Ecofisiología de cultivos

Editor: Carlos Bouzo

Importante descubrimiento en el fitocromo B

Los fitocromos fueron descubiertos en la década de 1950 en el marco de una investigación sobre el efecto de la luz en la germinación de las semillas de lechuga. Por tratarse de moléculas receptoras, los fitocromos cumplen dos funciones, una sensora y otra reguladora. La función sensora implica la percepción de la señal luminosa incidente. Compete a la función reguladora transferir la información recibida a los componentes de la cadena de transducción de la señal, encargada de transmitir la información captada a otros componentes celulares. En la naturaleza, donde la luz es policromática, los fitocromos operan a la manera de interruptores moleculares, que informan a la planta de la presencia y los cambios en las proporciones relativas de luz roja y de roja lejana del ambiente, para que acometa las respuestas fisiológicas oportunas.

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El color en las zanahorias

Introducción

Considerando la genética de la especie, hay dos principales rutas que contribuyen al color de la zanahoria. Por un lado la que posibilita la síntesis de carotenoides y por la otra la de antocianinas. La ruta de los carotenoides es conservada en las plantas, dando lugar a los colores rojo, amarillo y naranja. Existen más de 700 carotenoides naturales identificados, los cuales son compuestos isoprenoides con cadena de polieno que pueden contener hasta 15 dobles enlaces conjugados.

Zanahorias en un mercado de Valencia (Bouzo)

 

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Un tributo a Rosalind Franklin (1920-1958)

Me animé a escribir esta entrada porque desde hace varios años, cuando me enteré como fue la historia acerca del descubrimiento de la estructura helicoidal del ADN, me pareció una tremenda injusticia lo que ocurrió. Que ocurrió? Que sin desmerecer el aporte que pudieran hacer Watson y Crick para informar sus fundamentos acerca de cómo estaba conformada espacialmente la secuencia de nucleótidos, no fue reconocido el enorme descubrimiento que una mujer hizo para que ellos pudieran tener mayores certezas sobre este tema. Se trata justamente de Rosalind Franklin (Londres 1920–Cambridge 1958) quien fue una de las consideradas como “injustamente olvidadas” en la historia de la ciencia moderna a la hora de reconocer las contribuciones científicas en el avance científico.

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Un incremento en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es indudable que implicaría una serie de consecuencias a nivel de los cultivos. Un análisis simplista indica que las plantas, particularmente las de metabolismo C3 se favorecerían de manera directa. Sin embargo, no es tan simple el análisis de esta cuestión, debido a los múltiples efectos que la modificación de un factor de la atmósfera, desencadenaría en las diferentes regiones del mundo. Como por ejemplo, variaciones en los niveles de la temperatura superficial, cambios en las corrientes marinas y atmosféricas, modificación en los regímenes de precipitaciones, entre otros.

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Estrés hídrico: nuevos avances

Εl estrés por deficiencia de agua puede ser impuesta tanto por una menor disponibilidad de agua en el suelo como por diversas condiciones ambientales tales como alta salinidad, principalmente. Para sobrevivir y desarrollarse normalmente, la evolución natural ha favorecido aquellas plantas que tuvieron mecanismos de adaptación al estrés y que implican diversas estrategias. Desde el aspecto bioquímico, las plantas bajo estrés acumulan los solutos compatibles como prolina, polialcoholes y betaína (Rhodes y Hanson 1993, Ingram y Bartels 1996). Estos compuestos ayudan a la planta para adaptarse bioquímicamente a las circunstancias adversas.

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Figura 1: Cultivo de tomate con estrés hídrico (Campo Experimental CECIF, FCA-UNL)

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A continuación voy a discutir algunas cuestiones vinculadas con mi apreciación acerca de como oientar un programa de estudio de la Fisiología Vegetal para las Ciencias Agrarias. Al respecto, y considerando una perspectiva amplia de la disciplina, propongo tres principios sobre los cuales basar los contenidos del curso:

  1. Según un  Principio Biológico Unificador.
  2. Según un Principio Ambiental Integrador.
  3. Según un Principio Agronómico Interpretativo.

Considerando el primero, el estudio de la fisiología vegetal debiera ser a la luz de interpretar como la evolución biológica permite explicar la existencia de las plantas y sus mecanismos y procesos metabólicos. Esto es considerando que la evolución es el gran principio unificador de la Biología, sin ella no es posible entender ni las propiedades distintivas de los organismos, sus adaptaciones; ni las relaciones de mayor o menor proximidad que existen entre las distintas especies. Sin embargo, aunque atractiva, esta perspectiva es más propia de un curso para licenciatura en biología que para un curso de agronomía. Sin embargo, aunque no sea el eje rector que rija la estructura de un programa de fisiología vegetal para las ciencias agrarias, debe considerarse que en buena parte de los conceptos a dictar, se entremezclan necesariamente cuestiones vinculadas con este principio.

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La Fisiología Vegetal como toda disciplina heurística tuvo a lo largo de la historia cambios debido a las influencias mas destacadas del pensamiento y concepción de la realidad de cada momento. Aquí voy a presentar un breve resumen de su evolución en el tiempo.

El estudio de los seres vivos y de las plantas en particular, desde un punto de vista histórico, permite advertir el curso de cambios desde la estructura de los organismos a su función. Un breve repaso, que puede contener incluso algunas omisiones involuntarias, indica que desde finales del siglo XVIII e inicios del siglo XIX, ya prevalecía la idea que un ser vivo, tal como una planta, no consistía en una yuxtaposición de órganos con funcionamiento independiente, sino vinculado en un conjunto de funciones. También comenzaba a pergeñarse la existencia de algún tipo de reacciones que unen secretamente las partes para que funcione el todo. Dentro del mismo siglo XIX estos conceptos se resumían en que estos organismo poseían vida, por lo que se fue construyendo de a poco, en el cuerpo de una ciencia: la biología. Así, la biología venía a ocuparse en adelante del estudio del ser vivo al que una cierta organización le confería propiedades singulares.

Foto: Fitotrón del Departamento de Fitotecnia (UFRRJ).

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Cosecha de trigoPoblación urbana

Aunque me dirán que ya Malthus casi a inicios del 1800 cuando expuso su preocupación relacionada con el crecimiento de la población humana en una progresión geométrica y los medios de subsistencia en una progresión aritmética, se equivocó. Sin embargo, no olvidemos que en gran parte su ´equivocación´ estuvo dada en los enormes avances que tuvo la productividad de los cultivos en el siglo pasado y a que la población en aquel entonces, aún era muy escasa a comparación de la actual.
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       Cultivo de Girasol en el mes de dicembre del año 2007 en Esperanza
      Cuando  Charles Darwin propuso la teoría de la evolución hace ya 150 años, estableció que ésta se sustenta en dos componentes principales: 1) Las especies no son inmutables, sino que cambian o se adaptan a lo largo del tiempo y 2) el agente que produce los cambios es la selección natural. Los individuos están comprometidos en una lucha permanente por la existencia, en la que los más aptos sobreviven. Esa lucha puede ser de dos tipos: a) mediante la obtención de los recursos necesarios para establecerse y crecer en un medio ambiente algunas veces pobre y hostil; y b) La lucha con competidores vecinos de la misma o de especies diferentes.
 
       La ecología trata de las relaciones o interacciones de las especies dentro de las comunidades, o la forma en que poblaciones de una especie se adaptan a diferentes medios ambientes. Mientras que la fisiología vegetal se relaciona con el estudio de las funciones de los individuos, en diferentes niveles de organización y su lucha con el medio ambiente, auxiliándose de varias disciplinas como la bioquímica, biofísica y la biología molecular. La fisiología vegetal es una disciplina que se refugia en el laboratorio para su estudio, manipula las condiciones de crecimiento del individuo y mide la respuesta de un determinado proceso. De estas dos disciplinas podría afirmarse que surge una nueva, hoy bastante conocida como Ecofisiología Vegetal, o para nuestro mayor interés la Ecofisiología de los Cultivos.
 
       La Ecofisiología, estudia los fenómenos fisiológicos fuera del laboratorio, en su medio ambiente natural, el cual está sujeto a cambios y alteraciones, como resultado de fenómenos naturales o producto de la actividad humana. En este sentido, puedo mencionar por ejemplo el aumento significativo de la concentración atmosférica de CO2 por efecto de la actividad industrial, la quema de combustibles fósiles y el calentamiento global de la atmósfera. Este factor es difícilmente controlable, como se podría hacer al estudiar las variaciones en la concentración de CO2 sobre la fotosíntesis, lo cual es estudiado por la fisiología vegetal, bajo condiciones de laboratorio. Las plantas en su medio ambiente natural responden a las variaciones de temperatura, intensidad de luz, humedad, concentraciones de CO2 , lo cual depende de sus adaptaciones fisiológicas.
 
        Al principio, tal vez sin saberlo que se inauguraba una nueva disciplina, muchos investigadores con una fuerte formación en Fisiología Vegetal, comenzaron a trabajar en ambientes naturales. Una prueba de ello son los excelentes trabajos que se publicaban en la década del 60 en Agronomy Journal, muchos de ellos relacionados con el balance de radiación y energía de los cultivos. Existen trabajos minuciosos y muy bien documentados, los que se realizaban mediante mediciones con instrumentales que distaban mucho a los electrónicos de la actualidad, los que a su vez tienen una inmensa capacidad para el almacenamiento de datos (´datalogger´). Actualmente, está ocurriendo (desde hace ya algunos años) otra mutación en la disciplina, lo que obliga a pensar en simultáneo a diferentes escalas jerárquicas de organización, y es que un ecofisiólogo moderno, requiere una buena comprensión tanto de los procesos moleculares que ocurren a nivel celular, como del funcionamiento de la planta intacta en un contexto ambiental, al nivel de población.
 
       Por supuesto que focalizándose este sitio excluyentemente en cultivos, dejando de lado la ecofisiología de ambientes naturales, hay que reconocer la importancia del  desarrollo de la ecofisiología de los cultivos para la agricultura. Incluso hoy en día, la productividad agrícola en países industrializados está limitada al 25% de su potencial, por condiciones de sequía, suelos infértiles y otros factores ambientales indeseables. Uno de los objetivos principales de las investigaciones agrícolas, ha sido el desarrollar cultivos tolerantes a estados ambientales estresantes, de tal manera que soporten condiciones climáticas adversas o que se puedan cultivar en hábitat desfavorables. Así se han desarrollado variedades de plantas tolerantes a la salinidad o que soporten el estrés hídrico. Prueba de ello son los logros obtenidos por argentino Dr. Blumwald desde hace muchos años en el exterior, y actualmente investigador en la Universidad de California, quien fue uno de los oradores en la reciente Reunión de la SAFV en Rosario.
 
       La ecofisiología vegetal estudia las respuestas fisiológicas frente a diferentes condiciones ambientales, desarrollando técnicas que permiten medir el micro medio ambiente de las plantas, las relaciones hídricas y los patrones de intercambio gaseoso. En sus inicios, se estudió el crecimiento de las plantas determinando las variaciones en biomasa, sin embargo la invención de equipos portátiles ha posibilitado medir los intercambios de CO2 en una hoja y la conductividad estomática como un índice de la apertura y cierre de los estomas. Mediante los análisis de crecimiento, se ha podido determinar la cantidad de carbono que se deposita en raíces y hojas, así como la tasa de producción y muerte de ciertos tejidos; lo que permite una mejor comprensión de las diferencias en el crecimiento vegetal, en distintas condiciones ambientales.
 
        Finalmente, el enfoque de la ecofisiología de cultivos está centrado en la población de plantas de interés agronómico, sin embargo, el ejercicio de pensar a diferentes niveles jerárquicos, puede resultar fructífero, y aunque parezca aventurado decirlo, en este sentido pueden rendir mucho más los modelos de simulación de cultivos, cuando en el futuro se formulen conociendo algunas de las respuesta al ambiente en términos de expresión génica.

ECOLOGÍA FISIOLÓGICA

Dentro de la ecología vegetal, la ecología fisiológica es una especialidad que estudia las bases fisiológicas que condicionan la distribución de las plantas en ambientes naturales o naturalizados, analizando los atributos fisiológicos de las diferentes especies en relación con las limitaciones impuestas por el ambiente. También es objeto de esta especialidad el análisis de los factores que afectan al éxito a largo plazo de las plantas en un ambiente determinado, medido en términos de supervivencia y reproducción. Es decir, qué caracteres fenológicos, fisiológicos, morfológicos o genéticos parecen más importantes para el éxito de las plantas en un hábitat determinado.

Aunque en España, y en general en Europa, se habla con frecuencia de ecofisiología para referirse a la ecología fisiológica, existe una gran diferencia entre ambas. En la primera, el objetivo fundamental ?el sustantivo? es la fisiología, y así estudia la fisiología de las plantas ?cualquier tipo de plantas? en su medio; por el contrario, el énfasis de la segunda es la ecología, de la que ‘fisiológica’ es sólo un calificativo. Estudia, pues, la vegetación espontánea y los mecanismos fisiológicos que subyacen en su distribución.

La escala temporal de los procesos objeto de estudio es amplia, y se extiende desde procesos a escala celular, con tiempos de segundos o minutos, hasta aspectos sucesionales o evolutivos, incluyendo comunidades y ecosistemas y miles o millones de años. Estos procesos no son mutuamente excluyentes, sino que representan más bien distintos enfoques del mismo problema. La ecología fisiológica se solapa en muchos aspectos con la ecología evolutiva, y tiende a ilustrar el efecto del ambiente a nivel de organismos y poblaciones, utilizando como herramienta de trabajo las comparaciones entre especies para obtener patrones y leyes generales con capacidad de predicción.

Las primeras observaciones de campo de la fisiología de las plantas tuvieron lugar a finales del siglo XIX, por lo que la ecología fisiológica se ha desarrollado al mismo tiempo que toda la Ecología, aunque el avance más importante tuvo lugar a partir de los años 70, cuando el desarrollo tecnológico e instrumental facilitó tanto la adquisición de datos como el estudio de nuevos procesos. Es, sin embargo, un desarrollo en el que participan directamente los ecólogos, pues no hay nada más típico de los que se dedican a la ecología fisiológica que el estar continuamente diseñando o probando nuevos cacharros. La ecología fisiológica reviste hoy una gran actualidad, al incidir en los procesos más importantes que están afectando al medio ambiente, desde la lluvia ácida a los cambios climáticos previstos para las próximas décadas.

Fuente: Revista Ecosistemas. Revista Científica y Técnica de Ecología y Medio Ambiente. AEET (Asociación Española de Ecología Terrestre).

URL: http://www.revistaecosistemas.net/