Efecto del Silicio y el Magnesio en el alivio del estrés causado por metales pesados

Efecto del Silicio y el Magnesio en el alivio del estrés causado por metales pesados

¿Por qué los metales pesados son un problema para la agricultura?

Durante las últimas décadas, la contaminación por metales pesados en el suelo y el agua ha aumentado particularmente en áreas con mayor presión antropogénica. La acumulación de metales pesados en el suelo es motivo de preocupación en la producción agrícola debido a los efectos adversos en la seguridad y comercialización de los alimentos, la salud de los organismos del suelo y la fitotoxicidad que genera en los cultivos afectando su crecimiento.
Altas concentraciones de metales pesados alteran la absorción, acumulación y translocación de elementos esenciales en la planta (Zia-ur-Rehman, Sabir & Nadeem; 2015). Efectos tóxicos comunes causados por metales pesados incluyen la inhibición de crecimiento y fotosíntesis, baja acumulación de biomasa, afectación de la asimilación de nutrientes y del balance hídrico, senescencia y finalmente la muerte de la planta (Ali et al, 2011).

Imagen  tomada de: Sagardoy (2011).

Clasificación de los metales pesados

Los “metales pesados” pueden clasificarse como micronutrientes que en cantidades mínimas son esenciales para las plantas, como es el caso del cobre (Cu), zinc (Zn), hierro (Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), níquel (Ni), y cobalto (Co), involucrados en procesos fisiológicos y bioquímicos de la planta, principalmente reacciones redox y componentes enzimáticos. Se dice que sólo cuando estos están presentes en formas biodisponibles y en niveles excesivos, tienen el potencial de volverse tóxicos (Nagajyoti, Lee & Sreekanth, 2010).

Los demás metales pesados se clasifican como no esenciales y potencialmente tóxicos, como por ejemplo, cadmio (Cd), mercurio (Hg), cromo (Cr), arsénico (As) y plata (Ag), estos significan un riesgo no solo para las plantas sino para los demás seres vivos ya que se incorporan en la cadena trófica (Bhat et al., 2019; Kalaivanan & Ganeshamurthy, 2016).

Efecto del silicio en la reducción de estrés por metales pesados

Los efectos del silicio (Si) como elemento benéfico, han sido muy estudiados en el sistema suelo-planta. Algunos de los papeles más importantes que tiene el silicio en las plantas son la absorción y homeostasis de los nutrientes, y la reducción del estrés causado por algunos metales pesados presentes en el suelo (Liang et al., 2005). Una de las propiedades de los silicatos en el suelo para reducir el estrés por la presencia de metales pesados es que pueden convertir fracciones solubles e intercambiables de metales en formas químicas estables, disminuyendo la biodisponibilidad del metal.
La adición de silicato al suelo promueve la polimerización de compuestos silicatados, conocidos como ligandos potenciales para metales pesados complejos (Dietzel, 2000; Sommer et al., 2006). El alivio de la fitotoxicidad de metales pesados no es solo debido a la disminución de la biodisponibilidad de los metales en los suelos tratados con Si, sino que también depende de los efectos del Si dentro de la planta (Epstein, 1999; Liang et al., 2007). De acuerdo con Bhat et al. (2019) los principales mecanismos de mejora del Si al estrés metálico incluyen: la inmovilización de metales tóxicos en el suelo, la estimulación de antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, coprecipitación de metales, quelación de iones metálicos, compartimentación, alteraciones estructurales de los tejidos vegetales y alteraciones moleculares a nivel de la planta.

Inhibición de la translocación de metales desde las raíces a los brotes: El Si afecta la translocación y distribución de metales pesados en varias partes de la planta y les permite sobrevivir bajo mayor estrés. Se observó que el tratamiento con Si reduce el transporte de Zn desde las raíces a los brotes y aumenta la unión de Zn a la pared celular, disminuyendo así la concentración de Zn en los brotes de arroz (Yamaji, Mitatni & Ma, 2008). En trigo, la aplicación de Si también reduce la translocación de Cd de la raíz a los brotes y granos (Naeem, Ghafoor & Farooq; 2015), y en arroz, Shi et al. (2005) observaron una disminución del 33% en la translocación de Cd de la raíz a los brotes. Igualmente Zehra et al. (2020) demostraron en A. annua que el Si aplicado exógenamente aumentó la acumulación de Cu en los tejidos de las raíces conteniendo su translocación a los brotes, aliviando los efectos dañinos del exceso de Cu en las plantas afectadas y al mismo tiempo promoviendo el crecimiento y aumento de la producción.

Estimulación de sistemas antioxidantes en plantas: El sistema antioxidante enzimático y no enzimático estimulado por el Si ayuda a disminuir el estrés oxidativo al reducir la producción de especies reactivas de oxigeno (ROS). Varios estudios han demostrado una relación entre la aplicación de silicio y el alivio del estrés causado por Cd, Pb, Mn, Zn y Cu en cultivos como tomatillo, pepino, arroz y maíz (Shi et al., 2005; Lukačová et al., 2013; Jia-Wen et al., 2013).  La aplicación de Si remedió significativamente el estrés oxidativo inducido por As en algunos cultivares de arroz al limitar la absorción de As y mejorar los sistemas antioxidantes y tiólicos Preeti et al. (2013). Aunque no está claro si es el resultado de una acción directa o indirecta del Si, lo cierto es que la aplicación de este elemento causa un aumento significativo de antioxidantes enzimáticos como la superóxido dismutasa (SOD), ascorbato peroxidasa y glutatión reductasa y no enzimáticos como ascorbato y glutatión; reduciendo al mismo tiempo compuestos relacionados con el estrés oxidativo como el malondialdehído (MDA), Peróxido de Hidrogeno (H2O2) y la fuga electrolítica (Li et al., 2012; Song et al., 2009; Shi et al., 2005).

Compartimentación de iones metálicos dentro de las plantas: Liu et al. (2013) informan por primera vez que una forma de Si unida a la pared inhibe la absorción de iones de cadmio en las células de arroz posiblemente a través de la codeposición de Si y Cd en la pared celular como complejos de [matriz de pared de Si]-Cd. Un aumento en la densidad de carga negativa debido a la asociación de Si puede explicar por qué las plantas tratadas con Si tienen más deposición de Cd en la pared celular. El mismo estudio sugiere además que la inhibición de la absorción de cadmio por el Si unido a la pared está relacionada no solo con una mayor deposición de Cd en la pared celular, sino también con la baja expresión de genes transportadores de Cd como Nramp5 (Ma et al., 2015).

Bajo estrés prolongado por Cd, se encontró que las paredes celulares modificadas con Si reducen la toxicidad del Cd mediante la compartimentación del Cd en vacuolas para reducir los niveles de Cd en el citoplasma. También se observó que el silicio aumenta la localización de Mn en la pared celular en pepino (Dragišić et al., 2012). Además, en plantas tratadas con Si, se localizó menos Mn en el simplasto (<10%) y se unió más Mn a la pared celular (> 90%) en comparación con las plantas control (Rogalla & Römheld, 2002).

Se han identificado complejos de Si en la pared celular de diferentes plantas. Los posibles ligandos de Si incluyen los de hemicelulosa, pectina y lignina (Fig. 1) (Sheng & Chen, 2020). La asociación de ácido monosilícico en la pared celular de la planta puede conducir a la formación de enlaces Si – O – C, lo que lleva a una mayor densidad de carga negativa en la pared y, por lo tanto, aumenta la unión de los iones metálicos libres a la pared. Esta mayor carga negativa, además, da como resultado un alivio de la toxicidad de los metales pesados y una mejora en la absorción de nutrientes (He et al., 2015; Adrees et al., 2015) (Fig. 2). De otro lado, el Si unido a la pared celular modula la síntesis y remodelación de la pared celular, lo que da como resultado una relativamente densa disposición de microfibrillas de celulosa y una pared celular reforzada contra el estrés biótico y abiótico (Sheng et al., 2018). La remodelación de la pared celular inducida por Si también tiene efectos benéficos para mantener la integridad de la membrana plasmática y, además, mejora la tolerancia al estrés salino, así como a la homeostasis de nutrientes (Sheng et al., 2018).

También es posible que la remodelación de la pared celular inducida por Si desencadena la señalización de la integridad de la pared celular y, por lo tanto, mejora el crecimiento de las plantas en condiciones de estrés (Engelsdorf et al., 2018; Voxeur y Hofte, 2016). Dada la coexistencia de silicio orgánico y SiO2 inorgánico en las plantas, es un desafío distinguir los efectos de las dos sustancias químicas en el crecimiento de las plantas y las respuestas al estrés. (Głazowska et al., 2018).

En la figura 1 se describen los posibles patrones de vinculación del silicio a la pared de células de las plantas. (A) El ácido bórico se convierte en borato [B (OH)4–] en soluciones a pH fisiológico. La similitud estructural implica la comparabilidad de productos químicos y las propiedades de Si y B. (B) Las reacciones de enlaces 1,3 residuos de apiosilo en ramnogalacturonano II (RG-II, pectina) con ácido bórico y ácido monosilícico (Kobayashi et al., 1996; O’Neill et al., 1996). (C) Complejamiento de hidroxilo entre H4SiO4 y cis-dioles en hemicelulosas. Complejos de silicato / borato-azúcar están formados por la reacción de formosa en la Fig.1B y C. (D) Posible reticulación de Si y unidades fenólicas en ligninas (Birchall, 1995). (E) Si poli-coordinado en plantas. A diferencia del Boro, el Silicio puede formar hasta seis enlaces coordinados (Kinrade et al., 1999).

En la figura 2 se ilustran distintas funciones de la matriz de silicio en la pared celular y su influencia en el crecimiento de las plantas en condiciones de estrés. Un posible mecanismo es que el silicio orgánico altera la estructura de la pared celular y por lo tanto sus propiedades mecánicas y potencial superficial. De esta manera, aumenta la densidad de carga negativa de la pared celular y, por lo tanto, la unión de iones metálicos en la pared (Ma et al., 2015).
Las Paredes celulares relativamente rígidas proporcionan presión invertida (P2) para contrarrestar la turgencia celular (P1), que ayuda a mantener la integridad de la membrana plasmática (PM verde en las células þSi) y evitar la despolarización (PM gris en células -Si) (Sheng et al., 2018).
La membrana plasmática estabilizada tiene efectos benéficos sobre los transportadores o canales de iones y, además induce tolerancia al estrés y homeostasis de iones y nutrientes. Los enlaces Si-O-C de la matriz de pared celular no son escindibles por las enzimas de degradación de la pared celular producidas por patógenos vegetales haciendo la pared resistente a la degradación durante la infección del patógeno. (Schwarz, 1973)
Es posible que la remodelación de la pared celular inducida por el Si, coordina la señalización con la integridad de la pared celular para regular dinámicamente el crecimiento de las plantas y su desarrollo en respuesta a cambios ambientales, y da como resultado un alivio de la toxicidad de los metales pesados.

Efecto del Magnesio en la reducción de estrés por metales pesados

El magnesio considerado esencial para la planta, también puede aliviar el estrés por metales pesados al disminuir la actividad de los iones metálicos en la superficie de la membrana plasmática (competencia físico-química), al mejorar las actividades de las enzimas involucradas en la biosíntesis de ligandos orgánicos y al aumentar el secuestro vacuolar de metales pesados a través del aumento de la actividad de las bombas H+ en el tonoplasto (Rengel et al., 2016).
El magnesio mejora no solo la toxicidad del Al, sino también la toxicidad de otros metales. Se propuso el alivio de la fitotoxicidad de Cd por Mg2+ en el caso de la espinaca de mostaza japonesa (Brassica rapa L. var. Perviridis) (Kashemand Kawai 2007), con la desviación de crecimiento resultante en un crecimiento de brotes ~ 2 veces mayor y una concentración de Cd 40% menor en los brotes. Pedler et al. (2004) demostraron el alivio por Mg2+ de la rizotoxicidad del Zn en trigo y rábano.

Efecto del SiliMagnum (Silicato de magnesio) en la reducción de estrés por metales pesados

Con el propósito de contribuir al mejoramiento en la calidad de los abonos orgánicos que se utilizan en la agricultura, se desarrolló un trabajo de investigación en búsqueda de la neutralización de metales pesados en residuos orgánicos provenientes de la planta de depuración de aguas residuales urbanas, a partir de curvas de adición de silicato de magnesio, obtenidas al someter al abono a pruebas de incubación, buscando la neutralización de los metales pesados que contienen estos abonos.
Paralelamente se desarrollaron pruebas de neutralización de cadmio, plomo, y arsénico en soluciones preparadas en laboratorio, encontrando resultados altamente satisfactorios (Figuras 3, 4, 5 y 6).

Las reacciones de formación de complejos con los metales pesados se asemejan a las que ocurren para acomplejar el aluminio del suelo:
2Al3+ + 2H4SiO4 ↔ Al2Si2O5 + 2H+ + 3H2O
2Al3+ + 2H4SiO4 + H2O ↔ Al2Si2O5(OH)4 + 6H+

De tal manera que se cambia el reactivo de Al por el de Cd, Pb, As o el metal del que se trate, pues todos ellos son cationes metálicos.
Cd2+ + 2H4SiO4 ↔ CdSi2O5 + 2H+ + 3H2O

Las figuras 3, 4 y 5 muestran claramente el impacto que se logra con las aplicaciones de SiliMagnum® o Magnesil® en soluciones acuosas ricas en cada uno de los metales pesados. La figura 6 es parte de un trabajo de investigación más amplio sobre la remediación de metales pesados en suelos y materiales orgánicos. Es difícil separar el efecto del silicio y el impacto que puede tener el magnesio en estas reducciones, pero es claro que ambos elementos contenidos en el producto comercial tienen la capacidad de reducir los efectos adversos que pueden tener los metales pesados, no sólo en la toxicidad de las plantas, sino en cortar sus efectos en la cadena alimenticia de animales y humanos que pueden estar comprometidos.

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