Sensibilidad de especies leñosas mediterráneas a la presencia de zinc en el medio. Interacción con disponibilidad hídrica

Résumé

El uso de metales pesados ha posibilitado el desarrollo de la sociedad industrial. Por ello, la entrada de estos elementos en suelos y agua continúa produciéndose, a pesar de las graves consecuencias que su acumulación puede conllevar. No en vano, la contaminación con metales pesados representa uno de los problemas ambientales más graves a escala mundial. Entre los metales pesados, el Zn es un micronutriente esencial para el desarrollo vegetal. Sin embargo, a altas concentraciones afecta al metabolismo, la morfología, y el desarrollo de las plantas. El desarrollo industrial también es responsable de cambios drásticos en otros componentes del medio, como el clima. En regiones de clima seco, incluidas las mediterráneas, el agua es el principal factor limitante de la producción vegetal. En las próximas décadas, en estas zonas se producirá un aumento de la temperatura media, una disminución de las precipitaciones y una concentración de las mismas, con lo que la frecuencia e intensidad del estrés hídrico probablemente se acentuará. Ante esta situación, es previsible que la combinación de contaminación por metales pesados y estrés hídrico afecte a áreas más extensas y de manera más intensa. No obstante, pocos estudios han abordado este tema hasta la fecha. Para abordar estas cuestiones se han desarrollado diversos estudios que conforman esta Tesis doctoral. Su principal objetivo es evaluar los efectos de la aplicación de Zn sobre especies forestales mediterráneas, así como su interacción con la disponibilidad hídrica. Se ha pretendido alcanzar este objetivo general a partir de los siguientes objetivos parciales: 1) Determinar índices toxicológicos para especies leñosas mediterráneas abundantes y especies clave, y por ello especies importantes para el funcionamiento de los ecosistemas y la restauración ecológica. Evaluar la relevancia de la adaptación a ambientes áridos en la respuesta al aumento de Zn. 2) Evaluar la respuesta morfológica y fisiológica de plántulas de Q. suber a concentraciones crecientes de Zn. Determinar si la exposición a este elemento puede mitigar o agravar los efectos de la sequía. 3) Estudiar cambios hormonales y en la conductividad hidráulica de plántulas de Q. suber en respuesta al aumento de Zn. Determinar la existencia de sinergias y antagonismos en la respuesta morfológica y fisiológica de plántulas de esta especie a la combinación de baja disponibilidad hídrica y Zn. 4) Analizar el perfil metabólico de plántulas de Q. suber tratadas con Zn y expuestas a niveles de riego contrastados. Identificar respuestas comunes y específicas a los dos factores de estrés evaluados. Los objetivos 1, 2 y 3 se abordan en los trabajos que conforman los Capítulos 2-4 de esta memoria, y han sido publicados en revistas cuyo alcance científico abarca los temas tratados en cada trabajo. El último objetivo se desarrolla en el trabajo incluido en la memoria como Apéndice 1 y ha sido enviado para su publicación. En el Capítulo 2 de la memoria se ha partido de la hipótesis de que los rasgos morfológicos de especies adaptadas a la sequía podrían favorecer la tolerancia al Zn y, como resultado, las especies de ambientes xéricos podrían exhibir mayor resistencia a este elemento que las especies de ambientes más mésicos. Un objetivo derivado de este capítulo es la identificación de especies útiles para la restauración de sitios contaminados con este elemento. Nuestra hipótesis parte de observaciones previas que sugieren que las especies que colonizan suelos con altos contenidos de metales poseen características morfológicas similares a aquellas adaptadas a la sequía. Además, debido a las propiedades físicas del suelo, las especies que crecen en suelos con altos contenidos de metales de origen natural con frecuencia están expuestas a baja disponibilidad hídrica. En base a la hipótesis y a los objetivos planteados, plántulas de especies representativas de la cuenca Mediterránea, fueron expuestas a concentraciones crecientes de Zn. Los resultados obtenidos mostraron que las respuestas morfo-fisiológicas de las especies leñosas mediterráneas a Zn fueron específicas de la especie. Contrario a nuestra hipótesis, la resistencia de las especies al Zn (evaluada mediante índices de toxicidad) se relacionó positivamente con la precipitación anual mínima de los hábitats de las especies analizadas. Quercus suber resultó la especie más resistente, probablemente debido a su capacidad para excluir Zn en el estadío de plántula, mientras que Tetraclinis articulata fue la especie más sensible. Entre las especies evaluadas, las más adaptadas a ambientes más mésicos, Quercus suber y Pinus pinea fueron también las más resistentes al Zn y podrían tenerse en consideración en la restauración de zonas contaminadas por Zn que presenten este tipo de clima. De un modo similar, Pinus halepensis fue la especie más resistente al Zn entre las especies más adaptadas a zonas xéricas. Aunque nuestros resultados surgen de estudios realizados en condiciones controladas, suponen un punto de partida para futuras pruebas de campo. Además, de acuerdo a los patrones de acumulación y a la capacidad de acumular metales de las especies analizadas, es importante destacar que ninguna de las especies estudiadas mostró potencial para la fitorremediación. Por un lado, los resultados del Capítulo 2 mostraron que dosis altas de Zn pueden alterar negativamente el desarrollo radicular, y por lo tanto afectar la capacidad de las plantas de captar agua y nutrientes. Por otro lado, además de ser un micronutriente esencial para el desarrollo vegetal, hay estudios que sugieren que, en dosis adecuadas, el Zn podría favorecer la resistencia de las plantas al estrés hídrico. Por ello, como hipótesis del Capítulo 3 planteamos que la capacidad de Q. suber para resistir un periodo de estrés hídrico sería favorecida por pequeñas dosis de Zn y por el contrario, una alta disponibilidad de Zn en la solución del suelo podría intensificar los efectos negativos del estrés hídrico. En este estudio expusimos plántulas de Q. suber a concentraciones crecientes de Zn (3, 10, 50 y 150 µM) y luego de un tiempo, suspendimos el riego y realizamos una caracterización morfológica. Durante el periodo de sequía, evaluamos el estado fisiológico de las plantas. Los resultados obtenidos mostraron que la morfología y fisiología de plántulas de Q. suber bien regadas fueron negativamente afectadas por el aumento de Zn en el medio. El efecto negativo del Zn fue especialmente evidente a partir de concentraciones externas superiores a 50 µM. La conductancia estomática disminuyó notablemente con el aumento de Zn y la eficiencia fotoquímica mostró un patrón similar, sugiriendo la existencia de fotoinhibición cuando la disponibilidad de Zn fue alta. Contrariamente a lo esperado, la adición de pequeñas cantidades de Zn no tuvo un efecto positivo sobre la morfología y la fisiología de las plántulas y, por lo tanto, sobre su capacidad para responder al estrés hídrico. Sin embargo, cuando el riego cesó, las plantas control (expuestas a 3 µM de Zn), con alta conductancia estomática, mostraron una rápida pérdida de humedad y un descenso brusco del intercambio de gases. En contraste, el cierre de estomas inducido por elevadas dosis de Zn, pudo favorecer la conservación del contenido hídrico y el mantenimiento de la asimilación de CO2 durante un corto periodo de sequía. Sin embargo, debemos ser cautos al extrapolar nuestros resultados a periodos más largos de sequía. En estas condiciones, los efectos negativos del Zn sobre la fisiología y, especialmente, sobre la morfología radicular, podrían limitar el acceso a los recursos y por lo tanto, limitar el crecimiento de la planta. La ausencia de efectos negativos de Zn que agravasen las consecuencias de un periodo corto de estrés hídrico, nos condujo a preguntarnos sobre la respuesta de las plántulas cuando los dos factores de estrés, Zn y escasez hídrica, actúan simultáneamente. Así, la hipótesis del Capítulo 4, fue que las respuestas morfo-fisiológicas a una baja disponibilidad hídrica podrían mitigar los efectos de la alta disponibilidad de Zn. Para validar esta hipótesis, expusimos plántulas de Q. suber a concentraciones crecientes de Zn (3, 10, 50 y 150 µM) y a dos regímenes de riego bien diferenciados (HW y LW, alta y baja frecuencia de riego, respectivamente). El análisis de las plantas mostró que la concentración de Zn en las hojas y las raíces aumentó con el incremento Zn en la solución nutriente, independientemente del régimen de riego. Sin embargo, la dosis externa más alta de Zn, indujo concentraciones tisulares casi dos veces superiores en plantas HW que en plantas LW. La respuesta de la mayoría de variables evaluadas dependió de la interacción entre los dos factores de estrés. El aumento de Zn en plantas HW se tradujo en una disminución de la conductancia hídrica del sistema radicular, una pérdida de funcionalidad de las hojas y un sistema radicular menos desarrollado, en comparación con las plantas control (3µM Zn, HW). Además de estos efectos negativos, la concentración de Zn más alta indujo un aumento de la acumulación de auxina IAA. Por el contrario, en plantas LW la acumulación de biomasa radicular se vió favorecida por altas dosis de Zn, y la conductancia estomática aumentó a dosis intermedias de este metal. Otras variables mostraron tendencias similares. En resumen, estos resultados indican la ausencia de sinergia entre ambos factores de estrés, aunque la combinación de Zn y baja disponibilidad hídrica no revirtió el estado de las plantas hacia un estado semejante al de las plantas control. Además, los resultados sugieren que la disminución de disponibilidad hídrica podría reducir la toxicidad de Zn al limitar su acumulación en tejido. En los Capítulos 2-4 evaluamos distintos aspectos de la respuesta de plántulas al Zn y a la interacción de Zn con baja disponibilidad hídrica. Un aspecto poco estudiado de esta interacción lo constituye la respuesta del metaboloma como un todo y de los metabolitos de forma individual. Por ello, en el trabajo que se presenta como Apéndice 1, utilizamos el análisis metabolómico como herramienta de estudio, con el fin de analizar cambios inducidos por Zn y niveles de riego contrastados sobre plántulas de Q. suber. El metaboloma de Q. suber se vió afectado por el Zn y por la sequía, aunque no observamos interacción entre ambos factores de estrés. A escala de metabolito, el estudio permitió identificar tres grupos de compuestos: (i) metabolitos específicos de cada tipo de estrés (ácido málico, aspartato, ácido ¿-cetoglutárico, etc., en respuesta al Zn, y ácido quínico, manosa, fructosa, entre otros, en respuesta a la sequía), (ii) metabolitos cuya acumulación varió en respuesta a los dos factores de estrés actuando de manera aislada (glucosa, ramnosa, ácido cítrico y una hexosa), y (iii) metabolitos cuya respuesta dependió de la combinación de ambos factores de estrés (¿- tocoferol, glicerol, xilitol). El primer grupo de metabolitos constituirían indicadores de un tipo de estrés específico, mientras que el segundo grupo podría formar parte de un mecanismo de respuesta general al estrés de Q. suber. En conjunto, los datos presentados en esta Tesis muestran que las especies leñosas Mediterráneas son sensibles al aumento de Zn en el medio. El aumento de la concentración de Zn indujo cambios notables en la morfología, fisiología y bioquímica de las plantas expuestas, aunque estas respuestas se produjeron a diferentes valores umbrales. Nuestros resultados nos permiten identificar variables de respuesta sensibles a pequeños incrementos de Zn en el medio y otras variables cuyo valor sólo cambia significativamente ante concentraciones foliares de Zn muy elevadas (Apéndice 2). Esta información se integró para elaborar el modelo general de respuesta al Zn que se muestra en el Capítulo 5. El modelo presentado también contempla datos nutricionales, que aunque no se han incluido en ningún de los trabajos publicado hasta la fecha, han sido incorporados a esta Tesis en forma de Apéndice (Apéndice 3), pues consideramos que son relevantes para explicar los cambios observados y pueden ser de utilidad para futuros estudios. La combinación de Zn y escasez hídrica, de forma secuencial o simultánea, no generó efectos sinérgicos. Por el contrario, nuestros datos sugieren que algunas respuestas morfo-funcionales inducidas por cada factor podrían mitigar los efectos negativos del otro. En base a estos resultados, en el Apéndice 4 revisamos de manera sucinta la actual legislación sobre contaminación de metales pesados, intentando señalar sus carencias. Por último, mencionar que en este trabajo hemos identificado respuestas comunes a ambos tipos de estrés, pero nuestros resultados refuerzan la idea de que, paralelamente, existen mecanismos de respuesta específicos de cada tipo de estrés.