ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE PLANTAS CON METABOLISMO C3, C4 Y CAM

Barajas-Daniel, Christian Fernando

Universidad de Guadalajara / barajas_christian@hotmail.com

Resumen.

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas obtienen energía a partir de la luz solar, mediante la producción de moléculas energéticas que participan en el proceso de fijación de CO2 para generar carbohidratos.

Las plantas presentan 3 tipos de metabolismos que afectan su distribución: metabolismo C3, C4 y CAM. Se realizó un estudio de la distribución a través del conteo de organismos con estos tipos de metabolismo y se analizaron las estructuras fotosintéticas. Esto con la finalidad de reconocer las diferencias anatómicas, como son la determinación de orgánulos fotosintéticamente activos, conteo de estructuras encargadas del intercambio de gases (estomas) y distribución de tejidos. También para determinar el porcentaje de distribución entre las plantas con los diferentes metabolismos fotosintéticos.

Las plantas C3 presentan parénquima en empalizada (fotosintético) y esponjoso (difusión de gases). Las plantas C4 presentan anatomía de Kranz para separar la captación de CO2 con el ciclo de Calvin. Las plantas CAM fijan el CO2 durante la noche y el ciclo de Calvin durante el día.

La distribución entre los tipos C3 y C4 es similar debido a que hay características ambientales que benefician a ambas, pero la mayoría de las C4 estaban secas.

El número de estomas no sólo depende del metabolismo fotosintético, sin embargo en plantas CAM es muy notable la reducción del número de estos, así como el aumento del grosor de la cutícula.

Palabras clave: Fotosíntesis C3, fotosíntesis C4, fotosíntesis CAM, anatomía de Kranz, estomas, parénquima en empalizada, parénquima esponjoso, cutícula.

Introducción.

Las hojas constituyen uno de los tres órganos básicos de las plantas superiores. Las principales funciones de las hojas son la fotosíntesis y la transpiración. La función dominante de las hojas es la fotosíntesis, proceso en el cual la hoja captura luz y fija CO2 del aire. Al igual que la raíz y el tallo, la hoja está formada por tejido vascular, parenquimatoso y dérmico. La epidermis protege la hoja de pérdidas de agua y contra daños causados por factores ambientales, asimismo permite el intercambio de vapor de agua, CO2 y O2 por los estomas.

Podemos definir a la fotosíntesis como un proceso mediante el cual las plantas usan energía solar para producir materiales orgánicos (carbohidratos) a partir de elementos inorgánicos (CO2, agua y minerales). La energía producida durante este proceso es empleada para el mantenimiento de las funciones celulares, crecimiento

y para la síntesis de nuevas estructuras. La fotosíntesis se lleva a cabo en dos fases: 1. Fase luminosa o reacciones fotodependientes, y 2. La fase oscura o reacciones de fijación de carbono, en la que el bióxido de carbono es transformado en carbohidratos; en esta última fase los procesos bioquímicos se llevan a cabo a través de tres vías metabólicas: metabolismo C3 (primitivo), C4 y CAM (mecanismos de concentración de CO2). Por lo general las plantas de climas templados frescos usan la vía fotosintética C3, plantas de climas relativamente secos- cálidos muestran fotosíntesis C4 y las plantas que crecen en ambientes secos (áridos) muestran fotosíntesis CAM (metabolismo ácido de las crasuláceas).

La toma de CO2 ocurre a través de los estomas, los cuales pueden encontrarse en la epidermis inferior (hipostomáticas), o en la epidermis superior (hiperestomáticas), como es el caso de las hojas de plantas acuáticas, pero en muchos casos los estomas ocurren en ambos lados (anfiestomáticos).

Una vez dentro de la hoja, el CO2 se difunde de los espacios aéreos intercelulares a los sitios de carboxilación en el cloroplasto de plantas C3 o el citosol en plantas C4 y CAM. En el cloroplasto se lleva a cabo la fijación y reducción del CO2 para producir energía reductora (azúcares).

El tejido fotosintéticamente activo de la hoja se llama mesófilo, éste se localiza entre la epidermis superior y la inferior. El mesófilo está formado por el parénquima de la hoja y los espacios intercelulares. En la mayoría de las plantas C3 (como en las dicotiledóneas) el mesófilo esta diferenciado en parénquima de empalizada y parénquima esponjoso. En las hojas de plantas C4 el mesófilo es un tejido homogéneo, y se observa que las células del mesófilo y las del haz de vaina, forman capas concéntricas alrededor de los haces vasculares. Estas células compactas en forma de vaina son grandes células parenquimáticas que contienen cloroplastos grandes. Esta disposición concéntrica se denomina anatomía Kranz.

Las plantas CAM se caracterizan porque sus órganos fotosintéticos son tallos u hojas suculentas, tienen cutículas gruesas y densidad baja de estomas. Los tallos de cactáceas tienen dos regiones principales de tejidos. Al realizar un corte transversal de un tallo cilíndrico se nota que en la parte externa de ambos tipos de tallos se encuentra el clorénquima fotosintético, y en la parte interior de estos el parénquima medular. El tejido de clorénquima se distingue por su color verde. Este tejido puede ser de 3 a 5 mm de grueso, y contiene las enzimas del metabolismo CAM. El tejido interno blanco es un parénquima especializado en el almacenamiento de agua, el cual varía de 0.3 cm en grosor en Opuntia fragilis hasta cerca de 45 cm en Ferocactus acanthodes. Durante la sequía, el agua se mueve fuera de este tejido de almacenamiento hacía el clorénquima, donde el agua ayuda a mantener las reacciones bioquímicas y la apertura de estomas para la asimilación de CO2.

Objetivos.

- Reconocer las diferencias anatómicas entre plantas tipo C3, C4 y CAM, como son la determinación de orgánulos fotosintéticamente activos, conteo de estructuras encargadas del intercambio de gases (estomas) y distribución de tejidos.

- Determinar las diferencias en porcentaje sobre la distribución de plantas según el tipo de metabolismo: C3, C4 y CAM.

Materiales y métodos.

Materiales: Hojas milimétricas, cordón de hilo, portaobjetos, cubreobjetos, navajas para rasurar, gotero con agua, pegamento de contacto transparente (Kola-Loka), vernier, azul de toluidina, lugol, vernier.

Equipo: Microscopio compuesto.

Metodología:

Se marcaron dos áreas de 1.5 m^2 para tomar datos del porcentaje de plantas C3, C4 o CAM localizadas y se utilizó una hoja de papel milimétrico para señalar la ubicación del porcentaje de los tipos de plantas, de las cuales, se colectaron 3 monocotiledóneas y 3 dicotiledóneas, esto con la finalidad de analizar su histología a través de cortes y tinción para determinar su tipo de metabolismo, al igual que hacer un conteo de los estomas tanto en el haz, como el envés. Debido a que no se identificó en la zona alguna planta con metabolismo CAM, se utilizaron muestras de Opuntia colectadas previamente para la observación del tejido.

Se realizaron cortes transversales con una navaja de rasurar sólo en una hoja de monocotiledónea, una de dicotiledónea y en el tallo de Opuntia. Se tiñeron las muestras con azul de toluidina y se colocó el cubreobjetos para posteriormente observar con el objetivo de 10X y 40X. Esta técnica histoquímica permitió de una manera rápida diferenciar entre plantas con metabolismo C3 y C4, debido a que se pudo identificar la organización de las células del haz de vaina, alrededor de las venas, y cómo se encuentra distribuido el mesófilo.

Igualmente se tiñeron con azul de toluidina los cortes trasversales de Opuntia, con el fin de diferenciar el tejido fotosintético (clorénquima) y de almacenamiento de agua (parénquima medular).

Para hojas de plantas C3 y C4, se colocó una gota de pegamento Kola-Loka sobre el portaobjetos y luego se añadió sobre él, un trozo del haz de la hoja. Se dejó unos minutos hasta que se secara y después se retiró la hoja, dejando el patrón que tiene la hoja marcado en el pegamento. Se realizó el mismo procedimiento en el envés.

Para la planta CAM, se despegó la cutícula y, añadiendo una gota de agua, se colocó sobre un portaobjetos.

Se observó al microscopio a 40x todas las muestras y se contó el número de estomas en 3 campos distintos por muestra.

Se utilizó Microsoft Office Excel para transferir los datos y generar las gráficas.

Resultados.

Distribución de las plantas:

Figura 1. Conteo de plantas con metabolismo C3 y C4. Las C3 están representadas con un triángulo y las C4 con un círculo.

En el área 1 se obtuvo un porcentaje de 61.11% para plantas C3 y 38.88% para plantas C4; en el área 2 se obtuvo un porcentaje de 40% para plantas C4 y 60% para plantas C4.

Esto dio como resultado un total de 50% de plantas C3 y plantas C4. En ninguna de las dos áreas se encontró plantas tipo CAM.

Un gran porcentaje de plantas C4 estaban secas, por lo que resultó difícil contar algunas.

Conteo de estomas:

En el haz de las hojas donde se contaron estomas, se obtuvieron un promedio de 26 en la planta tipo C3 y 26 en la tipo C4.

En el envés se obtuvo un promedio de 41 estomas para la tipo C3 y 66 para la tipo C4.

En la planta tipo CAM (Opuntia), el promedio fue de 9 estomas, y este dato fue representado en ambas gráficas.

Gráfica 1. Estomas contados en el haz.

Gráfica 2. Estomas contados en el envés.

Se presentó una mayor cantidad de estomas en el envés tanto en la planta C3 como en la C4. En la planta C4 se encontraron más estomas en el envés, seguida la C3 y por último la CAM.

La planta CAM presenta mayor uniformidad en cuanto a distribución de estomas, ya que entre una zona del tallo y otra en la que se contaron, se presentó muy poca variación en el número de estos. La planta CAM presenta considerablemente menos estomas que los otros dos ejemplares.

0

5

10

15

20

25

30

35

C3

C4

CAM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

C3

C4

CAM

Observación de tejido:

Figura 2. Anatomía de la hoja de la planta C3 observada a 10x. 1.- Epidermis. 2.- Células parenquimatosas. 3.- Parénquima en empalizada. 4.- Parénquima

esponjoso.

En la planta con metabolismo C3 fue posible identificar el parénquima en empalizada y parénquima esponjoso. La tinción del almidón con lugol fue posible observarla en la zona del parénquima en empalizada, la zona donde se realiza la fotosíntesis.

Figura 3. Anatomía de la hoja de la planta C4 observada a 10x. 1.- Clorenquima. 2.- Fibras. 3.- Xilema. 4. Floema. 5.- Haz de vaina.

En la planta C4 se observó la anatomía de Kranz, en la que al agregarse lugol, se tiñó el almidón en la zona del haz de vaina. Esta planta no se divide en parénquima en empalizada ni esponjoso y el clorénquima se distribuye alrededor de los haces vasculares como se muestra en la Figura 3.

Figura 4. Anatomía del tallo de Opuntia. 1.- Tricoma. 2.- Epidermis. 3.- Colénquima. 4.- Clorénquima. 5. Médula (Hidrénquima)

En el tallo de la planta CAM se observa un parénquima fotosintético cerca de la superficie de ambos lados de tallo y en el centro, un hidrénquima que sirve como almacenamiento de agua de mayor grosor que el clorénquima. En la zona número 4 fue donde pudo observarse la tinción del almidón con lugol.

Discusión.

A pesar de que en este trabajo se considere suficiente el hecho de que las plantas sean monocotiledóneas para presentar metabolismo C4 y dicotiledóneas para presentar metabolismo C3, algunos autores señalan la presencia de metabolismo C4 en algunas dicotiledóneas, en la que su abundancia se correlaciona con la aridez, así como metabolismos intermedios, por ejemplo las C3-C4, en el que algunas especies contienen cantidades sustanciales de enzimas C4 pero no presentan la anatomía típica de éstas (Pimienta-Barrios, 2003).

También el metabolismo C3-CAM, en el que sus representantes poseen una capacidad inherente para la inducción de CAM en dependencia de condiciones ambientales, en especial la disponibilidad de agua. También se relaciona la prosperidad de las C3 en temporadas de frío y las C4 en verano (Pimienta-Barrios, 2003).

De acuerdo a lo esperado, Opuntia es la planta que tiene menor número de estomas. Las otras dos (C3 y C4) presentan una densidad similar, por lo que el metabolismo parece no ser el factor determinante para el número de estomas. Pimienta-Barrios (2003) señala que el número o densidad de estomas es una característica específica de las especies, aunque los números varían de acuerdo al hábitat en el cual las plantas crecen.

También la temperatura es considerada un limitante para el crecimiento vegetal y por ende, para la distribución de las diferentes especies. La adaptación a los cambios de temperatura es importante y la presencia de las diferentes rutas fotosintéticas mencionadas en este trabajo, es un factor que influye en cómo los organismos se comportan en función de la temperatura.

La adaptación a las bajas temperaturas está relacionada con la presencia de más enzimas fotosintéticas y mayor cantidad de ácidos saturados en las membranas tilacoidales. A altas temperaturas se afecta el fotosistema I, aumenta la tasa de fotorrespiración y decrece el estado de activación de Rubisco. Tanto las plantas C3 como las C4 responden a este cambio de temperatura. Las C4 presentan un punto mayor de temperatura óptima al que pueden realizar la fotosíntesis, pero las C3 son consideradas con mayor adaptabilidad para modular su temperatura óptima de crecimiento, a otro rango diferente. (2)

Con lo mencionado anteriormente acerca de las plantas CAM, existe una correlación igualmente con la temperatura. Las plantas CAM durante el día, que es cuando generalmente se presentan temperaturas más altas en los lugares donde éstas se distribuyen, tienen mayor actividad en la cadena de transporte de electrones, aumentando ésta con la temperatura. Sin embargo durante la noche, la fijación de CO2 se realiza a una temperatura que oscila entre los 20º - 30º. Esto indica que la temperatura ayuda a estas plantas en sus mecanismos de adaptación para realizar el ciclo de Calvin durante el día y la fijación de CO2 durante la noche a través de los estomas. (2)

Los datos obtenidos en el trabajo se correlacionan con algunos datos obtenidos en el artículo y en la literatura, sin embargo algunos no concuerdan. Por ejemplo, el que una planta sea monocotiledónea o dicotiledónea no representa directamente el tipo de metabolismo que realiza. Se recomienda que en campo, cuando se analice la distribución de plantas con diferentes metabolismos, no se llegue a una conclusión determinada solamente con la intuición, sino que a través de análisis histológicos y de estructuras fotosintéticas, se aproxime un resultado. Por ejemplo, faltó analizar cortes de algunas plantas colectadas, por lo que puede ser necesario recapitular ese punto.

De igual manera, otro ejemplo, como el número de estomas en C3 y C4 requieren una atención especial, pues el metabolismo fotosintético no resulta ser el único factor que influye en su comportamiento. Es recomendable también que el conteo de estomas se realice en más áreas de la misma hoja e incluso entre diferentes hojas del mismo individuo para que las medidas dispersivas de los datos no se vuelvan grandes.

Por último, considero que los resultados obtenidos en Opuntia presentan mayor homogeneidad y se correlacionan con lo mencionado en la literatura.

Conclusiones.

La distribución de las plantas C3 y C4 resulta similar en las zonas que se escogieron, esto parece ser posible gracias a que hay características ambientales que benefician tanto a una como a la otra. Para ambos tipos existe una considerable exposición de luz, relacionada con la ausencia de árboles que podrían obstruírla, también hay agua suficiente y, las temperaturas diferenciales de las estaciones explican por qué prosperan las especies C3 en Febrero sobre las C4, de las que se encuentra un gran porcentaje en estado seco.

Las plantas tipo C3 están adaptadas a ambientes donde existe poco estrés hídrico, presentan parénquima en empalizada para realizar la fotosíntesis y parénquima esponjoso para una mayor difusión de gases. Las C4 con su anatomía

de Kranz pueden reducir la tasa de fotorrespiración gracias a la separación espacial de los procesos de fijación de CO2 y ciclo de Calvin. Las CAM tienen su mayor acción en ambientes áridos, realizando la fijación de CO2 durante la noche y el ciclo de Calvin durante el día. Esto explica el fenómeno de la cutícula, en la que su grosor está correlacionado con la pérdida de agua a través de la estructura fotosintética, que es mayor para plantas CAM.

Otra forma que tienen las plantas CAM de reducir su pérdida de agua es el número de estomas que presentan en la estructura fotosintética, de las cuales en el caso de Opuntia, son mucho menores que las contadas en el haz y el envés de las plantas C3 y C4. Los tipos de metabolismo (C3, C4 y CAM) no son suficientes para explicar la diversidad estomática presente en las hojas de las diversas plantas, también puede estar relacionado con la exposición a luz solar. En las plantas C3 y C4 de este trabajo no existen diferencias significativas entre su número estomático, esto puede deberse a que ambas especies son herbáceas con una exposición de luz similar.

Los tres tipos de plantas presentan una distribución y adaptación óptima diferente ante diversas condiciones. Esto por ende, representa un ejemplo de la enorme plasticidad que tienen las plantas y su capacidad para adaptarse a los cambios que han vivido los organismos en la historia evolutiva.

Comentario personal.

Me hubiera gustado tener un mejor desempeño durante el desarrollo de la práctica, la falta de integrantes en mi equipo tuvo influencia en cuanto a las actividades que alcanzamos a realizar. El diseño de la práctica es bueno y desarrollándose adecuadamente es posible obtener mucho provecho de ella.

El conteo de plantas C4 nos pareció algo complicado debido a que no fue posible algunas veces distinguir entre un organismo y otro, pues los pastos estaban secos.

Referencias:

[1] Pimienta-Barrios, E. (2003). Ecofisiología de la fotosíntesis: temas selectos en ecología y fisiología vegetal. Primera edición, Universidad de Guadalajara. Zapopan, Jalisco, México. Pp. 15-91

[2] Yamori, Wataru; Hikosaka, K; Way, D. A., (2014). Temperature response of

photosynthesis in C3, C4, and CAM plants: temperature acclimation and temperature

adaptation. Photosynthesis Research 119 (1-2), pp. 101-117.

Cuestionario.

1. ¿Mencione en qué consiste la anatomía de Kranz, qué plantas la presentan, y

cuál es su función? ¿En plantas con metabolismo CAM en qué tejido se encuentran

los cloroplastos?

La anatomía de Kranz es la disposición de células parenquimáticas en forma

de corona que rodea a los haces vasculares y contiene varios cloroplastos.

Ésta disposición concéntrica es típica de hojas con metabolismo C4 y es una

adaptación a ambientes áridos.

En plantas con metabolismo CAM, los cloroplastos se encuentran en el

clorénquima.

2. ¿Entre plantas C3 y C4 existe una gran diferencia en la distribución de los tejidos

de la hoja, mencione cual es, y como se relaciona con el fenómeno fotosintético?

El mesófilo de las plantas que tienen un metabolismo C3 se puede diferenciar

en dos tipos: el de empalizada contiene células parenquimáticas muy

alargadas y apiladas, sin espacios intercelulares y con numerosos

cloroplastos, por lo que es donde se lleva a cabo la fotosíntesis; el esponjoso

tiene células isodiamétricas con grandes espacios entre ellas, no contienen

muchos cloroplastos y es donde se lleva a cabo el intercambio gaseoso.

En plantas C4 el parénquima no está diferenciado y se dispone alrededor del

tejido vascular, el cual se encuentra rodeado por la anatomía de Kranz.

3. ¿Por qué las observaciones en esta practica están enfocadas principalmente a la

hoja?

La fotosíntesis se realiza principalmente en las hojas y dependiendo de la

manera en que éstas realizan la fijación de carbono, podemos clasificarlas en

tres grupos (C3, C4 y CAM) y de ésta manera, compararlas.

4. ¿Mencione el nombre de la estructura por la cual se lleva a cabo el intercambio de

gases?

El intercambio de gases se realiza a través de los estomas, que se

encuentran en la epidermis (ya sea abaxial o adaxial, dependiendo del

metabolismo de la planta) y están formados por las células oclusivas y las

células acompañantes.

5. ¿Explique la función del parénquima y su localización?

El parénquima es un tejido que se encuentra en toda la planta, tomando parte

en funciones metabólicas, fotosintéticas, respiratorias, estructurales y de

almacenamiento.

6. ¿La fotosíntesis se lleva a cabo en: órgano: la hoja tejido: parenquimático y

organelo: cloroplasto.