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

La intensa actividad minera llevada a cabo en el distrito minero de Cartagena-La Union ha generado un gran volumen de residuos, muchos de los cuales se acumulan en balsas de esteriles mineros. Aunque la mayoria de estas balsas carecen de vegetacion, en determinadas zonas proliferan ciertas especies pioneras. Por su caracter pionero y su tolerancia a metales, estas especies presentan un gran potencial en programas de fitomanejo encaminados a evitar la dispersion 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 estres multiple que permitan dar un salto cualitativo en la aplicacion de las tecnicas de fitomanejo. La Tesis Doctoral se centro, 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 estudio en condiciones controladas de laboratorio el efecto de la exposicion 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 patron de expresion de los sistemas antioxidantes en las tres especies crecidas en las balsas en relacion con plantas control. Entre especies, se registraron los mayores cambios en pino y en Z. fabago. En D. viscosa, que mostro una gran capacidad de co-acumulacion de Zn y Pb en hojas fotosinteticamente activas, no se observaron cambios significativos ni en la capacidad antioxidante ni en los niveles de ascorbato y glutation. Una caracteristica comun en las tres especies estudiadas fue el mantenimiento del contenido hidrico 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 patron de acumulacion de compuestos fenolicos, asi como cambios relevantes en las actividades de las enzimas fenilalanina amonio liasa y peroxidasas, lo que indica que el metabolismo fenolico desempena un importante papel en la adaptacion de estas especies a condiciones de estres multiple. En segunda serie de estudios bajo condiciones controladas de laboratorio y utilizando plantas de Z. fabago se observo que tras el tratamiento con Pb se produjo una disminucion de la actividad fotosintetica y del crecimiento como parte de una respuesta coordinada de la planta en busca de una solucion de compromiso entre crecimiento y defensa frente a la situacion de estres. El conjunto de cambios metabolicos y fisiologicos que experimenta la planta permitiria destinar mayores recursos para potenciar las respuestas defensivas, especialmente alli donde la intensidad del estres es mayor (raices) y contrarrestar los efectos toxicos del Pb en detrimento del crecimiento. Paralelamente, se evaluo el efecto del pretratamiento con un elicitor, el acido salicilico, el cual redujo la toma y la acumulacion de Pb, lo que, desde un punto de vista aplicado, podria ser explotado en los programas de restauracion de suelos degradados, con el fin de reducir el riesgo de entrada de este metal en la cadena trofica. Finalmente, se evaluo las diferencias en los mecanismos adaptativos implicados en contrarrestar los efectos toxicos del Pb entre poblaciones metaliferas y no-metaliferas. Las plantulas procedentes de semillas metaliferas tuvieron, constitutivamente, niveles mas altos de metabolitos implicados en rutas antioxidativas, ademas, respondieron de forma mas rapida y eficiente a la exposicion al Pb, presentando, en consecuencia, un mejor desarrollo. El analisis de la expresion relativa de los genes que codifican para catalasa y ascorbato peroxidasa corroboraron la mayor efectividad en la eliminacion de especies reactivas del oxigeno de las poblaciones metaliferas. De hecho, los niveles relativamente altos de Pb encontrados en las semillas de las poblaciones metaliferas podrian tener un efecto estimulante (“priming”) que daria lugar a una rapida activacion de las respuestas defensivas, lo que, a su vez, permitiria contrarrestar los efectos toxicos de la exposicion al Pb. Desde un punto de vista aplicado esto podria ser utilizado ya que el uso de estas semillas procedentes de zonas metaliferas podria mejorar los programas de fitomanejo puesto que se establecerian mas rapida y eficazmente en las zonas degradadas