Fotosíntesis: Plantas C3, C4 y CAM

Introducción a la Fotosíntesis y Fotorespiración

Presentación de la Doctora Barbarita Companioni

• La doctora Barbarita Companioni González es invitada para hablar sobre fotosíntesis y fotorespiración en plantas C3 y C4.

• Se agradece al maestro Carlos por la oportunidad de intercambio académico en la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro.

Temas a Tratar

• La clase abordará:

• Captación de energía lumínica y asimilación de CO2.

• Fijación del CO2 en plantas C3 y C4.

• Factores que influyen en la fotosíntesis.

• Implicaciones fisiológicas de la fotosíntesis, con un enfoque en el cultivo de piña.

Importancia de la Agricultura

Dependencia Humana de los Vegetales

• La agricultura es crucial ya que proporciona aproximadamente el 75% de los carbohidratos y proteínas necesarios para la alimentación humana.

• A lo largo de gran parte de su historia, los humanos dependieron de la caza y recolección antes del surgimiento de la revolución verde en los años 60, que transformó las prácticas agrícolas.

Proceso Fotosintético

Definición y Características

• La fotosíntesis es un proceso anabólico donde se sintetizan carbohidratos (glucosa) utilizando luz solar, lo que implica una transformación energética significativa.

• Este proceso es realizado por organismos autótrofos como plantas, algas y cianobacterias, que tienen pigmentos clorofílicos necesarios para captar luz solar.

Variaciones en Fotosíntesis

• Existen diferentes tipos de fotosíntesis (C3, C4) según las condiciones ambientales; cada tipo tiene sus propias características metabólicas.

Estructura Celular Relacionada con Fotosíntesis

Comparativa entre Células Vegetales y Animales

• Las células vegetales realizan fotosíntesis gracias a los cloroplastos que contienen clorofila; a diferencia, las células animales no pueden realizar este proceso debido a su falta de estos organelos.

• Otra diferencia clave es que las células vegetales poseen una pared celular rígida que protege sus organelos, mientras que las células animales son más flexibles sin esta estructura protectora.

Ecuación Química Fundamental

Reacción Principal en Fotosíntesis

• La ecuación básica representa cómo el carbono (CO2) y agua (H2O), bajo luz solar, producen glucosa (C6H12O6) y oxígeno (O2), siendo este último un desecho liberado al medio ambiente durante el proceso fotosintético.

Morfología Vegetal Relacionada con Fotosíntesis

Estructuras Clave en Plantas

• Se describen dos sistemas principales:

• Sistema radicular: Crece dentro del suelo.

Proceso de Crecimiento y Fotosíntesis en Plantas

Tipos de Crecimiento en Plantas

• La planta presenta dos sistemas de vástago que determinan dos tipos de crecimiento: uno fototrópico positivo, donde crece hacia arriba en presencia de CO2 y luz solar, generando oxígeno.

• El crecimiento se manifiesta tanto hacia arriba (sistema de vástago) como hacia abajo (sistema radicular), lo que se considera un fenómeno positivo.

Estructura y Función de la Hoja

• La hoja es el órgano principal donde ocurre la fotosíntesis; contiene cloroplastos, que son esenciales para este proceso.

• Un corte histológico revela que la hoja está compuesta por una cutícula, epidermis superior e inferior, y un tejido mesófilo que incluye parénquima empalizado y esponjoso.

Tejidos Vasculares y Transporte

• Los tejidos vasculares (xilema y floema) son responsables del transporte de agua y minerales desde el sistema radicular a otras partes de la planta.

• En las hojas también se produce el intercambio gaseoso a través de los estomas, permitiendo la entrada de CO2 y la salida de oxígeno.

Estructura del Estoma

• Las células oclusivas del estoma regulan el intercambio gaseoso; cuando están abiertas permiten la entrada/salida de gases según las condiciones ambientales.

• Se observa cómo los estomas pueden estar abiertos o cerrados dependiendo del estado hídrico y temperatura ambiental, afectando así el proceso fotosintético.

Cloroplastos: Estructura Interna

• Los cloroplastos tienen una membrana externa e interna; su interior contiene lamelas que sostienen los tilacoides donde ocurre la fotosíntesis.

Fases de la Fotosíntesis y el Papel de los Pigmentos

Introducción a los Pigmentos en las Plantas

• La fase luminosa de la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos, donde los pigmentos verdes, como la clorofila, son esenciales para absorber la radiación solar.

• Los principales tipos de clorofila (a, b, c, d y e) son responsables de captar diferentes longitudes de onda de luz; el color del pigmento depende de la longitud de onda reflejada.

• La clorofila absorbe casi todas las longitudes de onda visibles excepto el verde, que es lo que se refleja y se percibe como el color característico de las plantas.

Espectro Electromagnético y Absorción

• Los colores del espectro visible se encuentran entre 400 y 700 nanómetros; cada pigmento tiene un patrón específico de absorción que determina su eficacia.

• La máxima eficiencia en la absorción por parte de la clorofila se da entre 400 y 500 nanómetros, especialmente en las longitudes asociadas con luz roja y azul.

Estructura y Función del Cloroplasto

• El magnesio en la estructura molecular de la clorofila permite absorber luz roja y azul mientras rechaza el verde.

• La fotosíntesis se divide en dos fases: luminosa (que produce ATP y oxígeno como desecho) y oscura (que utiliza esos productos para generar glucosa).

Detalles sobre las Fases Luminosa y Oscura

• En la fase luminosa, que requiere luz solar, se producen ATP y NADPH; el oxígeno es un subproducto liberado al ambiente.

• La fase oscura no necesita luz directa; utiliza ATP para fijar carbono durante el ciclo Calvin-Benson produciendo glucosa.

Procesos Internos del Cloroplasto

• En esta fase oscura también se generan desechos como ADP; es crucial entender cómo estos procesos están interconectados dentro del cloroplasto.

• Se describe esquemáticamente cómo ocurre cada fase dentro del tilacoide del cloroplasto: donde sucede la captura inicial de energía lumínica.

Excitación Electrónica por Luz Solar

• Durante la fase luminosa, los fotones excitan electrones en los fotosistemas I (680 nm) y II (700 nm), iniciando una cadena transportadora que genera energía química.

Proceso de Fotosíntesis: Fase Luminosa

Desprendimiento y Transporte de Electrones

• Se describe el proceso de desprendimiento de electrones cuando la luz incide en los sistemas, donde el fotosistema 2 cede electrones a través de su excitación.

• Los electrones se trasladan hacia el fotosistema 1 mediante transportadores, generando una acumulación de carga negativa en el citocromo.

Acumulación de Iones Hidrogenados

• La acumulación de cargas negativas atrae iones hidrogenados positivos, que entran al citocromo y se acumulan en un espacio específico.

• Los electrones del fotosistema 2 son transferidos y también se liberan, lo que lleva a un ciclo continuo en la transferencia electrónica.

Separación del Agua

• La molécula de agua se separa en oxígeno y dos electrones negativos; estos últimos son utilizados para reabastecer al fotosistema 2.

• Los electrones obtenidos del agua son transportados al fotosistema 1 a través de portadores electrónicos.

Formación del ATP

• Los electrones combinados con NADP+ forman NADPH, mientras que la energía liberada permite la síntesis de ATP a partir de ADP y fósforo.

• La ATP sintasa utiliza la acumulación de iones hidrogenados para generar ATP durante este proceso.

Etapas del Proceso Luminosa

• Se describen cuatro etapas clave: fotooxidación (excitación por luz), fotoreducción (ganancia de hidrógenos por NADP+), fotólisis (ruptura del agua), y fosforilación (formación de ATP).

• Cada etapa es crucial para completar la fase luminosa, culminando en la producción efectiva del trifosfato adenosina (ATP).

Transición a la Fase Oscura

Activación y Ciclo Inverso

• La fase oscura comienza con ribulosa bisfosfato activada por ATP obtenido durante la fase luminosa.

• Este ciclo inverso implica fijar carbono utilizando CO2 atmosférico mediante una enzima específica llamada rubisco.

Proceso Detallado

Proceso de Fotosíntesis y Ciclos de Carbono

Fase Oscura de la Fotosíntesis

• La unión del fosfato con la neuro genera una exosa inestable que se separa en dos moléculas de tres carbonos: el 3-fosfoglicerato y el 1,3-bisfosfoglicerato.

• La liberación de ATP permite la formación del 1,3-bisfosfoglicerato, que luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), un precursor para la glucosa.

• Este proceso ocurre durante la fase oscura, donde se fija el carbono atmosférico a través del ciclo de Calvin.

• Se produce glucosa mediante síntesis a partir del G3P y regeneración del ribulosa bifosfato (RuBP).

Fase Lumínica de la Fotosíntesis

• En esta fase, los electrones son liberados por el agua al ser descompuesta por la luz solar, generando ATP y NADPH como productos.

• Estos productos son utilizados en la fase oscura para fijar CO2 y sintetizar azúcares como glucosa.

Tipos de Plantas según su Proceso Fotosintético

Plantas C3

• Las plantas C3 realizan fotosíntesis utilizando un ciclo que forma compuestos de tres carbonos; representan aproximadamente el 80% al 89% de las plantas.

• Carecen de adaptaciones especiales para reducir la fotorespiración, lo que les hace menos eficientes en condiciones ambientales adversas.

Eficiencia Hídrica

• Las plantas C3 pierden alrededor del 90% del agua absorbida debido a su baja eficiencia hídrica durante el proceso fotosintético.

Anatomía y Estructura

• Estas plantas tienen una epidermis con mesófilo esponjoso que facilita el intercambio gaseoso; su anatomía no está adaptada para combatir eficientemente la fotorespiración.

Plantas C4

Características Específicas

Adaptaciones de Plantas en Ambientes con Estrés Hídrico

Estructuras y Funciones de las Plantas C4

• Las plantas C4, como el sorgo, maíz y caña de azúcar, han desarrollado estructuras anatómicas que minimizan la foto-respiración al separar la aplicación inicial de CO2 del ciclo de Calvin.

• Estas plantas son especialistas en ambientes áridos y semiáridos, mostrando una mayor eficiencia en el uso del agua gracias a sus adaptaciones anatómicas.

• La estructura anatómica incluye una vaina que protege los haces vasculares y un mesófilo especializado que permite una mejor captación de luz y CO2.

Características Anatómicas Específicas

• Los cloroplastos en las células de la vaina son más grandes y acumulan más clorofila, lo que mejora su capacidad fotosintética.

• En las plantas C4, el mesófilo tiene un parénquima empalizado que optimiza la captura de luz solar para la fotosíntesis.

Metabolismo y Ciclos Fotosintéticos

• El metabolismo CAM (Metabolismo Ácido Crasuláceo) permite a estas plantas fijar carbono durante la noche, reduciendo así la pérdida de agua por transpiración.

• Durante la noche, se abre el estoma para permitir la fijación del carbono mientras se minimiza la pérdida hídrica.

Estrategias para Manejar Estrés Hídrico

• Las plantas presentan tejidos suculentos que almacenan agua y tienen sistemas extensivos para absorberla eficientemente.

• Ejemplos incluyen piñas y nopales, que muestran adaptaciones específicas para sobrevivir en condiciones secas.

Tipos de Metabolismo en Plantas C4

• Existen diferentes tipos dentro del metabolismo CAM: constitutivas (alta acumulación de ácidos orgánicos durante la noche) e inducibles (variaciones según condiciones ambientales).

La influencia del estrés en el fisiotipo de las plantas

Comportamientos y fisio tipos en plantas

• La manifestación de los genotipos en las plantas se ve afectada por el estrés ambiental, generando diferentes fisio tipos que reflejan la adaptación metabólica a condiciones adversas.

• Un ejemplo es la piña, que bajo condiciones normales se presenta como un constitutivo fuerte, pero en plántulas in vitro muestra un fisio tipo diferente debido a su entorno controlado.

Estructuras y adaptaciones de las plantas

• Se discuten diferencias estructurales entre dos grupos de plantas (C3 y C4), donde las estructuras como los estomas son cruciales para su adaptación al medio ambiente.

• Las plantas C3 abren sus estomas durante el día, mientras que las C4 tienen mecanismos más flexibles que les permiten realizar fotosíntesis tanto de día como de noche.

Eficiencia hídrica y fijación de carbono

• La pérdida de agua varía significativamente entre diferentes tipos de plantas; por ejemplo, algunas pueden perder hasta 100 gramos de agua por cada gramo de CO2 fijado, mientras que otras son más eficientes con menos pérdida.

• Esta eficiencia está relacionada con la anatomía y funcionamiento del ciclo de fijación del carbono, lo cual es vital para sobrevivir en condiciones adversas.

Proceso fotosintético y factores condicionantes

• El proceso fotosintético incluye fases luminosas y oscuras; se menciona cómo este proceso ocurre en diversas especies como arroz y maíz bajo diferentes condiciones ambientales.

• Los factores que afectan la fotosíntesis incluyen luz, pigmentos, agua, CO2 y temperatura. Cada uno juega un papel crucial en la eficacia del proceso fotosintético.

Importancia de la luz en la fotosíntesis

• La luz es esencial para la fotosíntesis; su eficacia depende de diferentes longitudes de onda. La luz roja-anaranjada es más efectiva comparada con otros colores como el azul o verde.

¿Cuáles son los factores que influyen en la fotosíntesis?

Importancia del agua en la fotosíntesis

• La clorofila y otros pigmentos son esenciales para el proceso de fotosíntesis, donde el agua actúa como donante de electrones.

• El agua es crucial para disolver elementos químicos del suelo, permitiendo a las plantas construir sus tejidos.

Transporte de nutrientes y minerales

• Las raíces absorben agua y minerales, que se transportan a través de la savia hacia diferentes partes de la planta.

• El CO2 es necesario para fijar carbono dentro de las células vegetales, lo cual es fundamental para sintetizar hidratos de carbono.

Proceso de síntesis y desechos

• Durante la fotosíntesis, el hidrógeno y oxígeno del agua se combinan con CO2 para producir glucosa y oxígeno como desecho.

• Las plantas autótrofas utilizan glucosa como alimento y almacenan parte como reserva.

Temperatura óptima para la productividad

• La temperatura ideal para una máxima productividad se sitúa entre 20 a 30 grados Celsius; sin embargo, puede variar entre 0 a 50 grados Celsius.

• Los frutales se clasifican según su adaptación a diferentes climas: templado frío (manzana), templado cálido (melocotón), subtropical (cítricos), tropical (mango).

Factores internos y externos que afectan la producción agrícola

• Los factores bióticos (interacciones ecológicas) y abióticos (físicos y químicos) influyen en la calidad y cantidad de productos vegetales.

• Desde un punto de vista genético, el fenotipo se expresa por influencia ambiental sobre el genotipo, afectando así el rendimiento agrícola.

Manejo cultural en agricultura

• Para optimizar calidad y cantidad en productos agrícolas, es esencial manejar adecuadamente los factores internos (genéticos) y externos (ambientales).

Atención Cultural en el Cultivo de Piña

Factores que Afectan el Crecimiento de las Plantas

• Las plantas requieren atención cultural para crecer adecuadamente, lo que incluye la selección genética y condiciones ambientales.

• La preparación del suelo es crucial antes y durante el desarrollo del cultivo, así como la gestión del riego y la fertilización.

• La protección contra enfermedades es esencial para mantener la salud de las plantas.

Investigación sobre el Déficit Hídrico

• Se estudia el efecto del déficit hídrico en cambios morfo-fisiológicos y bioquímicos en plantas micropropagadas de piña MD2.

• La piña MD2 es un híbrido con alta demanda económica debido a su calidad y rendimiento productivo.

Biotecnología y Micropropagación

• La biotecnología permite obtener material de propagación rápidamente, pero requiere condiciones específicas para asegurar la supervivencia de las plántulas.

• Las plántulas obtenidas in vitro enfrentan desafíos al ser aclimatadas a condiciones externas, mostrando bajas tasas de crecimiento.

Problemas en Condiciones de Campo

• Al trasladar plántulas al campo, se observan problemas como quemaduras en hojas y baja supervivencia.

• A pesar de mejoras en los medios físicos-químicos para cultivos in vitro, persisten problemas al adaptarse al campo.

Estrategias para Mejorar Supervivencia

• Investigadores analizan cómo manejar variables ambientales (luz, humedad, nutrición, temperatura) para mejorar respuestas fisiológicas.

• El manejo adecuado puede favorecer la aclimatación y aumentar la supervivencia de plántulas generadas in vitro.

Protocolo de Micropropagación

• Se presenta un protocolo específico para micropropagar piñas MD2 desde una planta madre hasta su establecimiento in vitro.

• El proceso incluye etapas desde el desove hasta la multiplicación mediante sistemas semiautomáticos que aceleran producción.

Preparación Final para Aclimatación

• Una vez finalizado el proceso de multiplicación, se obtienen plántulas listas para aclimatarse a gran escala dentro de invernaderos.

Efectos del Riego en Plántulas de Piña

Aclimatación y Condiciones Iniciales

• Se aclimataron plántulas de piña en invernaderos durante cinco meses, logrando una masa fresca de 34 a 36 gramos y entre 11 a 12 hojas funcionales.

• Las plantas fueron divididas en grupos para experimentar con diferentes condiciones de riego.

Experimento de Riego

• Durante 30 días, se regaron dos grupos: uno con riego (120 ml por planta) y otro sin riego. Después, ambos grupos recibieron saturación del sustrato.

• El objetivo era observar el efecto del riego sobre parámetros morfofisiológicos como la longitud y ancho de las hojas.

Parámetros Medidos

• Se midieron varios parámetros: número de hojas, longitud y ancho de las hojas, masa fresca y seca, contenido de agua e intercambio gaseoso.

• También se evaluó el contenido total de clorofila y el índice de suculencia para determinar la capacidad interna de producción de ácidos orgánicos.

Resultados del Crecimiento

• Las plantas con riego mostraron un incremento significativo en la longitud de las hojas desde los 0 hasta los 45 días.

• En contraste, las plantas sin riego presentaron disminución inicial en la longitud pero recuperaron rápidamente tras la saturación del sustrato.

Comportamiento del Contenido Hídrico

• Las plantas sin riego mantuvieron un contenido hídrico estacionario hasta los 30 días; luego recuperaron drásticamente al recibir agua.

Recuperación y Asimilación en Plantas

Proceso de Recuperación y Efectos del Riego

• Después de 30 días, las plantas muestran una recuperación al abrir su funcionamiento, lo que reduce el índice de suplencia. Esto implica que se mantiene agua en la célula para realizar el proceso adecuado.

• En condiciones de urgencia sin suministro de agua, las plántulas no pueden asimilar SO2 debido a que sus tomas están cerradas. Esto afecta negativamente su desarrollo durante los primeros 30 días.

• A partir del día 30, las plántulas fuera del invernadero recuperan rápidamente la asimilación de SO2. La transpiración se ve afectada por la falta de riego hasta ese momento.

• Se observa que la eficiencia en el uso del agua es mayor en plántulas sin riego hasta un punto estacional donde comienza a disminuir debido a condiciones adversas.

• Los porcentajes de asimilación de CO2 son más altos entre las 9 PM y 9 AM en plántulas sin riego, mostrando una marcada diferencia con respecto a aquellas con riego.

Impacto del Déficit Hídrico

• Las plántulas sin riego producen más ácidos orgánicos entre los días 30 y 45, mientras que las plantas con riego muestran una disminución bajo condiciones externas adversas.

• Ambos grupos presentan un comportamiento similar en cuanto a actividad metabólica, pero las plántulas sin riego muestran mayor presión osmótica al cerrar estomas para evitar pérdida de agua.

• Durante el déficit hídrico, las plántulas sin riego cierran completamente sus estomas durante el día para conservar agua, mientras que las regadas responden mejor después de los primeros 15 días.

Conclusiones sobre Plasticidad Metabólica

• Se observó una disminución en la expresión genética relacionada con el restablecimiento del riego tras los 30 días. Las plantas mostraron alta plasticidad metabólica desde los primeros días.

• A los 15 días, se notó un incremento significativo en indicadores morfológicos como ancho y número de hojas, sugiriendo mejor preparación para transición al campo.

• El mecanismo "camps" permite mejorar la eficiencia hídrica en estas plantas.

Importancia del Proceso Fotosintético

• La fotosíntesis es crucial no solo para plantas sino también para otros organismos como algas y cianobacterias; es fundamental entender este proceso dentro del contexto agronómico.

• Es esencial aprender sobre fotosíntesis ya que involucra reacciones bioquímicas complejas ocurridas principalmente en cloroplastos durante fases luminosa y oscura.

Experimento sobre Fotorespiración en Agricultura

Introducción al Experimento

• Se llevó a cabo un experimento que comenzó en el laboratorio y se trasladó al campo, con el objetivo de evaluar la factibilidad de modificar el proceso de fotorespiración en las plantas.

• El enfoque del experimento es transformar una planta que actualmente tiene un rendimiento bajo (tipo tres o cuatro) a una variedad que ofrezca mayores rendimientos.

Impacto en la Agricultura

• Este cambio no solo busca mejorar los rendimientos, sino también salvar cultivos que enfrentan problemas específicos, lo cual es crucial para la sostenibilidad agrícola.

Agradecimientos y Reconocimientos

• Se expresa un agradecimiento especial a la doctora Barbarita González por su contribución al tema y por dedicar tiempo a impartirlo.