El papel del molibdeno en la respuesta de las plantas al estrés oxidativo

El molibdeno (Mo) es uno de los micronutrientes esenciales menos abundante en plantas pero de enorme impacto en la nutrición y en la respuesta al estrés oxidativo.  No es funcional en su estado elemental y sólo adquiere actividad biológica cuando está asociado a un grupo prostético que se conoce como cofactor molibdeno (MoCo, por su sigla en inglés).

MoCo funciona como activador de más de 50 enzimas que catalizan reacciones de óxido-reducción en sistemas biológicos, cinco de las cuales ocurren en plantas.  Entre estas se encuentran la nitrato reductasa y la aldehído oxidasa, dos enzimas conectadas con la tolerancia al estrés oxidativo a través su dependencia del Mo, aunque con funciones metabólicas muy diferentes.

Molibdeno y asimilación del nitrógeno; el papel de la nitrato reductasa

A diferencia de fuentes amoniacales en donde el amonio se incorpora directamente al glutamato para iniciar la asimilación del nitrógeno en compuestos orgánicos, el nitrato debe ser reducido como condición necesaria para su incorporación al metabolismo celular.  La enzima nitrato reductasa (NR) cataliza el primer paso de esta asimilación, y que consiste en la reducción del nitrato a nitrito en una reacción que ocurre sólo cuando MoCo se ha asociado al sitio activo de la enzima.

Debido a su extrema toxicidad para la célula, el nitrito es rápidamente reducido a amonio en la segunda reacción de asimilación catalizada por la enzima nitrito reductasa.  El nitrito puede también reducirse a óxido nítrico (NO) en lugar de amonio, en una reacción catalizada por la misma enzima NR.  Aunque a una baja tasa de conversión respecto a la reducción a amonio, esta reacción es la más importante fuente de generación de NO en plantas.

Además de ser el precursor del óxido nitroso (un poderoso gas de efecto invernadero), y una especie de oxigeno reactivo, el NO es una molécula de señal que en muy baja concentración juega un papel clave en el crecimiento y desarrollo, así como en la adaptación de las plantas al estrés oxidativo.

En respuesta a este estrés, el Mo estimula la actividad NR y la producción de NO como consecuencia.  Esto se traduce en la activación de los mecanismos de defensa antioxidante, como recientemente se demostró en trigos sometidos a condiciones de sequía.  Incrementos en la actividad de enzimas antioxidantes como superóxido dismutasa, catalasa y peroxidasa, así como en la concentración de solutos compatibles como la prolina se encontraron asociadas a esta respuesta  ^[1,2].

Molibdeno y biosíntesis de ácido abscísico; la función de la aldehído oxidasa

Además de su efecto en la producción de NO, estudios de la fisiología clásica han demostrado que la aplicación de Mo a trigo deficiente en este elemento estimula la biosíntesis de ácido abscísico (ABA), una fitohormona involucrada en procesos de crecimiento y desarrollo, y en la respuesta a estreses abióticos a través de su participación en la regulación de estomas y relaciones hídricas.

El incremento en ABA mediado por la aplicación de Mo ocurre a través de la estimulación de la actividad aldehído oxidasa (AO), una  molibdoenzima que cataliza la última reacción en la biosíntesis de esta hormona en células vegetales.

A diferencia de la NR, la enzima AO requiere de una versión de MoCo con un átomo adicional de azufre (MoCo sulfurado) catalizado por la enzima MoCo sulfurasa (ABA3).  ABA3 es activada por estrés ambientales y es, por lo tanto, la enzima responsable de muchas de las funciones anti-estrés que caracterizan al ABA.

La deficiencia de MoCo sulfurado reduce la actividad AO, cuya consecuencia inmediata es un incremento en la pérdida de agua por transpiración debido al descontrol del cierre estomático mediado por el ABA.  Este efecto es otra evidencia sobre la importancia del Mo en la tolerancia a la sequía, y que en este caso ocurre a través de la modulación en la biosíntesis de ABA.

El óxido nítrico conecta la asimilación del nitrógeno y la síntesis de ABA con la tolerancia al estrés oxidativo

La tolerancia a daño oxidativo inducido por el Mo se ha demostrado que ocurre no sólo en respuesta a sequía sino también al estrés por frio y estrés salino ^[1,3].  Está asociada a adaptaciones metabólicas que favorecen el ajuste osmótico y la homeostasis de especies de oxigeno reactivo propias de los mecanismos de defensa antioxidante.  La evidencia indica que sería el NO el gatillador de esta adaptación metabólica, y que la producción de NO necesario para iniciarla está asociada a la estimulación de la actividad NR y AO en donde el Mo desempeña el papel central ^[3] (Figura 1).

Consideraciones prácticas

En sus formas iónicas, el Mo comparte varias similaridades químicas con el tungsteno (W), un elemento traza de ocurrencia frecuente como contaminante en fertilizantes fosfatados.  Debido a esta similitud, y cuando el W es absorbido por las plantas, el ion tungstato (WO₄^2-) compite con el ion molibdato (MoO₄^2-) en MoCo, lo que resulta en la inhibición de la actividad NR, AO y otras molibdoenzimas  ^[4].

Dependiendo de su origen, los fertilizantes fosfatados pueden contener entre 2 y hasta 100 mg kg^-1 (ppm) de W y hasta 20 ppm de Mo además de otros elementos traza ^[4,5], un aporte que en el largo plazo contribuiría a la acumulación de Mo y W en la capa arable de los suelos.

En el suelo, ambos iones compiten con el ion fosfato por sitios de adsorción en coloides o en óxidos de hierro y aluminio en aquellos con pH<5,5.  En estos suelos ácidos, el fosfato aplicado como fertilizante bloquea los sitios de adsorción lo que incrementa la disponibilidad de Mo, de manera similar a efecto producido por el encalado.  Para que ocurra desorción del Mo, sin embargo, se requiere de dosis de fertilizante por sobre 60 y hasta 200 ppm de P dependiendo del tipo de suelo ^[6,7],  una práctica evidentemente insostenible en la agricultura moderna.

La alta afinidad del ion MoO₄^2- por sitios de adsorción explica el normalmente bajo Mo disponible en suelos ácidos, sobre todo de aquellos bajos en fósforo disponible.  Es en estas condiciones de suelo donde la deficiencia de Mo puede limitar la capacidad de las especies para responder al estrés oxidativo, en particular de aquellas con altos requerimientos como las crucíferas y las leguminosas y no leguminosas que dependen de la fijación biológica de nitrógeno.

PHLOEM, Febrero de 2019

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Referencias

1. Wu S, Hu C, Tan Q, Xu S, Sue, X.  2017.  Nitric oxide mediates molybdenum-induced antioxidant defense in wheat under drought stress.  Plant Sci. 8:1085. doi.org/10.3389/fpls.2017.01085.
2. Wu S, Hu C, Tan Q, Nie Z. et al.  2014.  Effects of molybdenum on water utilization, antioxidative defense system and osmotic-adjustment ability in winter wheat (Triticum aestivum) under drought stress.  Plant Physiol. Biochem. 83:365-374.
3. Wu S, Hu C, Tan Q, Zhao X, et al.  2018.  Nitric oxide acts downstream of abscisic acid in molybdenum-induced oxidative tolerance in wheat.  Plant Cell Rep. 37:599-610. doi: 10.1007/s00299-018-2254-0.
4. Adamakis I-DS, Panteris E, Eleftheriou EP.  2012.  Tungsten toxicity in plants.  Plants 1, 82-99; doi:10.3390/plants1020082
5. Charter RA, Tabatabai MA, Schafer JW.  1995.  Arsenic, molybdenum, selenium, and tungsten contents of fertilizers and phosphate rocks. Commun. Soil Sci. Plant Anal.  26:3051-3062.
6. Rutkowska B, Szulc W,  Spychaj-Fabisiak E,  Pior N.  2017.  Prediction of molybdenum availability to plants in differentiated soil conditions.  Plant Soil Environ. 63:491-497.
7. Ribera AE, Mora M, Ghiselini V, Demanet R, Gallardo F.  2010.  Phosphorus-molydenum relationship in soil and red clover (Trifolium pratense) on an acid andisol.  R. C. Suelo Nutr. Veg. 10: 78–79.