Plantas hiperacumuladoras de metales pesados

Durante millones de a√Īos la evoluci√≥n ha llevado a las plantas a desarrollar diferentes estrategias para defenderse de los enemigos naturales, dando pie a una lucha de armamento evolutiva en la cual la supervivencia de unos y otros depende de la habilidad de hacer frente a las adaptaciones de los otros. Y es en este escenario donde la acumulaci√≥n de metales pesados en altos niveles en planta juega un papel muy importante.

Seg√ļn Boyd (2012), la defensa de las plantas puede considerarse bajo distintos puntos de vista:

  • mec√°nica: espinas, coberturas, etc.
  • qu√≠mica: diferentes compuestos inorg√°nicos y org√°nicos.
  • visual: cripsis y mimetismo.
  • comportamiento: relacionado con modificaciones en la fenolog√≠a.
  • y asociativa: simbiosis con otros organismos, como es el caso del g√©nero Cecropia que establece simbiosis con las hormigas del g√©nero Azteca, las cuales protegen a estas plantas ‚Äď para saber m√°s: Plantas y animales tambi√©n pueden vivir en matrimonio‚Äď .

espinas-karyn-christner-flickrDefensa mec√°nica con espinas (Autor: Karyn Christner, Flickr, CC).

 

Se ha visto que la defensa química es ubicua, y por lo tanto, muchas interacciones entre organismos se explican bajo este punto de vista. Además, algunas plantas contienen grandes cantidades de ciertos elementos químicos, frecuentemente metales o componentes metálicos, que juegan un papel de defensa relevante, son las llamadas plantas hiperacumuladoras.

Plantas hiperacumuladoras  y sus características principales

Estas plantas pertenecen a diferentes familias, por lo tanto la hiperacumulaci√≥n es una adquisici√≥n independiente que ha surgido varias veces durante la evoluci√≥n, pero que en todos los casos genera la habilidad de crecer en suelos metal√≠feros y acumular extraordinarias cantidades ¬†de metales pesados en √≥rganos a√©reos, a diferencia de los niveles encontrados en la mayor√≠a de especies. Se sabe que las concentraciones de estos elementos qu√≠micos pueden ser entre 100 ‚Äď 1000 veces mayores que las presentes en especies no hiperacumuladoras.

Generalmente, la química describe los metales pesados como aquellos metales de transición con una masa atómica superior a 20 y una densidad relativa cercana a 5. Pero, des del punto de vista biológico, los metales pesados son aquellos metales o metaloides que pueden ser tóxicos en bajas concentraciones. Aun así, las plantas hiperacumuladoras consiguen ser tolerantes, es decir, hiperacumulan estos metales pesados sin sufrir efectos fitotóxicos (toxicidad expresada en la planta).

En este sentido, hay tres características principales que describen las plantas hiperacumuladoras:

  • Fuerte aumento de la tasa de absorci√≥n de metales pesados.
  • Ra√≠ces que realizan la translocaci√≥n m√°s r√°pidamente.
  • Gran habilidad por detoxificar y acumular metales pesados en hojas.

Por lo tanto, las plantas hiperacumuladoras están bien preparadas para la asimilación, translocación a hojas y acumulación de grandes cantidades de metales pesados en vacuolas o en paredes celulares. En parte, esto es debido a una sobreexpresión constitutiva de genes que codifican para transportadores de membrana

Los valores l√≠mite que permiten diferenciar una planta hiperacumuladora de una que no lo es, est√°n relacionados con la fitotoxicidad espec√≠fica de cada metal pesado. Seg√ļn este criterio, las plantas hiperacumuladoras son plantas que cuando crecen en suelos naturales acumulan en las partes a√©reas (en gramos de peso seco):

  • > 10 mg¬∑g-1 (1%) de Mn o Zn,
  • > 1 mg¬∑g-1 (0,1%) de As, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb, Se o Ti
  • √ď > 0,1 mg¬∑g-1 (0,01%) de Cd.

Minuartia verna, hiperacumuladora de cobre (Autor: Candiru, Flickr, CC).

Hasta el momento se ha planteado diferentes hipótesis para explicar porque ciertas plantas han llegado a ser hiperacumuladoras de metales pesados:

  • Tolerancia y disposici√≥n de metales.
  • Resistencia a la sequ√≠a.
  • Interferencia con otras plantas vecinas
  • Defensa contra los enemigos naturales.

La hip√≥tesis que recibe m√°s soporte ¬†es la denominada ‚ÄúElemental defence‚ÄĚ (defensa por elementos), que indica que ciertos metales pesados podr√≠an tener un rol defensivo en la planta contra los enemigos a naturales, tales como los herb√≠voros y los pat√≥genos. Estos organismos al consumir la planta presentar√≠an efectos t√≥xicos, lo cual los llevar√≠a a la muerte o bien a reducir el consumo de esta planta en un futuro. Aun as√≠, aunque los metales pesados pueden actuar a trav√©s de su toxicidad, esto no garantiza que la planta no sea da√Īada o atacada antes que el enemigo natural sea afectado por estos. Por ellos sigue siendo necesario una defensa m√°s efectiva que permita evitar el ataque.

Por otro lado, de acuerdo con una hip√≥tesis m√°s moderna, ‚ÄúJoint effects‚ÄĚ (efectos conjuntos), los metales pesados podr√≠an actuar juntamente con otros compuestos org√°nicos de defensa dando lugar a una mayor defensa global. Las ventajas de los elementos inorg√°nicos, donde se incluyen los metales pesados, es que no son sintetizados por la planta, se absorben del suelo directamente y por lo tanto no hay tanto consumo energ√©tico invertido en la defensa, y adem√°s no pueden ser biodegradados. Aun as√≠, algunos enemigos naturales pueden llegar a quelar los metales pesados gracias a quelatos (sustancias que se unen a estos metales pesados para reducir su toxicidad) o acumularlos en √≥rganos donde se reducir√≠a su actividad. Esta nueva hip√≥tesis justificar√≠a la presencia simult√°nea de distintos metales pesados y compuestos org√°nicos de defensa en la misma planta, con la finalidad de conseguir una defensa mayor que afecte a m√°s enemigos naturales, los cuales se esperar√≠a no fuesen capaces de tolerar los distintos elementos t√≥xicos.

Thlaspi caerulescens, hiperacumuladora de zinc (Autor: Randi Hausken, Flickr, CC).

Por otro lado, se ha visto que ciertos herb√≠voros tienen habilidades para evitar el consumo de plantas con altos niveles de metales pesados, realizando lo que se denomina ‚Äútaste for metals‚ÄĚ (‚Äúdegustaci√≥n de metales‚ÄĚ). Aunque se sabe que esto sucede, no es del todo conocido el mecanismo exacto de todo este proceso de alerta y evitaci√≥n.

Solanum nigrum, hiperacumuladora de cadmio (Autor: John Tann, Flickr, CC).

Además, aunque las concentraciones de metales pesados que asumen estas plantas son elevadas, algunos  herbívoros logran sobrepasar esta defensa siendo tolerantes, es decir, su dieta les permite ingerir elevadas dosis de metales y por tanto alimentarse de la planta. Esto lleva a pensar que ciertos herbívoros podrían convertirse en especialistas en el consumo de estas plantas, y que, por tanto, este tipo de defensa quedaría reducido a organismos con dietas variadas, los denominados generalistas. Esto ha resultado no ser del todo cierto, ya que algunas veces los herbívoros generalistas presentan una preferencia y tolerancia superior por las plantas hiperacumuladoras que los organismos especialistas.

Por todos estos motivos se puede decir que la evolución continua jugando un papel importante en esta lucha de armamento.

Difusió-castellà

  • Boyd, R., Davis, M.A., Wall, M.A. & Balkwill K. (2002). Nickel defends the South African hyperaccumulator Senecio coronatus (Asteraceae) against Helix aspersa (Mollusca: Pulmonidae). Chemoecology 12, p. 91‚Äď97.
  • Boyd, R. (2007). The defense hypothesis of elemental hyperaccumulation: status, challenges and new directions. Plant soil 293, p. 153-176.
  • Boyd, R. (2012). Elemental Defenses of Plants by Metals. Nature Education Knowledge 3 (10), p. 57.
  • Laskowski, R. & Hopkin, S.P. (1996). Effect of Zn, Cu, Pb and Cd on Fitness in Snails (Helix aspersa). Ecotoxicology and environmentak safety 34, p. 59-69.
  • Marschner, P. (2012). Mineral Nutrition of Higher Plants (3). Chennai: Academic Press.
  • Noret, N., Meerts, P., Tolr√†, R., Poschenrieder, C., Barcel√≥, J. & Escarre, J. (2005). Palatability of Thlaspi caerulescens for snails: influence of zinc and glucosinolates. New Phytologist 165, p. 763-772.
  • Prasad, A.K.V.S.K. & Saradhi P.P. (1994).Effect of zinc on free radicals and proline in Brassica and Cajanus. Phytochemistry 39, p. 45-47.
  • Rascio, N. & Navari-Izzo, F. (2011). Heavy metal hyperaccumulating plants: How and why do they do it? And what makes them so interesting?. Plant Science 180 (2),p. 169-181.
  • Shiojiri, K., Takabayashi, J., Yano, S. & Takafuji, A. (2000) Herbivore-species-specific interactions between crucifer plants and parasitic wasps (Hymenoptera: Braconidae) that are mediated by infochemicals present in areas damaged by herbivores. Applied Entomology and Zoology 35, p. 519‚Äď524.
  • Solanki, R. & Dhankhar, R. (2011). Biochemical changes and adaptive strategies of plants under heavy metal stress. Biologia 66 (2), p. 195-204.
  • Verbruggen, N., Hermans, C. & Schat, H. (2009). Molecular mechanisms of metal hyperaccumulation in plants. New Phytologist 181 (4), p. 759‚Äď776.
  • Wenzel, W.W. & Jockwer F. (1999). Accumulation of heavy metals in plants grown on mineralised soils of the Austrian Alps. Environmental pollution 104, p. 145-155.

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Source: allyouneedisbiology.wordpress.com

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