METABOLISMO ÁCIDO DE LAS CRASULÁCEAS
Crassulacean Acid Metabolism

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

CAM: ORIGEN POLIFILÉTICO

El (CAM) ocurre en aproximadamente el 7% de las plantas vasculares (Cushman, 2001). Se piensa que las angiospermas terrestres CAM se diversificaron de forma polifilética a partir de ancestros C3 en algún punto durante el mioceno como una consecuencia de la disminución del CO₂ atmosférico (Raven y Spicer, 1996). Existe evidencia que indica que la dirección evolutiva ha sido de intermedios C3-CAM a CAM totales (revisado por Cushman, 2001). Paralelamente, por especialización y colonización de nuevos ecosistemas progresivamente más áridos, la plasticidad fotosintética llevó a la especiación (Bastide et al., 1993; Lüttge, 2002). El metabolismo CAM se encuentra en pteridófitos, gimnospermas y angiospermas, presentándose en este último grupo tanto en dicotiledóneas como en monocotiledóneas, abarcando 33 familias y 328 géneros (Winter y Smith, 1996).

Evolución molecular: la maquinaria bioquímica necesaria para CAM se encuentra pre-sente en todas las plantas superiores, y está involucrada en un gran número de funciones metabólicas (Cushman, 2001). Teniendo en cuenta esto, ¿qué mecanismos moleculares fueron los responsables para la evolución de CAM? Una posibilidad, es que CAM surgió de células del mesófilo que se apropiaron de la expresión génica perteneciente a elevadas tasas de síntesis de malato y decarboxilación del mismo; este mismo patrón se encuentra en células acompañantes (Cockburn, 1983). Por tanto, variaciones en el metabolismo fotosintético del carbono pudieron haber evolucionado directamente de cualquier célula (Cushman y Bohnert, 1997). Además, serían necesarios cambios evolutivos en mecanismos de transducción de señales dirigidos a la regulación diurna de las actividades enzimáticas. Actualmente, la carencia de secuencias de nucleótidos de varias especies CAM y de sus genes específicos, ha impedido construir filogenias moleculares confiables (Cushman y Bohnert, 1997) y aunque el metabolismo ácido de las crasuláceas es una adaptación a la sequía por parte de especies vegetales terrestres, éste se manifiesta en un gran y diverso conjunto de especies y formas de vida, por lo que generalizaciones sobre el camino evolutivo deben ser realizadas con precaución.

La plasticidad en la expresión de estas fases es una característica ubicua de la mayor parte de las plantas CAM. CAM está íntimamente ligado al medio ambiente, y puede ser modificado o perturbado por temperatura, intensidad lumínica, estatus nutricional, humedad ambiental relativa y disponibilidad de agua (Dodd et al., 2002). A nivel específico, las cuatro fases anteriormente mencionadas proveen un marco referencial conveniente para describir a CAM, pero se debe tener en cuenta que este esquema es probablemente el modelo ideal y en muchos casos no el real para dicho metabolismo, por lo que muchas modificaciones han sido referenciadas (Tabla 1). Con notables excepciones, incluso las especies con menor plasticidad responderán a cambios en el ambiente ajustando su expresión CAM. Por ejemplo, bajo condiciones de buena humedad relativa, disponibilidad de agua y luz constante, Kalanchoë daigremontiana exhibe las cuatro fases clásicas de CAM; sin embargo, luego de un período corto de sequía, el patrón de las fases es ajustado de tal manera que la fase II se ve seriamente reducida a 1 h y la fase IV no se presenta. Después del riego se restablecen las cuatro fases nuevamente (Griffiths et al., 2002). Las especies C3-CAM son probablemente las de mayor plasticidad en la expresión de CAM porque poseen una capacidad inherente de inducir CAM dependiendo de los factores medioambientales presentes (Dodd et al., 2002). Por ejemplo, en la especie Mesembryanthemum crystallinum el cambio de C3 a CAM se observa cuando se induce estrés por déficit hídrico u osmótico (Adams et al., 1998). Las plantas “CAM-cíclico” muestran toma diurna de CO₂ durante las primeras horas del día más refijación nocturna de CO₂ respiratorio, acompañado por una pequeña fluctuación de ácidos orgánicos de cuatro carbonos (Dodd et al., 2002; Lüttge, 2004). En especies CAM obligadas, la toma de CO₂ ocurre predominantemente en la fase I con alguna toma en las fases II y IV (dependiendo del estatus hídrico) y con una gran fluctuación de ácidos orgánicos de cuatro carbonos (Dodd et al., 2002, Lüttge, 2004). Bajo condiciones de estrés hídrico severo ciertas especies mostrarían “CAM inútil” en donde los estomas permanecen cerrados día y noche previniendo la toma de CO₂ y la pérdida de agua; aun así, las plantas continuarían mostrando pequeñas fluctuaciones de ácidos de cuatro carbonos debido a la fijación de CO₂ respiratorio. En general, la inducción de CAM es considerada como una respuesta al estrés que mantiene un balance positivo del carbono (Dodd et al., 2002).

Tabla 1. Plasticidad CAM. Modos de relaciones medioambientales e influencia ontogénica (Adaptado de Cushman, 2001). Los signos negativos indican efecto sustancial no ocurrente. Las interrogaciones indican información no disponible.

Figura 2. Flujos de carbono en una célula CAM (Tipo ME) durante el ciclo diurno. Durante la fase I (A),toma nocturna de CO₂ a partir de la apertura estomática y rompimiento de carbohidratos de reserva resultando en la formación de PEP, que sirve como sustrato para la fijación de CO₂ por parte de la PEPC, llevando así a la producción (OAA) y a la reducción a malato por la MDH. La PEP es suministrada por la formación y exportación glicolítica de 3-fosfoglicerato del cloroplasto vía transportadores Pi. El malato es transportado dentro de la vacuola por un canal iónico selectivo ubicado en el tonoplasto. A medida que la planta es expuesta al efecto de la luz, los estomas se cierran gradualmente y la fijación de CO₂ externa cesa. En la fase III (B), el malato es liberado de la vacuola de forma pasiva y decarboxilado por ME llevando a la liberación de CO₂ y la formación de piruvato por parte de la PPDK. La decarboxilación del malato ocurre concurrentemente con un incremento de CO₂ intracelular suprimiendo en parte, la fotorrespiración. El CO₂ liberado es reasimilado por la Rubisco mediante el ciclo fotosintético de reducción del carbono (PCR). Piruvato y PEP abastecen la gluconeogénesis para regenerar el conjunto de carbohidratos de reserva. En la fase IV, las concentraciones internas de CO₂ decaen y los estomas pueden abrirse permitiendo la fijación de CO₂ exógeno por parte de la Rubisco. La PEPC puede tornarse activa durante esta fase a medida que las concentraciones de malato citoplasmático disminuyen. La figura también muestra la contribución mitocondrial a la formación y decarboxilación de malato. MT: mitocondria, CP: cloroplasto, CA: anhidrasa carbónica, PGM: fosfogliceromutasa (catalizador de 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato), PHI: fosfohexosa isomerasa (catalizador de Fru-6-P en Glu-6-P), Mal: malato, PYR: pyruvato, FUM: fumarato, TCA: ácido tricarboxílico, PEPC: fosfoenol piruvato carboxilasa (catalizador de PEP y HCO^-3 en oxalacetato), MDH: (cataliza oxalacetato y NADH en malato y NAD⁺), enolasa: (cataliza 2-fosfoglicerato en PEP, adaptado de Cushman y Bohnert, 1997).

La maquinaria enzimática requerida para desempeñar CAM se encuentra presente en todas las plantas superiores (Cushman y Bohnert, 1997). Sin embargo, en plantas CAM y C4 la actividad de enzimas claves tales como PEPC, PPDK, NAD(P)-ME y PEPCK es mucho más alta que en plantas C3. Aun así, la compartimentación celular de dichas enzimas difiere entre plantas CAM y C4. En las plantas CAM han evolucionado patrones diurnos y nocturnos específicos de expresión y regulación para acomodar el flujo de carbono a través de gluconeogénesis y glicólisis necesarios para satisfacer la demanda nocturna de PEP y decarboxilación diurna de ácidos orgánicos de cuatro carbonos (Paul et al., 1993). La caracterización de ciertos genes CAM específicos y sus patrones de expresión en plantas CAM facultativas han dado luces sobre los mecanismos moleculares sujetos a la evolución y expresión de dichas enzimas.

Los mecanismos implicados en la conversión de señales ambientales y ontogénicas a distintas expresiones génicas de CAM, (plasticidad), permanecen en gran medida inexploradas. Una gran multitud de factores tales como concentraciones intracelulares de Ca²⁺, CO₂, malato y carbohidratos; estado redox, o pH citosólico pueden participar en la señalización durante la inducción a CAM (Cushman y Bohnert, 1997). La reducción de las reservas de malato trae como consecuencia la reducción de concentraciones de CO₂ y Ca²⁺, iniciando la apertura estomática hacia el final del período lumínico. En las células acompañantes, los niveles altos de ABA o CO₂ intercelular resultan en cierre estomático (Sharkey, 1993); por ello se espera que cambios en las concentraciones de Ca²⁺ actúen para mediar el cierre estomático durante las fases diurnas del ciclo CAM. Sin embargo, las plantas CAM parecen sufrir una inactivación de los fotorreceptores para luz azul y roja que normalmente median la reapertura estomática diurna, de tal forma que la apertura y cierre estomático se encuentre modulado por factores tales como ABA o CO₂ (Lee y Assman, 1992).

CAM se encuentra controlado por una compleja red de señalización independiente pero relacionada (Cushman y Bohnert, 1997). Por ejemplo, expresiones fisiológicas y génicas producidas por ABA persisten en M. crystallinum incluso cuando el ABA es suprimido usando lovastatina (Thomas et al., 1992). Evidencia reciente sugiere que grupos específicos de proteínas quinasas y fosfatasas catalizan la fosforilación reversible de una serie de pasos y modulan eventos tales como movimientos estomáticos y cambios en la expresión génica (Cushman y Bohnert, 1997). En M. crystallinum, el tratamiento en las hojas con ácido okadaico (inhibidor específico de proteínas fosfatasas tipo 1 y 2A), inhibe la acumulación de transcritos Ppc1 inducidos por deshidratación, estrés salino, ABA y metil jasmonato, sugiriendo que estas fosfatasas blanco participan en la señal de transducción que lleva a la inducción de CAM. En contraste, el tratamiento con W-7, un antagonista de la calmodulina, inhibe específicamente la acumulación de transcritos Ppc1 en respuesta a estrés osmótico, mas no por déficit hídrico (revisado por Cushman y Bohnert, 1997), lo cual sugiere que mecanismos de señalización independientes operan en respuesta a distintos estres ambientales, y que por lo menos un mecanismo compromete cambios en la concentración citoplasmática de Ca²⁺ .

CAM es una adaptación muy exitosa que permite a ciertas plantas habitar o competir en ambientes con limitaciones de agua o CO₂. Aspectos ecofisiológicos, anatómicos, taxonómicos, bioquímicos y evolutivos han sido extensamente estudiados. Estos estudios demuestran que CAM y su inducción por estrés medioambientales proveen uno de los ejemplos más complejos e interesantes de rutas de regulación fisiológica y genética. Sin embargo, quedan grandes áreas sin resolver con respecto a CAM, por lo que en un futuro las investigaciones se deben dirigir hacia el desarrollar de programas en el área de bioquímica, fisiológica y genómica en modelos selectos de plantas CAM. Estas aproximaciones proveerán una visión más integrada de las dinámicas de regulación implicadas en las respuestas a factores ambientales cambiantes de la plasticidad observada en CAM.