Medición del estrés de las plantas

La medición del estrés de las plantas es la cuantificación de los efectos ambientales sobre la salud de las plantas. Cuando las plantas están sujetas a condiciones de crecimiento inferiores a las ideales, se considera que están sometidas a estrés. Los factores de estrés pueden afectar el crecimiento, la supervivencia y el rendimiento de los cultivos. La investigación del estrés vegetal analiza la respuesta de las plantas a las limitaciones y excesos de los principales factores abióticos ( luz, temperatura, agua y nutrientes).) y de otros factores de estrés que son importantes en situaciones particulares (por ejemplo, plagas, patógenos o contaminantes). La medición del estrés de las plantas generalmente se enfoca en tomar medidas de plantas vivas. Puede involucrar evaluaciones visuales de la vitalidad de la planta; sin embargo, más recientemente, el enfoque se ha trasladado al uso de instrumentos y protocolos que revelan la respuesta de procesos particulares dentro de la planta (especialmente, fotosíntesis , señalización de células vegetales y metabolismo secundario de la planta ).

• Determinar las condiciones óptimas para el crecimiento de las plantas, por ejemplo, optimizar el uso del agua en un sistema agrícola.
• Determinación del rango climático de diferentes especies o subespecies.
• Determinar qué especies o subespecies son resistentes a un factor de estrés particular

Instrumentos utilizados para medir el estrés de las plantas

Las mediciones se pueden realizar a partir de plantas vivas utilizando equipos especializados. Entre los instrumentos más comúnmente usados son los que los parámetros de medida relacionada con la fotosíntesis ( contenido de clorofila , fluorescencia de la clorofila , el intercambio de gases ) o el uso de agua (porometer, bomba de presión ). Además de estos instrumentos de propósito general, los investigadores a menudo diseñan o adaptan otros instrumentos a la medida de la respuesta específica al estrés que están estudiando.

Sistemas de fotosíntesis

Los sistemas de fotosíntesis utilizan analizadores de gases infrarrojos (IRGAS) para medir la fotosíntesis. Los cambios de concentración de CO ₂ en las cámaras de las hojas se miden para proporcionar valores de asimilación de carbono para las hojas o plantas enteras. La investigación ha demostrado que la tasa de fotosíntesis está directamente relacionada con la cantidad de carbono asimilado por la planta. Medir el CO ₂ en el aire, antes de que entre en la cámara de la hoja, y compararlo con el aire medido para el CO ₂ después de que sale de la cámara de la hoja, proporciona este valor utilizando ecuaciones comprobadas. Estos sistemas también utilizan IRGA, o sensores de humedad de estado sólido, para medir los cambios de H ₂ O en las cámaras de las hojas. Esto se hace para medir la transpiración de las hojas.y corregir las mediciones de CO ₂ . El espectro de absorción de luz para CO ₂ y H ₂ O se superpone un poco, por lo tanto, es necesaria una corrección para obtener resultados confiables _de medición de CO ₂ . ^[1] La medición crítica para la mayoría de las mediciones de estrés de las plantas se designa con "A" o tasa de asimilación de carbono. Cuando una planta está bajo estrés, se asimila menos carbono. ^{[2] Los} IRGA de CO ₂ son capaces de medir aproximadamente +/- 1 μmol o 1 ppm de CO ₂ .

Debido a que estos sistemas son efectivos para medir la asimilación y la transpiración de carbono a tasas bajas, como se encuentra en las plantas sometidas a estrés, ^{[3] a} menudo se utilizan como estándar para comparar con otros tipos de instrumentos. ^[4] Los instrumentos de fotosíntesis vienen en versiones portátiles y de laboratorio. También están diseñados para medir las condiciones ambientales ambientales, y algunos sistemas ofrecen un control microclimático variable de la cámara de medición. Los sistemas de control de microclima permiten ajustar la temperatura de la cámara de medición, el nivel de CO ₂ , el nivel de luz y el nivel de humedad para una investigación más detallada.

La combinación de estos sistemas con fluorómetros puede ser especialmente eficaz para algunos tipos de estrés y puede ser diagnóstica, por ejemplo, en el estudio del estrés por frío y el estrés por sequía. ^{[5] [2] [6]}

Fluorómetros de clorofila

La fluorescencia de la clorofila emitida por las hojas de las plantas da una idea de la salud de los sistemas fotosintéticos dentro de la hoja. Los fluorómetros de clorofila están diseñados para medir la fluorescencia variable del fotosistema II . Esta fluorescencia variable se puede utilizar para medir el nivel de estrés de la planta. Los protocolos más utilizados incluyen los destinados a medir la eficiencia fotosintética del fotosistema II, tanto en la luz (ΔF / Fm ') como en un estado adaptado a la oscuridad (Fv / Fm). Los fluorómetros de clorofila son, en su mayor parte, herramientas menos costosas que los sistemas de fotosíntesis, también tienen un tiempo de medición más rápido y tienden a ser más portátiles. Por estas razones, se han convertido en una de las herramientas más importantes para las mediciones de campo del estrés de las plantas.

Fv / Fm

Fv / Fm prueba si el estrés de la planta afecta o no al fotosistema II en un estado adaptado a la oscuridad. Fv / Fm es el parámetro de medición de fluorescencia de clorofila más utilizado en el mundo. "La mayoría de las mediciones de fluorescencia ahora se realizan utilizando fluorómetros modulados con la hoja en un estado conocido". (Neil Baker 2004) ^{[5] [7]}

La luz que es absorbida por una hoja sigue tres vías competitivas. Puede utilizarse en fotoquímica para producir ATP y NADPH utilizado en la fotosíntesis, puede volver a emitirse como fluorescencia o disiparse como calor. ^[2] La prueba Fv / Fm está diseñada para permitir que la cantidad máxima de energía luminosa tome la ruta de fluorescencia. Compara el estado fluorescente pre-fotosintético de la hoja adaptada a la oscuridad, llamado fluorescencia mínima, o Fo, con la fluorescencia máxima llamada Fm. En máxima fluorescencia, el número máximo de centros de reacción se ha reducido o cerrado mediante una fuente de luz saturada. En general, cuanto mayor es el estrés de la planta, menos centros de reacción abiertos están disponibles y se reduce la relación Fv / Fm. Fv / Fm es un protocolo de medición que funciona para muchos tipos de estrés vegetal. ^{[8] [9][2]}

En las mediciones de Fv / Fm, después de la adaptación a la oscuridad, se mide la fluorescencia mínima, utilizando una fuente de luz modulada. Esta es una medida de la fluorescencia de las antenas que utiliza una intensidad de luz modulada que es demasiado baja para impulsar la fotosíntesis. A continuación, se utiliza un destello de luz intenso, o pulso de saturación, de duración limitada, para exponer la muestra y cerrar todos los centros de reacción disponibles. Con todos los centros de reacción disponibles cerrados o químicamente reducidos, se mide la fluorescencia máxima. La diferencia entre la fluorescencia máxima y la fluorescencia mínima es Fv o fluorescencia variable. Fv / Fm es una relación normalizada creada al dividir la fluorescencia variable por la fluorescencia máxima. Es una relación de medición que representa la máxima eficiencia cuántica potencial del Fotosistema II si todos los centros de reacción capaces estuvieran abiertos. Un valor Fv / Fm en el rango de 0.79 a 0,84 es el valor óptimo aproximado para muchas especies de plantas, con valores reducidos que indican estrés de la planta (Maxwell K., Johnson GN 2000), (Kitajima y Butler, 1975).^[10] Fv / Fm es una prueba rápida que suele tardar unos segundos. Fue desarrollado alrededor de 1975 por Kitajima y Butler. Los tiempos de adaptación a la oscuridad varían desde unos quince minutos hasta la noche a la mañana. Algunos investigadores solo usarán valores previos al amanecer. ^{[8] [2]}

Y (II) o ΔF / Fm 'y ETR

Y (II) es un protocolo de medición que fue desarrollado por Bernard Genty con las primeras publicaciones en 1989 y 1990. ^{[11] [12]} Es una prueba adaptada a la luz que permite medir el estrés de la planta mientras la planta está pasando por el proceso fotosintético. en condiciones de iluminación de fotosíntesis de estado estable. Al igual que FvFm, Y (II) representa una relación de medición de la eficiencia de la planta, pero en este caso, es una indicación de la cantidad de energía utilizada en fotoquímica por el fotosistema II en condiciones de iluminación fotosintética de estado estable. Para la mayoría de los tipos de estrés de las plantas, Y (II) se correlaciona con la asimilación del carbono de las plantas de forma lineal en las plantas C ₄ . En C ₃plantas, la mayoría de los tipos de estrés de las plantas se correlacionan con la asimilación de carbono en una forma lineal de curva. Según Maxwell y Johnson, una planta tarda entre quince y veinte minutos en alcanzar la fotosíntesis en estado estable a un nivel de luz específico. En el campo, las plantas a plena luz del sol, y no bajo el dosel, o en condiciones parcialmente nubladas, se consideran en estado estable. En esta prueba, los niveles de irradiación de luz y la temperatura de las hojas deben controlarse o medirse, porque si bien los niveles del parámetro Y (II) varían con la mayoría de los tipos de estrés de las plantas, también varían con el nivel de luz y la temperatura. ^{[11] [12] Los} valores de Y (II) serán más altos con niveles de luz más bajos que con niveles de luz más altos. Y (II) tiene la ventaja de que es más sensible a un mayor número de tipos de estrés vegetal que Fv / Fm. ^{[cita requerida ]}

ETR, o tasa de transporte de electrones , también es un parámetro adaptado a la luz que está directamente relacionado con Y (II) por la ecuación, ETR = Y (II) × PAR × 0,84 × 0,5. Multiplicando Y (II) por el nivel de luz de irradiación en el rango de PAR (400 nm a 700 nm) en μmol, multiplicado por la proporción promedio de luz absorbida por la hoja 0.84 y multiplicado por la proporción promedio de centros de reacción PSII a PSI centros de reacción, 0,50, ^{[4] [13] [14]} se logra la medición relativa de ETR. ^[15]

Los valores de ETR relativos son valiosos para las mediciones de estrés al comparar una planta con otra, siempre que las plantas que se van a comparar tengan características de absorción de luz similares. ^[2] Las características de absorción de las hojas pueden variar según el contenido de agua, la edad y otros factores. ^[2] Si las diferencias de absorción son una preocupación, la absorción se puede medir con el uso de una esfera integradora . ^[9] Para obtener valores de ETR más precisos, se pueden incluir en la ecuación el valor de absorción foliar y la relación entre los centros de reacción de PSII y los centros de reacción de PSI. Si las diferentes proporciones de absorción de las hojas son un problema, o si son una variable no deseada, entonces usar Y (II) en lugar de ETR, puede ser la mejor opción. Deben transportarse cuatro electrones por cada CO ₂molécula asimilada, o molécula de O ₂ evolucionada, las diferencias de las mediciones de intercambio de gases, especialmente en plantas C ₃ , pueden ocurrir en condiciones que promueven la fotorrespiración, el transporte cíclico de electrones y la reducción de nitratos. ^{[5] [2] [16]} Para obtener información más detallada sobre la relación entre la fluorescencia y las mediciones de intercambio de gases, consulte nuevamente la nota de aplicación Opti-Sciences n.º 0509 sobre mediciones de rendimiento.

Medidas de enfriamiento

Las mediciones de enfriamiento se han utilizado tradicionalmente para mediciones de estrés por luz y estrés por calor. ^{[17] [ cita requerida ]} Además, se han utilizado para estudiar los mecanismos fotoprotectores de las plantas, las transiciones de estado, la fotoinhibición de las plantas y la distribución de la energía luminosa en las plantas. ^{[17] [18]} Si bien se pueden usar para muchos tipos de medición del estrés de la planta, el tiempo requerido y el gasto adicional requerido para esta capacidad limitan su uso. Estas pruebas comúnmente requieren una adaptación a la oscuridad durante la noche y de quince a veinte minutos en condiciones de iluminación para alcanzar la fotosíntesis en estado estable antes de la medición. ^[18]

Parámetros de extinción del modelo de charco y modelo de lago

"La comprensión de la organización de las antenas de las plantas , o las estructuras de recolección de luz de las plantas, y los centros de reacción , donde realmente tiene lugar la reacción de la luz fotosintética, ha cambiado a lo largo de los años. Ahora se entiende que una sola antena no se vincula solo con una única reacción centro, como se describió previamente en el modelo de charco. La evidencia actual indica que los centros de reacción están conectados con antenas compartidas en plantas terrestres ". Como resultado, los parámetros utilizados para proporcionar mediciones confiables han cambiado para representar la comprensión más reciente de esta relación. El modelo que representa la comprensión más reciente de la relación antena-centro de reacción se llama modelo de lago. ^[18]

Los parámetros del modelo de lago fueron proporcionados por Dave Kramer en 2004. ^[19] Desde entonces, Luke Hendrickson ha proporcionado parámetros de modelo de lago simplificados que permiten la resurrección del parámetro NPQ, del modelo de charco, de vuelta al modelo de lago. ^{[20] [21]} Esto es valioso porque ha habido muchos artículos científicos que han usado NPQ para medir el estrés de las plantas, en comparación con artículos que han usado parámetros del modelo de lago. ^[18]

Para obtener una descripción detallada de la extinción, consulte la nota de aplicación de extinción OSI. Se analizan todos los parámetros utilizados en los modelos de lago por Kramer, Hendrickson y Klughammer. ^{[20] [21]} También revisa los parámetros del modelo de charco y las mediciones de relajación de enfriamiento. ^[18] Además, se proporciona una revisión profunda de todos los parámetros existentes en Lazar (2015, J. Plant Physiol. 175, 131-147).

OJIP o OJIDP

OJIP o OJIDP es una técnica de fluorescencia de clorofila adaptada a la oscuridad que se utiliza para medir el estrés de las plantas. Se ha encontrado que al usar una escala de resolución de tiempo alta, el aumento a la fluorescencia máxima desde la fluorescencia mínima tiene picos y descensos intermedios, designados por la nomenclatura OJID y P. A lo largo de los años, ha habido múltiples teorías sobre lo que significan el aumento, la escala de tiempo, los picos y las caídas. Además, hay más de una escuela sobre cómo se debe utilizar esta información para las pruebas de estrés de la planta (Strasser 2004), (Vredenburg 2004, 2009, 2011). ^{[2] [22] [23] [24] [25]} Al igual que Fv / Fm y los otros protocolos, la investigación muestra que OJIP funciona mejor para algunos tipos de estrés de las plantas que para otros. ^{[ cita requerida]}

Elegir el mejor protocolo y parámetro de fluorescencia de clorofila

Al elegir el protocolo correcto y el parámetro de medición para un tipo específico de estrés de la planta, es importante comprender las limitaciones del instrumento y el protocolo utilizado. Por ejemplo, se encontró que al medir hojas de roble, un sistema de fotosíntesis podría detectar estrés por calor a 30 ° C y más, Y (II) podría detectar estrés por calor a 35 ° C y más, NPQ podría detectar estrés por calor a 35 ° C y más, y Fv / Fm solo pudo detectar el estrés por calor a 45 ° C y más. (Haldiman P, & Feller U. 2004) ^[26] Se encontró que OJIP detectaba estrés por calor a 44 ° C y más en las muestras analizadas. (Strasser 2004) ^[22]

La relación entre las mediciones de asimilación de carbono realizadas por los sistemas de fotosíntesis del ciclo oscuro de Calvin y las mediciones de la fluorescencia variable del fotosistema II (PSII), realizadas por los fluorómetros de clorofila de la reacción luminosa, no siempre son sencillas. ^[27] Por esta razón, elegir el protocolo de fluorescencia de clorofila correcto también puede ser diferente para las plantas C 3 y C 4 . Se ha encontrado, por ejemplo, que Y (II) y ETR son buenas pruebas para el estrés por sequía en plantas C 4 , ^{[28] [29]} pero se requiere un ensayo especial para medir el estrés por sequía en la mayoría _{de las} plantas C ₃ a niveles utilizables. . ^{[30] [31]}En las plantas C ₃ , se cree que la fotorrespiración y la reacción de Mehler son la causa principal. (Flexas 2000) ^[16]

Medidores de contenido de clorofila

Son instrumentos que utilizan la transmisión de luz a través de una hoja, en dos longitudes de onda, para determinar el verdor y el grosor de las hojas. La transmisión en el rango de infrarrojos proporciona una medida relacionada con el grosor de la hoja, y se utiliza una longitud de onda en el rango de luz roja para determinar el verdor. La relación de transmisión de las dos longitudes de onda proporciona un índice de contenido de clorofila que se denomina CCI o, alternativamente, índice SPAD. ^{[32] [33]} CCI es una escala lineal y SPAD es una escala logarítmica. ^{[32] [33]} Se ha demostrado que estos instrumentos y escalas se correlacionan con las pruebas químicas de clorofila para el contenido de clorofila, excepto en niveles muy altos. ^{[32] [33]}

Los medidores de contenido de clorofila se utilizan comúnmente para medir el estrés de las plantas por nutrientes, lo que incluye el estrés por nitrógeno y el estrés por azufre. Debido a que la investigación ha demostrado que, si se usan correctamente, los medidores de contenido de clorofila son confiables para el trabajo de manejo de nitrógeno, estos medidores a menudo son los instrumentos de elección para el manejo de fertilizantes para cultivos porque son relativamente económicos. ^{[34] [35]}La investigación ha demostrado que al comparar plantas bien fertilizadas con plantas de prueba, la proporción del índice de contenido de clorofila de las plantas de prueba, dividida por el índice de contenido de clorofila de las plantas bien fertilizadas, proporcionará una proporción que es una indicación de cuándo debe ocurrir la fertilización, y cuánto se debe usar. Es común usar un grupo de cultivos bien fertilizados en un campo específico y, a veces, en diferentes áreas del mismo campo, como referencia de fertilización, debido a las diferencias de un campo a otro y dentro de un campo. La investigación realizada hasta la fecha utiliza ^{[ aclaración necesaria ]}diez y treinta mediciones en cultivos de prueba y bien fertilizados, para proporcionar valores medios. Se han realizado estudios para maíz y trigo. Un artículo sugiere que cuando la proporción cae por debajo del 95%, es hora de fertilizar. También se recomiendan las cantidades de fertilizante. ^{[34] [35]}

Los consultores de cultivos también utilizan estas herramientas para recomendaciones de fertilizantes. Sin embargo, debido a que los protocolos científicos estrictos consumen más tiempo y son más costosos, los consultores a veces usan plantas bien fertilizadas ubicadas en áreas bajas como plantas estándar bien fertilizadas. Por lo general, también utilizan menos medidas. La evidencia de este enfoque incluye discusiones anecdóticas con consultores de cultivos. Los medidores de contenido de clorofila son sensibles al estrés por nitrógeno y azufre a niveles utilizables. Los fluorómetros de clorofila requieren un ensayo especial, que implica un alto nivel de luz actínica en combinación con estrés de nitrógeno, para medir el estrés de nitrógeno a niveles utilizables. ^[36] Además, los fluorómetros de clorofila solo detectarán el estrés por azufre a niveles de inanición. ^{[9] [2]}Para obtener los mejores resultados, las mediciones del contenido de clorofila deben realizarse cuando no haya déficit de agua. ^{[ cita requerida ]} Los sistemas de fotosíntesis detectarán el estrés por nitrógeno y azufre. ^{[ cita requerida ]}

Ver también

• Mitigación del cambio climático
• Adaptación al calentamiento global
• Mejoramiento para la tolerancia al estrés por sequía
• Mejoramiento para tolerancia al estrés por calor

Referencias

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