Expression patterns of antioxidant network in pioneer plants from mine tailings polluted with high levels of heavy metals

Resumen

La intensa actividad minera llevada a cabo en el distrito minero de Cartagena-La Unión ha generado un gran volumen de residuos, muchos de los cuales se acumulan en balsas de estériles mineros. Aunque la mayoría de estas balsas carecen de vegetación, en determinadas zonas proliferan ciertas especies pioneras. Por su carácter pionero y su tolerancia a metales, estas especies presentan un gran potencial en programas de fitomanejo encaminados a evitar la dispersión de contaminantes mediante el establecimiento de una cubierta vegetal estable y autosostenible. El estudio de las plantas pioneras ofrece, por lo tanto, la oportunidad de encontrar mecanismos adaptativos a condiciones de estrés múltiple que permitan dar un salto cualitativo en la aplicación de las técnicas de fitomanejo. La Tesis Doctoral se centró, por un lado, en el estudio de sistemas antioxidantes/oxidativos en tres especies de plantas pioneras Zygophyllum fabago, Dittrichia viscosa y Pinus halepensis; y por otro lado, considerando que esta zona minera contiene altos niveles de Pb, se estudió en condiciones controladas de laboratorio el efecto de la exposición a este metal en plantas de Z. fabago, con el fin de determinar los mecanismos de tolerancia que esta especie pone en marcha para contrarrestar la toxicidad del Pb. En el primero de los estudios, se vieron claras diferencias en el patrón de expresión de los sistemas antioxidantes en las tres especies crecidas en las balsas en relación con plantas control. Entre especies, se registraron los mayores cambios en pino y en Z. fabago. En D. viscosa, que mostró una gran capacidad de co-acumulación de Zn y Pb en hojas fotosintéticamente activas, no se observaron cambios significativos ni en la capacidad antioxidante ni en los niveles de ascorbato y glutatión. Una característica común en las tres especies estudiadas fue el mantenimiento del contenido hídrico relativo, si bien pudieron observarse diferencias entre especies en lo que respecta al tipo de osmorreguladores acumulados. Las tres especies estudiadas tuvieron diferencias en el patrón de acumulación de compuestos fenólicos, así como cambios relevantes en las actividades de las enzimas fenilalanina amonio liasa y peroxidasas, lo que indica que el metabolismo fenólico desempeña un importante papel en la adaptación de estas especies a condiciones de estrés múltiple. En segunda serie de estudios bajo condiciones controladas de laboratorio y utilizando plantas de Z. fabago se observó que tras el tratamiento con Pb se produjo una disminución de la actividad fotosintética y del crecimiento como parte de una respuesta coordinada de la planta en busca de una solución de compromiso entre crecimiento y defensa frente a la situación de estrés. El conjunto de cambios metabólicos y fisiológicos que experimenta la planta permitiría destinar mayores recursos para potenciar las respuestas defensivas, especialmente allí donde la intensidad del estrés es mayor (raíces) y contrarrestar los efectos tóxicos del Pb en detrimento del crecimiento. Paralelamente, se evaluó el efecto del pretratamiento con un elicitor, el ácido salicílico, el cual redujo la toma y la acumulación de Pb, lo que, desde un punto de vista aplicado, podría ser explotado en los programas de restauración de suelos degradados, con el fin de reducir el riesgo de entrada de este metal en la cadena trófica. Finalmente, se evaluó las diferencias en los mecanismos adaptativos implicados en contrarrestar los efectos tóxicos del Pb entre poblaciones metalíferas y no-metalíferas. Las plántulas procedentes de semillas metalíferas tuvieron, constitutivamente, niveles más altos de metabolitos implicados en rutas antioxidativas, además, respondieron de forma más rápida y eficiente a la exposición al Pb, presentando, en consecuencia, un mejor desarrollo. El análisis de la expresión relativa de los genes que codifican para catalasa y ascorbato peroxidasa corroboraron la mayor efectividad en la eliminación de especies reactivas del oxígeno de las poblaciones metalíferas. De hecho, los niveles relativamente altos de Pb encontrados en las semillas de las poblaciones metalíferas podrían tener un efecto estimulante (“priming”) que daría lugar a una rápida activación de las respuestas defensivas, lo que, a su vez, permitiría contrarrestar los efectos tóxicos de la exposición al Pb. Desde un punto de vista aplicado esto podría ser utilizado ya que el uso de estas semillas procedentes de zonas metalíferas podría mejorar los programas de fitomanejo puesto que se establecerían más rápida y eficazmente en las zonas degradadas