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F otosíntesis en V ides y su A plicación en A spectos de M a n e jo ■ C l a u d io P a s t l n l s In g . A g r ó n o m o , Ph.D ■ E k w in A b a l l a y I n g . A g r ó n o m o , M .S c ■ M a r c e l a E s c o b a r I n g . A g ró n o m o F a c . C ien c ia s A g r o n ó m ic a s U n iv er sid a d d e C h ile INTRODUCCIÓN El proceso fotosintético es el responsable de la entrada de energía a la biosfera y de la incorporación de carbono a moléculas orgánicas. Por lo tanto, el suministro total de alimentos proviene directa o indirecta mente de la actividad fotosintética. Este proceso se encuentra presente, con varia ciones evolutivas importantes, en distin tos organismos vivos como algas, bacte rias y plantas superiores, y aparece por primera vez hace tres mil millones de años. Así mismo, la composición actual de la atmósfera, con una baja concentración de C 0 2 (0,003%) y una alta concentra ción de 0 2 respirable (21 % ) resulta de la aparición del proceso fotosintético. El conocimiento de la fisiología de la foto síntesis ha permitido enriquecer tecnolo gías esenciales en la producción agronómica y forestal. Un ejemplo de lo anterior, es la incorporación de herbicidas que alteran o detienen su funcionamien to, entre los que se cuentan el paraquat, atrazina, simazina, prometrina, cianazina, diuron, linuron, entre otros. Así mismo, muchos de los sistemas de poda en fruta les y conducción de viñas, dicen relación con el aprovechamiento necesario de la luz para el funcionamiento del proceso. En términos generales, la fotosíntesis es el principal proceso responsable de la acu mulación de materia seca en plantas, y en la práctica agronómica, sustenta el rendi miento comercial de las especies cultivadas. FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO El proceso fotosintético ocurre en los cloroplastos, los que ocupan un 8% aproxi madamente, del volumen celular, en los tejidos de hojas y encierran en su interior membranas llamadas tilacoides, las que contienen los complejos encargados de cosechar luz y producir energía. Las molé culas de clorofila presentes en los fotosistemas: PSII y PSI, al absorber luz, inducen un transporte de electrones des de el agua, hasta moléculas de NADP, produciendo NADPH. Al mismo tiempo, se acumulan protones en los espacios encerrados por los tilacoides, los que son aprovechados por la ATP-sintasa, en pro ducir ATP. Esta parte del proceso, conoci do como fase clara (Fig. 1) produce ATP y NADPH, además de oxígeno proveniente del rompimiento del agua. En una segunda etapa, llamada fase oscura (Fig. 1) la energía ATP y el poder reductor NADPH, son utilizados en la reducción del C 0 2, produciendo moléculas de 3 carbo nos, gliceraldehido 3-fosfato en el llama do ciclo de Calvin. A partir de este ciclo, se produce sacarosa en el citoplasma, y en menor medida, almidón. De este modo, la ■ F ig . 1 . E s q u e m a d e l f u n c io n a m ie n t o d e la f o t o s ín t e s is . L a a b s o r c ió n d e l u z s e u t il iz a e n p r o d u c ir A T P y N A D P H , l o s q u e s o n u t iliz a d o s EN LA REDUCCIÓN DEL C O y PRODUCIENDO SACAROSA Y ALMIDÓN. CPASTENE@UCHILE.CL Citoplasma a t p + n a d p h Almidón co, A T P ^ 1 RuBP G-3P, S acaro sa aconex 73 13 mailto:CPASTENE@UCHILE.CL medición de fotosíntesis en hojas, consis te en determinar la velocidad de fijación de C 0 2, por unidad de superficie y tiempo. La luz en la justa medida La luz, como ya se explicó, es la fuente inicial de energía para la reducción del C 0 2, sin embargo, no sólo es indispensa ble que esta no falte, si no que además, no se presente en cantidades que excedan por mucho la capacidad del sistema de utilizar la luz absorbida. Como se observa en la figura 2, al aumentar la intensidad lum inosa, la fo tosíntesis aumenta linealmente, pero al llegar al punto de saturación luminosa, la fotosíntesis per manece constante, independiente de mayores aumentos en la luz absorbida. De este modo, se origina un exceso de luz. En estas condiciones, las plantas disipan la energía absorbida en exceso, en forma de calor, pero esta protección tiene un límite. Cuando ese límite es sobrepasado, la luz absorbida induce la formación de espe cies activas de oxígeno en los cloroplastos, muy tóxicas para las estructuras celulares. Los cloroplastos cuentan con sistemas de detoxificación de dichas especies, pero también tienen un máximo de acción, más allá del cual, se observa daño o fotoinhibición, que a la larga se traduce en clorosis de las hojas. Por lo mismo, cual quier condición estresante que reduzca la tasa máxima de asimilación de C 0 2, estará provocando que la energía absorbida en exceso aumente, sin aumentar la luz inci dente, propiamente tal. Al contrario, una proporción importante del follaje en condiciones de mucha som bra, significará que sólo una pequeña parte de las hojas, mantenga el suministro suficiente de sacarosa para la producción de frutos. Más aún, esa producción debe rá competir con la mantención de tejidos verdes exageradamente sombreados. Relación agua - fotosíntesis El suministro de agua y el proceso fotosintético están estrechamente rela cionados, puesto que el agua es la respon sable de mantener estomas abiertos, que es por donde ingresa el C 0 2 desde la atm ósfera hacia el interior de los cloroplastos en las células fotosintéticas. Al contrario, dificultades en la incorpora ción de agua desde el sueloya sea por falta de este elemento, por presencia de daño en las raíces o bien por que la pérdida por transpiración es más rápida que el movi miento desde el suelo hasta el follaje, típico en condiciones de medio día con temperaturas elevadas, inducen un cierre de estomas. El cierre de los estomas impli ca que i) no entra C 0 2 y por lo tanto se reduce la fotosíntesis, ii) no se pierde agua y por lo tanto no se enfría el follaje pudien- do alcanzar varios grados sobre la tempe ratura ambiente, iii) el aumento de tem peratura puede llevar a la ocurrencia de fotorrespiración, un proceso que consiste en la incorporación de oxígeno y pérdida de C 0 2 previamente fijado, y finalmente, iv) la disminución de la fotosíntesis máxi ma podría generar estrés oxidativo (Fig. 3). Es importante señalar que la fisiología de los estomas es altamente compleja y sofisticada, ya que las células oclusivas pueden responder a estímulos indepen- ■ Fie. 2. A ún c u a n d o l a f o t o s í n t e s i s s e s a t u r a , a u m e n t o s p r o g r e s i v o s d e l u z n o s o n u t i l i z a d o s , p o r l o QUE SE CONSTITUYEN EN EXCESIVOS. Respuesta de la fotosíntesis a la luz >|s 800 - 900 jimol fotones nr2s"' Santiago: 13,30 h en diciembre: 2 .300 |imol fotones n r V ■ Fie. 3. A l DISMINUIR EL SUMINISTRO DE AGUA a LAS HO/AS, SE PRODUCE UN CIERRE DE ESTOMAS (1) Y POR LO TANTO UNA DISMINUCIÓN DE LA ENTRADA DE C 0 2 AL INTERIOR DE LAS HO/AS (2). A l CERRARSE LOS ESTOMAS, NO SE EVAPORA AGUA AUMENTANDO LA TEMPERATURA DE LAS HO/AS (3) AUMENTANDO LA PROBABILIDAD DE FOTORRESPIRACIÓN (4). E l ESTRÉS OXIDATIVO POR LA FORMACIÓN DE SUPERÓX1DO ( 0 { ) Y OXÍGENO SINGULETE EXCITADO (’O J ES TAMBIÉN UNA CONSECUENCIA COMÚN. dientes, como la turgencia celular, la pre sencia de luzy la concentración interna de C 0 2 en las cavidades sub-estomáticas. Más aún, cuando las raíces "perciben" una disminución en la disponibilidad de agua en el suelo, comunican este déficit a las hojas, mediante el ácido abscísico (ABA), un regulador de crecimiento, ei que pro voca la pérdida de turgencia de las células oclusivas, cerrando los estomas, aún antes de que la hoja, en realidad, pierda agua. La combinación de factores ambientales determ ina el funcionamiento de la fotosíntesis La actividad fotosintética está determina da por la combinación de los factores ambientales, y por lo mismo, varía a lo largo del día y de la estación, observándo se diferencias,además, entre las distintas secciones de un mismo árbol. Un ejemplo de esto, se puede advertir en el caso de las viñas con conducción vertical, y que tie nen disposición Norte-Sur. En la Fig. 4 se observa el recorrido del sol y las variables ambientales asociadas: temperatura, hu medad relativa e iluminación, a lo largo del día, de las dos caras de una viña del cv. Chardonnay, en el Valle de Casablanca, en el mes de diciembre del año 2000. El lado Este, es iluminado en forma directa sólo durante la mañana y con temperatu ras notoriamente menores a las observa- ■ Fig. 4 . C a m b io s e n la t e m p e r a t u r a , h u m e d a d r e l a t iv a e in t e n s id a d l u m in o s a a l o l a r g o d e l d ía , c u a n d o e l s o l s e m u e v e d e s d e e l E s t e a l O e s t e , v a r ia n d o la in c id e n c ia d ir e c t a d e la l u z s o b r e a m b o s l a d o s d e la e s p a l d e r a DE UNA VIÑA. ■ F ig . 5 . V a r i a c i o n e s d i a r i a s d e l a l u z i n c i d e n t e , t e m p e r a t u r a FOLIAR Y FOTOSÍNTESIS EN AMBOS LADOS DE LA ESPALDERA DE UNA VIÑA. El FUNCIONAMIENTO DE LA FOTOSÍNTESIS ESTÁ DETERMINADO POR LA COMBINACIÓN DE FACTORES EN CADA MOMENTO. 8:30 O ' ” 13:30 17:00 Este Oeste Hora del día (h) aconex 73 15 das en horas de la tarde en el lado Oeste, cuando dicha exposición está siendo ilu minada. La iluminación del lado Este, ocu rre por un menor número de horas, en comparación al lado Oeste, producto de la presencia de cerros. Esto se acentúa aún más por la frecuencia de neblinas durante la mañana, que afectarían sólo al lado Este de las plantas. Como es de esperar, la temperatura promedio es menor en las mañanas, y se mantiene alta desde medio día, con la consecuente disminución de la humedad relativa en horas de la tarde. La variación de los factores ambientales ya mencionados, que se podrían resumir en menor tiempo de iluminación, a menor temperatura promedioy mayor humedad relativa en el lado Este, en horas de la mañana, en comparación con lo que su cede en el lado Oeste en horas de la tarde, se traduce en que la luz absorbida por las hojas es opuesta a lo largo del día en ambas exposiciones de la viña, con tem peraturas foliares ligeramente diferentes y, como es predecible, con tasas fotosinté- ticas marcadamente diferentes a ambos lados de la espaldera (Fig. 5). A tempera turas de hoja comparables de 24° C y 25° C, con niveles de saturación luminosa de 1600 y 1500 |iMol PAR de luz en el lado Este y Oeste, respectivamente, en el pri mer caso se alcanza una tasa fotosintética de 17 |j.Mol C 0 2 m-2s-1 aproximadamen te, y de sólo 14 |iMol C 0 2 m-2s-1 en horas de la tarde en el lado Oeste. Estos resultados muestran una clara justi ficación a una práctica muy común en viñas, y que consiste en manejar de mane ra distinta el follaje en ambos lados, de acuerdo a su exposición. Más aún, estas mediciones corresponden a una localidad de temperaturas diarias menores en com paración a otros valles, por lo que es probable encontrar diferencias aún más notorias en situaciones más cálidas. El proceso fotosintético en relación a la innovación tecnológica Muchas de las prácticas culturales en la vid, tienen una implicancia directa sobre el funcionamiento del proceso foto- sintético. El manejo de poda, por ejemplo, tiene efectos sobre el nivel de sombreamiento, de temperatura de folla je, además de modificar el equilibrio natu ral fuente - receptáculo. Esto último es importante ya que la longevidad de las hojas tienen relación con su capacidad de exportar asimilados. La imposibilidad de exportar sacarosa, inhibe la síntesis de este compuesto, inhibiendo, a su vez, la fase clara de la fotosíntesis, acelerando la senesencia de las hojas. Algunas de las prácticas de reciente introducción en el manejo de parronales y viñas con efectos sobre el proceso fotosintético, son el de riego alternado de viñas desarrollado en Australia y la instalación de mallas en parronales. El riego alternado, consiste en suministrar por turnos, agua a ambos lados de la espaldera en viñas, de manera de someter intermitentemente a las raíces a un estrés hídrico, pero sin afectar drásticamente el consumo de agua de la planta en su totalidad. La restricción del riego en cierto volumen de raíces induce la síntesis de ABA, el que se moviliza hacia el follaje. Esta práctica se ha correlacionado con una disminución del vigor de las plantas sin disminuciones significativas en la produc ción de frutos, y aumentando, por lo mismo, la eficiencia del uso del agua, es decir, aumentando la relación rendimien to/agua absorbida. Este manejo, sin em bargo, implica una necesaria reducción en la conductancia estomática, y por lo tanto una disminución en la capacidad fotosintética de las hojas. Así mismo, po dría promover aumentos en la temperatu ra foliar, con las consecuencias ya mencio nadas. Por lo mismo, su implementación debe ser cuidadosa, de manera de lograr el efecto sobre el vigor, y no sobre la acumulación de azúcares en las bayas, o por lo menos, maximizar conveniente mente la mayor calidad de una menor producción. En condiciones de campo, en ciertos cul tivos en el mundo, se ha incorporado la utilización de mallas, como método para aumentar la calidad y cantidad de la pro ducción. Sin embargo, esta utilización no siempre responde a un objetivo único. Entre los posibles motivos se mencionan: a) mantención de niveles de humedad relativa superiores a la normal, b) disminu ción de la incidencia de vientos, evitando russet sobre frutos y follaje y/o disminu yendo la deshidratación de tejidos, c) evi tar el golpe de sol, d) mantener bajas temperaturas foliares, e) disminuir la ra diación incidente, y finalmente, f) una combinación de los anteriores. En el caso de los parronales de uva de mesa en Chile, se puede advertir amplias zonas en las que se ha incorporado el uso de mallas, parti cularmente en la III y IV Regiones, muy posiblemente modificando la presión de la energía absorbida, asociada a tempera turas elevadas y vientos fuertes, estos últi mos de claro efecto deshidratante (Fig. 6). La identificación precisa del factor am biental necesario de manipular, sin em bargo, permite optimizar el uso de la malla, de manera de nofavorecer la dismi nución del nivel de algún estrés en parti cular a costa de disminuir la energía fotosintéticamente activa. Lo anterior, uti lizando la densidad más apropiada de la malla; determinando el mejor momento de su utilización (colocación y retiro) e, incluso, y de acuerdo a las posibilidades, determinando las horas del día en que este recurso sería necesario. Al mismo tiempo, podría ser importante, de acuer do al impacto de la malla sobre la tempe ratura, humedad relativa y luz, modificar el vigor de las plantas optimizando el aprovechamiento de la luz. Utilización potencial de la fotosíntesis como herram ienta de innovación y manejo Como ya se señaló, muchas de las prácti cas agronómicas, en particular en la pro ducción de la vid, ya sea con fines enológicos o para uva de mesa, tienen directa relación con el proceso de fotosín tesis, y por lo tanto, sobre la capacidad de acumulación de materia seca de las plan tas. La interdependencia directa de la fo tosíntesis con otros aspectos fisiológicos de los vegetales, permiten utilizar a este proceso como un indicador de amplios beneficios. La fotosíntesis en plantas, es fácilm ente medible por medio de analizadores infrarrojo de gases (IRGA), equipos portátiles capaces de medir ins tantáneamente la velocidad de fijación de C 0 2 en hojas, además de informar del nivel de apertura estomática, entre otras características (Fig. 7). Esto, en combina ción con la determinación de temperatu ras de hoja por medio de sensores infrarro jo, y de las variables ambientales de luz, temperatura y humedad relativa del aire,facilitan el conocimiento de la fisiología del aprovechamiento de la luzy su depen dencia del ambiente. A continuación se presentan algunas de las posibles aplicaciones, con beneficios potenciales en el manejo de la vid. Específicamente como indicador en el calendario de control de nemátodos en raíces y de fertilización nitrogenada. Nemátodos - Fotosíntesis En general, los nemátodos que atacan las raíces de los vegetales, inducen daños por su interferencia en o) la capacidad de absorber agua y minerales desde el suelo ■ F ig . 6 . U t il iz a c ió n d e m a l l a s e n p a r r o n a l e s d e l a I I I R e g ió n . L o s t r e s t a c t o r e s CONDICIONANTES DEL PROCESO FOTOSINTÉTICO, COMO LUZ, TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA, SE VEN MODIFICADOS RESPECTO DE LAS PLANTAS A PLENA LUZ. por parte del vegetal y b) por convertirse en consumidores de los productos sinteti zados por la planta. No obstante, otras consideraciones también son relevantes, tales como el facilitar la infección por hongos, actuar como vectores de virus, etc. El resultado final de los efectos antes mencionados es una merma importante en los rendimientos, en que los frutos deben competir con la capacidad de las raíces de actuar como sink o consumido res de los compuestos asimilados por la fotosíntesis, para el propio consumo de los nemátodos, y para el continuo recam- hyo de raíces dañadas. Sin embargo, antes que la disminución de los rendimientos, la infección de raíces por nemátodos, gene ra efectos más inmediatos. En prim er lugar, la infección por nemátodos, al causar desordenes fisioló gicos y estructurales a nivel de raíces, determinan una disminución en la capaci dad del follaje de recuperar los niveles de agua perdida hacia la atmósfera, la que es máxima a medio día solar, cuando la temperatura foliar y, por lo tanto, el déficit de presión de vapor de agua entre las hojasy el aire, es máximo. Aconsecuencia de esto, los estomas tienden a cerrarse a medio día, frenando la fotosíntesis y cau sando un sobre calentamiento de las hojas por la imposibilidad de evaporar agua. Esto significa que las hojas se vuelven susceptibles a sufrir daño a su aparato fotosintético producto de la incapacidad de utilizar la luz absorbida en la asimila ción de C 0 2, pudiendo inducir la forma ción de especies oxígeno activas, tóxicas para el vegetal. El efecto visible de este daño, es la aparición de colores amarillen tos en el follaje. Sin embargo, el impacto de la infección mencionada, sólo ocurre sobre ciertos niveles de población de nemátodos. Esto significa, al igual que en el caso de las plagas que afectan la parte aérea, que las plantas tienen la capacidad de tolerar, sin efectos sobre su rendimien to y calidad, poblaciones de nemátodo, bajo un determinado umbral, de acuerdo a las condiciones ambientales en que cre cen estas plantas. La determinación del punto de declina ción de la capacidad fotosintética, es decir de la capacidad de las hojas de sustentar la acumulación de materia seca y el rendi miento, en relación a la población de nemátodos, permitirá establecer la pobla ción precisa de nemátodos en el suelo, más allá de la cual se produce una merma ■ F ig . 7 . C á m a r a d e u n a n a l i z a d o r i n f r a r r o j o , p a r a m e d i c i ó n d e f o t o s í n t e s i s e n c o n d i c i o n e s d e c a m p o . La v e r s a t i l i d a d d e e s t o s e q u i p o s h a p e r m i t i d o s u u s o e n e l e s t u d i o d e l a f i s i o l o g í a d e c u l t i v o s . aconex 73 17 Población de Nemátodos (unid, relat) ■ F ig . 8 . C u r v a d e d is m in u c ió n d e la FOTOSÍNTESIS POR NEMÁTODOS. E l PUNTO DE DEPRESIÓN DE LA CURVA DE FOTOSÍNTESIS DEBE SER CERCANA A LA DE DEPRESIÓN DEL RENDIMIENTO Y MARCA LA POBLACIÓN UMBRAL DE ESPECIES DE NEMÁTODO, TOLERABLE, ANTES DE COMENZAR CON CONTROLES ACROQUÍM1COS. en la producción (Fig. 8). Esto significa la posibilidad de utilizar racionalmente los recursos agroquímicos, limitando sus apli caciones a las estrictamente necesarias, disminuyendo costos y atenuando el im pacto sobre el medio. Relación Nitrógeno - Fotosíntesis El rendimientos en cultivos depende fuer temente de la fertilización en base a nitró geno, o dicho de otra forma, la disponibi lidad de nitrógeno se constituye como uno de las limitantes fundamentales al rendimiento. El nitrógeno es un impor tante componente de los aminoácidos, y por lo tanto de proteínas. Esto significa que la estructuray función, a nivel celular, dependen de este suministro. Particular mente importante, en la fisiología de los cultivos, resulta el hecho de que el mayor componente proteico a nivel foliar, lo constituye la enzima ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), conside rándose a esta, como la proteína más abundante del planeta. Esta enzima, es la que cataliza la carboxilación de la ribulosa 1,5-bifosfato, en el ciclo de Calvin en los cloroplastos, y constituye el punto de en trada de carbono a la síntesis de carbohidratos en plantas. Por lo tanto, inicia la formación de compuestos ener géticos, luego de la producción del poder reductor y ATP en la fase clara de la fotosíntesis. Por otra parte, la mayoría del nitrógeno en las hojas está constituyendo las moléculas de clorofila asociadas al apa rato fotosintético cosechador de luz. Esto significa que a nivel foliar, la inversión en nitrógeno se justifica por su consecuente soporte a la función fotosintética de las hojas. En otras palabras, el nitrógeno per mite la conversión energética de la luz en poder reductor y ATP, y de la reducción final del C 0 2en sacarosa y almidón y por lo mismo, es el factor más importante en la determinación del vigor y rendimiento en plantas cultivadas. Más aún, las deficiencias notorias de nitró geno, se advierten por el característico amarillamiento de las hojas, producto de la menor capacidad de síntesis de clorofi la, y el predominio de otros pigmentos como carotenos. Esta apreciación visual, sin embargo, se nota sólo cuando las concentraciones del elemento son críticas y por lo tanto, cuando es difícil de corregir en el corto plazo o bien ya se han produ cido efectos inevitables sobre la produc ción y crecimiento de las plantas. Al con trario, suministros exagerados de nitróge no, redundarán en un crecim iento vegetativo exagerado, particularmente in conveniente en el caso de las viñas. Una vez que se cuenta con sistemas de riego controlado, es posible suministrar los nutrientes necesarios por medio de fertigación. En este sentido, si se lleva un control periódico del contenido de nitró geno foliar, es posible realizar aplicaciones sólo cuando sea necesario, algo así como basar la fertilización nitrogenada en co rrecciones permanentes del elemento, más que en aplicaciones en una única o pocas parcialidades. Evidentemente, la toma permanente de muestras foliares para su análisis, es costoso y con demoras inevita bles, que hacen imposible su práctica como método indicador del status nitrogenado de las plantas. Por el contrario, es posible medir el contenido de clorofilas en cam po, con espectrofotómetros de muy bajo costo, especialmente diseñados para ello, en no más de 30 s por medición. Esto se logra por medio de la correlación entre la lectura del espectrofotómetro y las deter minaciones en laboratorio de clorofila y nitrógeno de esas muestras de hoja. La curva de calibración se realiza sólo una vez en hojas de distinta edad y condición. En este sentido, también se trata de un siste ma de manejo "ambientalmente amisto so", por que además de reducir la necesi dad de fertilización y mejorar, por lo mis mo, la condición de vigor de las plantas, promueve la disminución de la pérdida de nitrógeno, particularmente en forma de nitratos, a las napas subterráneas. Esto último es un problema cada vez más grave a nivel deesas reservas, y sobre las que la agricultura tiene la mayor responsabilidad.
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