). Se ha encontrado que TR0/ABS y ET0/TR0 disminuyeron más con exceso de B que con deficiencia, y DI0/RC incrementa en mayor medida en plantas con exceso de B, indicando una pérdida en la conectividad entre la energía que atrapa la antena pero que no va al centro de reacción, y por lo tanto se disipa (Turán et al., 2014). Adicionalmente, la disminución de TR0/ABS con exceso de B sugiere que los sitios donadores son relativamente más afectados que los sitios aceptores (Turán et al., 2014).
Adicionalmente se logra evidenciar que cuando se presenta un exceso de B se disminuyen diferentes parámetros como: flujo de transporte de electrones (ET0/RC), transportadores totales de electrones (Sm), flujo de energía disipada (DI0/ RC), flujo de absorción (ABS/RC) y el flujo de energía atrapado (TR0/RC). Además, se reducen parámetros como el rendimiento cuántico para el transporte de electrones (ET0/ABS), el rendimiento cuántico para la disipación de la energía (<DO), la fracción de complejos liberadores de oxígeno, el índice de desempeño (PIABS) y el índice de desempeño total (PIABS-Total) (Han et al.,2009; Turán et al., 2014).
Con lo anterior, se puede concluir que el PSII es menos fotoinhibido con la deficiencia de B (Han et al., 2009), siendo la cantidad de PSII activos por sección transversal (RC/CS0) el parámetro más afectado bajo esta condición, debido a un incremento en la fluorescencia mínima (F0). El incremento de F0 genera la reducción de la fluorescencia variable (Fv) y esta se considera que es la característica de inhibición de los aceptores de electrones del PSII, indicando un daño fotoquímico asociado a una pérdida crónica de centros funcionales del PSII (Landi et al., 2013a), a causa de la separación del LHC (Ligth Harvesting Complex) con el complejo básico del fotosistema, generando un daño irreversible del PSII (Turán et al., 2014). En general, Han et al. (2009) concluyeron que los parámetros de fluorescencia de la clorofila a son menos afectados por deficiencia de B que por exceso, indicando que bajas cantidades de B en plantas inhiben menos los aceptores del PSII.
Boro y metabolismo de pigmentos
El contenido de pigmentos en las plantas varía de acuerdo a diferentes limitantes a nivel nutricional y por diferentes condiciones de estrés abiótico (Chutia y Borah, 2012; Giri et al., 2013). Se ha reportado que tanto un exceso como una deficiencia de boro en plantas de tabaco genera una disminución en el contenido de clorofilas totales, disminuyendo las tasas fotosintéticas de la planta debido a la afectación que se da en las reacciones de Hill (Ghanati et al., 2002; Wang et al., 2011). Así mismo, autores como Prabhu y Muthuchenlian (2011) han observado que el porcentaje de disminución del contenido de pigmentos y la disminución en la relación chla/b, es mayor cuando se presenta toxicidad por boro que cuando hay una deficiencia de este micronutriente. Sin embargo, Tewari et al. (2009) registraron que para plantas de mora, la concentración de pigmentos se disminuyó bajo condiciones de deficiencia de boro, pero en toxicidad no se observó una disminución significativa en las concentraciones de clorofila b y carotenoides, siendo la disminución de carotenoides la implicada en la reducción de la relación carotenoides/clorofilas bajo condiciones de deficiencia de boro. Lo anterior difiere a lo reportado por varios autores, ya que según estudios en plantas de caupí y pera, el contenido de carotenoides no se ve afectado por deficiencias o excesos de boro (Prabhu y Muthuchenlian, 2011; Wang et al., 2011).
Con respecto a la deficiencia de boro, el contenido de clorofilas se vio disminuido en plantas de coco, posiblemente debido a una alteración en el sistema de síntesis de clorofila y/o a la actividad de la enzima clorofilasa (Pinho et al., 2010). Se conoce que la falta de este elemento en las plantas reduce la capacidad fotosintética como resultado de la disminución en la actividad de las reacciones de Hill, la baja concentración de CO2 intercelular debido a una disminución en la conductancia estomática, a la menor tasa de transporte de electrones y por supuesto a la reducción de las clorofilas (Zhao y Oosterhuis, 2002). Según Hajiboland y Farhanghi (2010), en plantas de Brassica rapa se ha observado que tanto la disminución de la conductancia estomática, como el bajo contenido de clorofilas presentes en las hojas, generan una fotoinhibición importante en plantas deficientes de boro.
En estudios realizados por Hajiboland et al. (2011a), en plantas de té bajo condiciones de deficiencia de boro, se observó que el contenido de clorofilas totales disminuyó, pero se presenta un ligero aumento de las clorofilas b y los contenidos de carotenoides presentan una tendencia al aumento a medida que las plantas sobreviven con bajas concentraciones de boro. Sin embargo, estos mismos autores en otros estudios han diferenciado la respuesta entre hojas jóvenes y adultas, evidenciando que bajo condiciones de deficiencia de boro en plantas de té, no se afecta la concentración de clorofilas, carotenoides, antocianinas, ni flavonoides en las hojas jóvenes; sin embargo, en hojas adultas se reduce significativamente la relación chla/b y se presenta adicionalmente un aumento en las concentraciones de carotenoides (Hajiboland et al., 2011b). Los carotenoides son pigmentos que juegan un papel fotoprotectivo no solo por la disipación del exceso de energía de las clorofilas en estado triplete, sino también al estar involucrados en el ciclo de las xantofilas (Casierra-Posada, 2007) y su papel protector al cloroplasto de daños fotooxidativos (Archana et al., 2012). Concordando con lo anterior, en estudios realizados por Hajiboland y Farhanghi (2010) en plantas de nabo, se observó que bajo deficiencia de boro se disminuyó la concentración de carotenoides y clorofilas totales, pero se presentó un aumento en el contenido de antocianinas y compuestos fenólicos libres.
Según lo anterior, autores como Archana et al. (2012) reportan que la concentración de carotenoides se disminuye con la deficiencia de boro en diferentes plantas, pero aseguran que la disminución en la relación chl/car en estados tempranos de la deficiencia, puede ser una característica adaptativa para proteger los cloroplastos del daño fotooxidativo, sin embargo en estados tardíos, la relación ch/car se incrementa sugiriendo que los carotenoides se están viendo severamente afectados por la deficiencia de boro (Archana et al., 2012).
Según Archana et al. (2012), en plantas de Catharanthus roseus la concentración de pigmentos fotosintéticos se disminuye bajo condiciones de deficiencia de boro, debido a los cambios que se inducen en la estructura del cloroplasto que podrían causar la disminución en la concentración de clorofilas a y b. Sin embargo, estos mismos autores aseguran que la relación chl a/b disminuye principalmente en los estados más tempranos de la deficiencia, posiblemente debido a que la clorofila a es más afectada que la clorofila b, pero en estados tardíos de deficiencia de boro, se revierte esta relación, indicando que la clorofila b es más sensible que la a, en momentos tardíos de la deficiencia.
]]> Por otro lado, el exceso de boro también altera la composición de pigmentos, debido a la formación de especies reactivas de oxígeno que se producen a través de la clorofila triplete, lo cual puede inducir daños oxidativos, promoviendo la degradación de la clorofila o afectando su biosíntesis (Papadakis et al., 2004). Lo anterior también lo afirman Han et al. (2009), quienes observaron en diferentes estudios que la tasa fotosintética en hojas de cítricos disminuye significativamente cuando las dosis de boro son excesivas, debido a la formación de una gran cantidad de especies reactivas de oxígeno que promueven el daño de las membranas celulares, afectando el metabolismo de la planta.Según autores como Prabhu y Muthuchenlian (2011), bajo condiciones de toxicidad por boro, se incrementa la proporción chl a/b, lo que puede estar involucrado con el cambio en la composición de pigmentos del aparato fotosintético, el cual presentaría una menor cantidad de proteínas clorofílicas cosechadoras de la luz; lo cual ha sido reportado como un mecanismo adaptativo de defensa ante diferentes condiciones adversas para las plantas (Asada, 2006). Sin embargo, en otras especies como la pera y algunas brasicaceas, la relación chl a/b se disminuye a medida que se aumenta las concentraciones de boro en los tejidos (Wang et al., 2011; Archana, 2013).
Diferentes investigaciones han revelado que la toxicidad por boro reduce el contenido de clorofilas a, b, totales y carotenoides, en plantas de pera, mostaza, Artemisia annua y diferentes brasicas (Aftab et al., 2010; Wang et al., 2011; Archana, 2013; Varshney et al., 2015). Por otro lado, se observa que los cítricos bajo exceso de boro reducen únicamente la clorofila b, sin presentar diferencias significativas en los contenidos de clorofila a (Martínez-Cuenca et al., 2015), e incluso en plantas de algodón, no se ve afectado el contenido total de pigmentos cuando estas se encuentran bajo altas concentraciones de boro en el suelo (Ahmed et al., 2014).
Otros autores investigaron la respuesta de plantas de maíz después de 24 d de siembra sometidas a diferentes dosis elevadas de boro, presentando incrementos en los contenidos de carotenoides y una disminución en los contenidos de clorofila total, principalmente la clorofila a. Así mismo se observó un incremento en los contenidos de xantofilas, el cual se ha reportado como un pigmento involucrado en la protección contra el daño oxidativo generado por la toxicidad de boro en plantas juveniles de maíz (Ogunwole et al., 2015).
CONCLUSIONES
Tanto la deficiencia como el exceso de boro afectan el proceso de la fotosíntesis, ya sea debido a limitaciones de tipo estomático o no estomático. La respuesta a esta condición de estrés genera múltiples mecanismos los cuales varían de acuerdo a la especie y al estado fenológico de la misma, alterando el metabolismo de los diferentes pigmentos en las plantas. Así mismo, la fluorescencia de la clorofila a se ha reportado como un indicador esencial y de gran importancia para determinar la magnitud de diferentes tipos de estrés. Para las diferentes dosis de boro se ha identificado que el PSII es alterado tanto en los eventos primarios como en los eventos posteriores asociados principalmente con interacciones entre procesos de las membranas de los tilacoides y los procesos metabólicos en el estroma del cloroplasto.
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