Estrés abiótico

El estrés abiótico es el impacto negativo de los factores no vivos sobre los organismos vivos en un entorno específico. La variable no viva debe influir en el medio ambiente más allá de su rango normal de variación para afectar negativamente el desempeño de la población o la fisiología individual del organismo de manera significativa.

Mientras que un estrés biótico incluiría perturbaciones vivas como hongos o insectos dañinos, los factores de estrés abiótico o estresores son factores naturales, a menudo intangibles e inanimados, como la luz solar intensa, la temperatura o el viento, que pueden causar daño a las plantas y animales en el área afectada. El estrés abiótico es esencialmente inevitable. El estrés abiótico afecta a los animales, pero las plantas dependen especialmente, si no únicamente, de los factores ambientales, por lo que es particularmente restrictivo. El estrés abiótico es el factor más perjudicial para el crecimiento y la productividad de los cultivos en todo el mundo. La investigación también ha demostrado que los factores estresantes abióticos son más dañinos cuando ocurren juntos, en combinaciones de factores estresantes abióticos.

Ejemplos

El estrés abiótico se presenta de muchas formas. Los factores estresantes más comunes son los más fáciles de identificar para las personas, pero hay muchos otros factores estresantes abióticos menos reconocibles que afectan los entornos constantemente.

Los factores estresantes más básicos incluyen:

• Vientos altos
• Temperaturas extremas
• Sequía
• Flood
• Otros desastres naturales, como tornados y incendios salvajes.
• Cold
• Calor
• Deficiencia de nutrientes

Los factores estresantes menos conocidos generalmente ocurren en una escala más pequeña. Incluyen: malas condiciones edáficas como contenido de roca y niveles de pH, alta radiación, compactación, contaminación y otras condiciones muy específicas como la rápida rehidratación durante la germinación de la semilla.

Efectos

El estrés abiótico, como parte natural de cada ecosistema, afectará a los organismos de diversas maneras. Aunque estos efectos pueden ser beneficiosos o perjudiciales, la ubicación del área es crucial para determinar el alcance del impacto que tendrá el estrés abiótico. Cuanto mayor sea la latitud del área afectada, mayor será el impacto del estrés abiótico en esa área. Por lo tanto, una taiga o bosque boreal está a merced de cualquier factor de estrés abiótico que pueda surgir, mientras que las zonas tropicales son mucho menos susceptibles a tales factores de estrés.

Beneficios

Un ejemplo de una situación en la que el estrés abiótico juega un papel constructivo en un ecosistema son los incendios forestales naturales. Si bien pueden ser un peligro para la seguridad humana, es productivo que estos ecosistemas se quemen de vez en cuando para que los nuevos organismos puedan comenzar a crecer y prosperar. A pesar de que es saludable para un ecosistema, un incendio forestal aún puede considerarse un factor de estrés abiótico, porque ejerce una presión obvia sobre los organismos individuales dentro del área. Cada árbol que se quema y cada nido de pájaro que se devora es un signo del estrés abiótico. Sin embargo, a mayor escala, los incendios forestales naturales son manifestaciones positivas del estrés abiótico.

Lo que también debe tenerse en cuenta al buscar los beneficios del estrés abiótico es que un fenómeno puede no afectar a todo un ecosistema de la misma manera. Si bien una inundación matará a la mayoría de las plantas que viven en la parte baja del suelo en un área determinada, si hay arroz allí, prosperará en condiciones húmedas. Otro ejemplo de esto es el fitoplancton y el zooplancton. Los mismos tipos de condiciones generalmente se consideran estresantes para estos dos tipos de organismos. Actúan de manera muy similar cuando se exponen a la luz ultravioleta ya la mayoría de las toxinas, pero a temperaturas elevadas el fitoplancton reacciona negativamente, mientras que el zooplancton termófilo reacciona positivamente al aumento de temperatura. Los dos pueden estar viviendo en el mismo ambiente, pero un aumento en la temperatura del área resultaría estresante solo para uno de los organismos.

Por último, el estrés abiótico ha permitido que las especies crezcan, se desarrollen y evolucionen, fomentando la selección natural, ya que selecciona a los más débiles de un grupo de organismos. Tanto las plantas como los animales han desarrollado mecanismos que les permiten sobrevivir en condiciones extremas.

Detrimentos

El detrimento más obvio relacionado con el estrés abiótico involucra la agricultura. Un estudio ha afirmado que el estrés abiótico causa la mayor pérdida de cultivos que cualquier otro factor y que la mayoría de los cultivos principales reducen su rendimiento en más del 50% de su rendimiento potencial.

Debido a que el estrés abiótico se considera generalmente un efecto perjudicial, la investigación sobre esta rama del problema es extensa. Para obtener más información sobre los efectos nocivos del estrés abiótico, consulte las secciones a continuación sobre plantas y animales.

En plantas

La primera línea de defensa de una planta contra el estrés abiótico está en sus raíces. Si el suelo que sostiene la planta es saludable y biológicamente diverso, la planta tendrá una mayor probabilidad de sobrevivir en condiciones estresantes.

Las respuestas de las plantas al estrés dependen del tejido u órgano afectado por el estrés. Por ejemplo, las respuestas transcripcionales al estrés son específicas de tejido o célula en las raíces y son muy diferentes dependiendo del estrés involucrado.

Una de las principales respuestas al estrés abiótico, como la alta salinidad, es la alteración de la relación Na+/K+ en el citoplasma de la célula vegetal. Las altas concentraciones de Na+, por ejemplo, pueden disminuir la capacidad de la planta para absorber agua y también alterar las funciones de enzimas y transportadores. Las adaptaciones evolucionadas para restaurar eficientemente la homeostasis de iones celulares han llevado a una amplia variedad de plantas tolerantes al estrés.

La facilitación, o las interacciones positivas entre diferentes especies de plantas, es una intrincada red de asociación en un entorno natural. Así es como las plantas trabajan juntas. En áreas de alto estrés, el nivel de facilitación también es especialmente alto. Esto podría deberse posiblemente a que las plantas necesitan una red más sólida para sobrevivir en un entorno más duro, por lo que sus interacciones entre especies, como la polinización cruzada o las acciones mutualistas, se vuelven más comunes para hacer frente a la severidad de su hábitat.

Las plantas también se adaptan de manera muy diferente unas a otras, incluso de una planta que vive en la misma área. Cuando un grupo de diferentes especies de plantas fue estimulado por una variedad de señales de estrés diferentes, como sequía o frío, cada planta respondió de manera única. Casi ninguna de las respuestas fue similar, a pesar de que las plantas se habían acostumbrado exactamente al mismo entorno doméstico.

Los girasoles son plantas hiperacumuladoras que pueden absorber gran cantidad de metal.

Los suelos serpentinos (medios con bajas concentraciones de nutrientes y altas concentraciones de metales pesados) pueden ser una fuente de estrés abiótico. Inicialmente, la absorción de iones metálicos tóxicos está limitada por la exclusión de la membrana celular. Los iones que se absorben en los tejidos se secuestran en las vacuolas celulares. Este mecanismo de secuestro es facilitado por proteínas en la membrana de la vacuola. Un ejemplo de plantas que se adaptan al suelo serpenteante son las metalófitas, o hiperacumuladoras, ya que son conocidas por su capacidad de absorber metales pesados mediante la translocación de raíz a brote (que absorberá en los brotes en lugar de la planta misma). También se extinguen por su capacidad de absorber sustancias tóxicas de los metales pesados.

Se ha propuesto el cebado químico para aumentar la tolerancia al estrés abiótico en las plantas de cultivo. En este método, que es análogo a la vacunación, se introducen en la planta agentes químicos estresantes en dosis breves para que la planta comience a preparar los mecanismos de defensa. Así, cuando se produce el estrés abiótico, la planta ya tiene preparados mecanismos de defensa que pueden activarse más rápido y aumentar la tolerancia. También se ha demostrado que la exposición previa a dosis tolerables de estrés biótico, como la infestación de insectos que se alimentan del floema, aumenta la tolerancia al estrés abiótico en las plantas.

Impacto en la producción de alimentos

El estrés abiótico afecta principalmente a las plantas utilizadas en la agricultura. Algunos ejemplos de condiciones adversas (que pueden ser causadas por el cambio climático) son temperaturas altas o bajas, sequía, salinidad y toxinas.

• ArrozOryza sativa) es un ejemplo clásico. El arroz es un alimento básico en todo el mundo, especialmente en China e India. Las plantas de arroz pueden sufrir diferentes tipos de estrés abiótico, como sequía y alta salinidad. Estas condiciones de estrés afectan negativamente la producción de arroz. Se ha estudiado la diversidad genética entre varias variedades de arroz con diferentes genotipos, utilizando marcadores moleculares.
• La producción de pollo se ve afectada por la sequía. Los chickpeas son uno de los alimentos más importantes del mundo.
• El trigo es otro cultivo importante que se ve afectado por la sequía: la falta de agua afecta el desarrollo de la planta y puede marchitar las hojas.
• Los cultivos de maíz pueden verse afectados por altas temperaturas y sequías, lo que provoca la pérdida de cultivos de maíz debido al mal desarrollo de plantas.
• Soybean es una fuente importante de proteínas, y su producción también se ve afectada por la sequía.

Estrés salino en plantas

La salinización del suelo, la acumulación de sales solubles en agua a niveles que impactan negativamente en la producción vegetal, es un fenómeno global que afecta aproximadamente a 831 millones de hectáreas de tierra. Más específicamente, el fenómeno amenaza el 19,5 % de las tierras agrícolas irrigadas del mundo y el 2,1 % de las tierras agrícolas no irrigadas (tierras secas) del mundo. El alto contenido de salinidad del suelo puede ser perjudicial para las plantas porque las sales solubles en agua pueden alterar los gradientes de potencial osmótico y, en consecuencia, inhibir muchas funciones celulares. Por ejemplo, el alto contenido de salinidad del suelo puede inhibir el proceso de fotosíntesis al limitar la absorción de agua de una planta; los altos niveles de sales solubles en agua en el suelo pueden disminuir el potencial osmótico del suelo y, en consecuencia, disminuir la diferencia en el potencial hídrico entre el suelo y las raíces de la planta, lo que limita el flujo de electrones del H₂O a P680 en el centro de reacción del Fotosistema II.

Durante generaciones, muchas plantas han mutado y desarrollado diferentes mecanismos para contrarrestar los efectos de la salinidad. Un buen combatiente de la salinidad en las plantas es la hormona etileno. El etileno es conocido por regular el crecimiento y desarrollo de las plantas y hacer frente a condiciones de estrés. Muchas proteínas de la membrana central de las plantas, como ETO2, ERS1 y EIN2, se utilizan para la señalización de etileno en muchos procesos de crecimiento de las plantas. Las mutaciones en estas proteínas pueden conducir a una mayor sensibilidad a la sal y pueden limitar el crecimiento de las plantas. Los efectos de la salinidad se han estudiado en plantas de Arabidopsis que tienen proteínas ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 y EIN4 mutadas. Estas proteínas se usan para la señalización de etileno contra ciertas condiciones de estrés, como la sal y el precursor de etileno ACC se usa para suprimir cualquier sensibilidad al estrés salino.

Hambre de fosfato en las plantas

El fósforo (P) es un macronutriente esencial requerido para el crecimiento y desarrollo de las plantas, pero está presente solo en cantidades limitadas en la mayor parte del suelo del mundo. Las plantas usan P principalmente en forma de fosfatos inorgánicos solubles (PO₄⁻⁻⁻), pero están sujetas a estrés abiótico cuando no hay suficiente PO_{4⁻⁻⁻ en el suelo. El fósforo forma complejos insolubles con Ca y Mg en suelos alcalinos y con Al y Fe en suelos ácidos que hacen que el fósforo no esté disponible para las raíces de las plantas. Cuando hay P biodisponible limitado en el suelo, las plantas muestran síntomas extensos de estrés abiótico, tales como raíces primarias cortas y más raíces laterales y pelos radiculares para tener más superficie disponible para la absorción de fosfato, exudación de ácidos orgánicos y fosfatasa para liberar fosfatos de complejos. moléculas que contienen P y ponerlas a disposición de las plantas en crecimiento' órganos Se ha demostrado que PHR1, un factor de transcripción relacionado con MYB, es un regulador principal de la respuesta de inanición de P en las plantas. También se ha demostrado que PHR1 regula la remodelación extensa de lípidos y metabolitos durante el estrés por limitación de fósforo}

Estrés por sequía

El estrés por sequía, definido como un déficit hídrico natural, es una de las principales causas de pérdidas de cosechas en la agricultura. Esto se debe a que el agua es esencial para muchos procesos fundamentales en el crecimiento de las plantas. Se ha vuelto especialmente importante en los últimos años encontrar una manera de combatir el estrés por sequía. Una disminución de las precipitaciones y el consiguiente aumento de la sequía son muy probables en el futuro debido a un aumento del calentamiento global. Las plantas han ideado muchos mecanismos y adaptaciones para tratar de lidiar con el estrés por sequía. Una de las principales formas en que las plantas combaten el estrés por sequía es cerrando sus estomas. Una hormona clave que regula la apertura y el cierre de los estomas es el ácido abscísico (ABA). La síntesis de ABA hace que el ABA se una a los receptores. Esta unión luego afecta la apertura de los canales iónicos, lo que disminuye la presión de turgencia en los estomas y hace que se cierren. Estudios recientes, realizados por Gonzalez-Villagra, et al., han demostrado cómo los niveles de ABA aumentaron en plantas estresadas por sequía (2018). Demostraron que cuando las plantas se encontraban en una situación estresante producían más ABA para tratar de conservar el agua que tenían en sus hojas. Otro factor extremadamente importante para lidiar con el estrés por sequía y regular la absorción y exportación de agua son las acuaporinas (AQP). Las AQP son proteínas integrales de membrana que forman canales. Estos canales' trabajo principal es el transporte de agua y otros solutos esenciales. Las AQP están reguladas transcripcional y postranscripcionalmente por muchos factores diferentes, como ABA, GA3, pH y Ca²⁺; y los niveles específicos de AQP en ciertas partes de la planta, como las raíces o las hojas, ayudan a atraer la mayor cantidad de agua posible a la planta. Al comprender los mecanismos tanto de las AQP como de la hormona ABA, los científicos podrán producir plantas resistentes a la sequía en el futuro.

Es interesante que se haya descubierto que las plantas que están constantemente expuestas a la sequía forman una especie de "memoria". Un estudio realizado por Tombesi et al. encontró que las plantas que habían estado expuestas previamente a la sequía pudieron idear una especie de estrategia para minimizar la pérdida de agua y disminuir el uso de agua. Descubrieron que las plantas que estuvieron expuestas a condiciones de sequía en realidad cambiaron la forma en que regulaban sus estomas y lo que llamaron "margen de seguridad hidráulica" para disminuir la vulnerabilidad de la planta. Al cambiar la regulación de los estomas y, posteriormente, la transpiración, las plantas pudieron funcionar mejor cuando había menos agua disponible.

En animales

Para los animales, el más estresante de todos los estresores abióticos es el calor. Esto se debe a que muchas especies no pueden regular su temperatura corporal interna. Incluso en las especies que son capaces de regular su propia temperatura, no siempre es un sistema completamente preciso. La temperatura determina las tasas metabólicas, la frecuencia cardíaca y otros factores muy importantes dentro del cuerpo de los animales, por lo que un cambio de temperatura extremo puede angustiar fácilmente el cuerpo del animal. Los animales pueden responder al calor extremo, por ejemplo, a través de la aclimatación natural al calor o excavando en el suelo para encontrar un espacio más fresco.

También es posible ver en los animales que una alta diversidad genética es beneficiosa para proporcionar resiliencia frente a los estresores abióticos severos. Esto actúa como una especie de almacén cuando una especie está plagada de peligros de selección natural. Una variedad de insectos irritantes se encuentran entre los herbívoros más especializados y diversos del planeta, y sus amplias protecciones contra los factores de estrés abiótico han ayudado al insecto a ganar esa posición de honor.

En especies en peligro de extinción

La biodiversidad está determinada por muchas cosas, y una de ellas es el estrés abiótico. Si un entorno es muy estresante, la biodiversidad tiende a ser baja. Si el estrés abiótico no tiene una fuerte presencia en un área, la biodiversidad será mucho mayor.

Esta idea conduce a la comprensión de cómo se relacionan el estrés abiótico y las especies en peligro de extinción. Se ha observado a través de una variedad de ambientes que a medida que aumenta el nivel de estrés abiótico, el número de especies disminuye. Esto significa que es más probable que las especies se conviertan en poblaciones amenazadas, en peligro e incluso extinguidas, cuando y donde el estrés abiótico es especialmente severo.