9.8 Cloro

9.8.1 General
9.8.2 Evolución del O₂ fotosintético
9.8.3 ATPasa bombeadora de protones del tonoplasto
9.8.4 Regulación estomatal
9.8.5 Suministro de cloro y crecimiento vegetal
9.8.6 Suministro de cloro y osmorregulación
9.8.7 Deficiencia y toxicidad por cloro
 

9.8.1 General

El cloro es ubicuo en la naturaleza, y se presenta en solución acuosa como el ión cloruro monovalente (Cl^-). Sus sales son rápidamente solubles, la movilidad del cloruro en el suelo es alta, y su concentración en la solución del suelo varía en un amplio rango. El cloruro es rápidamente tomado por las plantas y su movilidad en el transporte a corta y larga distancia es alta. En plantas el cloro se presenta principalmente como un anión libre ó está flojamente enlazado a sitios de intercambio. Sin embargo, en plantas superiores también se han encontrado más de 130 compuestos orgánicos clorados. Con pocas excepciones (Sección 9.8.5), no se conoce la importancia de estos compuestos en términos del requerimiento funcional de cloro para las plantas superiores. Los contenidos promedio de cloro en las plantas están en el rango de 2-20 mg g^-1 materia seca que es el contenido típico de un macronutriente. En la mayoría de especies vegetales el requerimiento de cloro para el óptimo crecimiento, sin embargo, está en el rango de 0.2-0.4 mg g^-1 materia seca, esto es, cerca de 10 a 100 veces menor. Debido a que el cloro es usualmente suplido como cloruro a plantas a partir de varias fuentes (reservas del suelo, agua de irrigación, lluvia, fertilizantes, polución del aire), en una base mundial hay mucho mas interés acerca de la toxicidad por cloro (Sección 16.6.3) que por su deficiencia en las plantas. De hecho, para inducir deficiencia de cloro, en la mayoría de especies vegetales se requieren precauciones particulares para reducir la “contaminación” por cloruro proveniente de las semillas, químicos, agua y aíre. Usando estas precauciones Broyer et al. (1954) fue capaz de demostrar el requerimiento de cloro como un micronutriente para plantas superiores. Para una más reciente tabulación donde se ha demostrado la deficiencia de cloro el lector es referido a Flowers (1988).

9.8.2 Evolución del O₂ fotosintético

En 1946 Warbug & Lüttgens mostraron que el sistema de rompimiento del agua del fotosistema II (PS II) requiere de cloro, y a partir de ese momento se ha confirmado la participación del cloro en el rompimiento del agua en el centro oxidante del PS II, i.e., para la evolución del O₂ (Sección 5.2) en un gran número de estudios con fragmentos de cloroplasto. Se muestra un ejemplo de esto en la Fig. 9.34. En partículas de PS II de cloroplastos de espinaca agotados en cloruro hay un abrupto incremento en la evolución del O₂ fotosintético al incrementar el suministro externo de cloruro. Sin embargo, otros aniones como el sulfato disminuyen la eficiencia del cloruro (Fig. 9.34) indicando una baja selectividad de los centros de ligamiento por el cloruro en el PS II.

Fig. 9.34 Evolución del O₂ en partículas de PSII de cloroplastos de espinaca agotados en cloruro al afectarse por varias concentraciones de NaCl y MgSO₄. (A partir de Itoh & Uwano, 1986)

En principio resultados similares que muestran la dependencia al cloro para la evolución del O₂ se han encontrado para la dependencia al manganeso, por ejemplo, por Ball et al. (1984) con fragmentos de cloroplasto de remolacha azucarera. Es asombroso que además del manganeso un simple anión como el cloruro pueda jugar un rol fundamental tal en el sistema de rompimiento del agua del PS II. El cloruro puede cualquiera actuar como un ligando puente para la estabilización del estado oxidado del manganeso, ó como un componente estructural de los polipéptidos asociados (extrínsecos). Un modelo de un rol estructural tal del cloruro se muestra en la Fig. 9.35. Los varios polipéptidos (33 kDa, 24 kDa, 18 kDa) adheridos al PS II proporcionan las cargas para el ligamiento del cloruro, y el cloruro por otro lado protege a los polipéptidos de la disociación. Varía ampliamente la concentración externa requerida para la máxima evolución del O₂, es tan alta como 250 mм en vesículas tilacoidales puras sin los tres polipéptidos. El resuministro de los polipéptidos resultó en su redistribución y redujo la concentración externa requerida de cloruro a cerca de 5 mм. Esta es una de las razones del por que se ha revisado críticamente la necesidad del cloro in vivo como un cofactor en el sistema de rompimiento de agua del PS II. Se argumenta también que el calcio (Ca²⁺) puede jugar un rol estructural más importante en el PS II que el cloruro.

Desafortunadamente los experimentos con cloroplastos intactos son inconclusos para comprobar la esencialidad del cloro en la evolución del O₂ fotosintético, ya que los contenidos de cloro son relativamente altos aún en los cloroplastos provenientes de plantas deficientes de cloro. En base a sus estudios con especies vegetales halófitas y no halófitas, que incluyen espinaca, suplida con diferentes concentraciones de cloruro, Robinson & Downton (1985, 1986) concluyeron que los cloroplastos mantiene una concentración bastante alta de cloruro (80-90 mм) independientemente de la especie vegetal y del suministro externo. Esto contrasta con los resultados para remolacha azucarera y espinaca. Al usar microanálisis por rayos X se mostró que las concentraciones de cloruro en los cloroplastos de espinaca estaban estrechamente relacionadas con la concentración externa y caían tan bajo como 1.4 mм a bajo suministro externo. Esto puede implicar que en cloroplastos intactos el requerimiento de cloruro del PS II para la evolución del O₂ está en el rango de 1 mм ó menos, a menos que este sea estrictamente compartimentado.

  Fig. 9.35 Presentación esquemática de la superficie membranal del complejo de rompimiento del agua del PS II (P₆₈₀) con polipéptidos extrínsecos. (A partir de Itoh & Uwano, 1986)

9.8.3 ATPasa bombeadora de protones del tonoplasto

Las ATPasas y PP_iasas bombeadoras de protones de la membrana son estimuladas por varios cationes y aniones. La importancia de estas bombas para la regulación del pH del citosol y la toma radical de iones se ha discutido en la Sección 2.4. Mientras que la ATPasa bombeadora de protones de la membrana plasmática es estimulada por cationes monovalentes, K⁺ en particular, la ATPasa bombeadora de protones del tonoplasto no es afectada por cationes monovalentes sino que es estimulada específicamente por el cloruro. Un ejemplo que muestra la estimulación del cloruro es dado en la Tabla 9.45. El bromuro es algo menos efectivo, el sulfato tiene un efecto inhibidor. El nitrato cualquiera estimula la bomba solo ligeramente (Tabla 9.45) ó aún inhibe su actividad.

La estrecha relación entre el suministro de KCl y la actividad radical ATPasa (Sección 8.7) es por lo tanto un reflejo de dos diferentes mecanismos localizados en diferentes membranas:

Hay también notables semejanzas entre la ATPasa-H⁺ estimulada por el cloruro y los mecanismos que regulan la elongación de los coleoptilos. La severa inhibición de la elongación radical en plantas deficientes en cloro puede también estar relacionada con está función del cloruro. La falta de estimulación de la ATPasa-H⁺ del tonoplasto por el nitrato es probablemente un importante mecanismo regulador que asegura bajas tasas de acumulación de nitrato en las vacuolas de las células radicales y por lo tanto el rápido transporte del nitrato al vástago, el principal sitio de reducción del nitrato. Por otro lado el transporte preferencial del cloruro a las vacuolas de las células radicales permite a este ión funcionar como un soluto osmoticamente activo dentro de las raíces. Estas funciones osmorreguladoras requieren de altas concentraciones de cloro y son difíciles de reconciliar con las funciones del cloro como un micronutriente, a menos que estas funciones osmóticas estén confinadas solo a partes vegetales particulares ó compartimentos celulares (Sección 9.8.6).

9.8.4 Regulación estomatal

El cloro puede jugar un rol esencial en la regulación estomatal. La apertura y cierre de los estomas es mediada por los flujos de potasio y aniones acompañantes como el malato y el cloruro (Sección 8.7.6.2). En especies vegetales como Allium cepa que carece en las células guarda de cloroplastos funcionales para la síntesis de malato, el cloruro es esencial para el funcionamiento estomatal, y se inhibe la apertura estomatal en ausencia de cloruro. Los miembros de la Palmaceae como el coco (Cocus nucifera L.) y la palma de aceite (Elaeis guineensis Jacq.) que pueden poseer cloroplastos que contienen almidón en sus células guarda también requieren del cloruro para el funcionamiento estomatal. En coco se presenta una estrecha correlación entre los flujos de potasio y cloruro durante la apertura estomatal desde las células subsidiarias a las células guarda y, viceversa, durante el cierre estomatal; en plantas deficientes en cloro se retrasa la apertura estomatal por cerca de 3 h. El deterioro de la regulación estomatal en palmas se considera un factor principal responsable de la depresión del crecimiento y síntomas de marchitamiento en plantas deficientes en cloro.

9.8.5 Suministro de cloro y crecimiento vegetal

Además de los síntomas de marchitamiento, en la mayoría de plantas el principal efecto de la deficiencia de cloro es una reducción en el área de la superficie foliar y por lo tanto del peso seco planta (Fig. 9.36). Esta disminución en el área foliar es el resultado de una reducción en las tasas de división celular y extensión celular, y no de la fotosíntesis de neta por unidad de clorofila, indicando un menor requerimiento de cloro para la evolución del O₂ fotosintético que para otros procesos dependientes de cloro. En remolacha azucarera el contenido crítico de deficiencia en laminas foliares está en el rango de 20 (Fig. 9.36) y 50 μmol Cl g^-1 peso seco, ó 0.7 y 1.7 mg Cl g^-1 peso seco, respectivamente.

Fig. 9.36 Efecto de la deficiencia de cloro sobre el crecimiento (A) y fotosíntesis (B) en remolacha azucarera. (A partir de Ferry, 1977.)

La especie vegetal juega un rol importante al determinar el contenido crítico de deficiencia del cloro en el peso seco caulinar, y la depresión del crecimiento cuando se interrumpe el suministro de cloro como se muestra en la Fig. 9.37 para varias especies vegetales cultivadas en soluciones nutritivas bajo condiciones ambientales controladas. Al retener el suministro de cloro, el crecimiento no fue alterado en calabaza, pero lo redujo drásticamente en lechuga. El resuministro de cloro a las plantas deficientes restauro el crecimiento en unos pocos días.

Fig. 9.37 Peso seco caulinar relativo y contenido de cloro en plantas deficientes en cloro. (Redibujado a partir de Jonson et al., 1957.)

La reducción del crecimiento y los síntomas de deficiencia del cloro pueden ser restaurados al 90% del nivel de plantas adecuadamente suplidas con cloruro al suplirlas con bromuro. El cloruro y el bromuro tienen propiedades fisicoquímicas similares; por ejemplo, sus radios iónicos hidratados son casi los mismos: 0.332 nm (Cl^-) y 0.330 nm (Br^-). Sin embargo, la sustitución del cloruro por el bromuro no tiene significado práctico, debido a las diferencias en sus abundancias naturales. En la corteza terrestre, el mar, y el aíre, así como en las plantas, el cloro es ~1000 veces mas abundante que el bromo.

Comparando con la mayoría de otras especies vegetales (con excepción de los árboles de palma), el kiwi (Actinidia deliciosa) tiene un mucho mayor requerimiento de cloro (Tabla 9.46). En plantas deficientes de cloro el peso seco y el tamaño foliar son drásticamente reducidos y se presenta clorosis intervenal en laminas foliares maduras. El contenido crítico de deficiencia en las hojas es de cerca de 2 mg Cl g^-1 peso seco y, de este modo, la deficiencia por cloro puede ser rápidamente inducida en esta especie. No son claras las razones para el alto requerimiento de cloro por el kiwi. En el experimento mostrado en la Tabla 9.46, los efectos del cloro sobre el crecimiento no estaban relacionados con los cambios en el balance catión-anión en las plantas, ya que los crecientes contenidos de cloruro en las hojas fueron contrarrestados por disminuciones equimolares en el contenido de nitrato.

No se conoce mucho sobre el rol específico del cloro como un micronutriente, por ejemplo, en la división y extensión celular, ó en el metabolismo del nitrógeno. Los contenidos de ciertos aminoácidos y amidas son excepcionalmente altos en plantas de col y coliflor deficientes en cloro como un resultado cualquiera debido a la inhibición en la síntesis ó al realce de la degradación proteica. Se indica un rol del cloro en el metabolismo del nitrógeno por su efecto estimulante en la asparragina sintetasa, que usa la glutamina como sustrato:

Cualquiera el cloruro ó el bromuro realzan está transferencia en un factor de ~7, mientras que el sulfato tiene un efecto inhibidor. Además, el cloruro incrementa la afinidad de la enzima por el sustrato en un factor de 50. En especies vegetales en que la asparragina es el principal componente en el transporte a larga distancia de nitrógeno soluble (Sección 8.2), el cloruro puede de este modo también jugar un rol en el metabolismo del nitrógeno.

Algunos de estos compuestos orgánicos que contienen cloro en las plantas tienen una actividad biológica tan alta como antibióticos y fungicidas. Puede concebirse un efecto particular del cloro sobre el crecimiento por extensión en algunas especies leguminosas como arveja y haba que contienen cantidades considerables de IAA clorado en sus semillas. Este compuesto realza la elongación del hipocótilo 10 veces mas de lo que lo hace la IAA misma, probablemente debido a su mayor resistencia contra la degradación por peroxidasas.

9.8.6 Suministro de cloro y osmorregulación

Cuando se expresa en base al contenido de agua vegetal, un contenido crítico de deficiencia del 0.2% en el peso seco representa 60 μmol Cl g^-1 peso seco, ó una concentración cercana a 6 mм Cl^-. Esta concentración es muy baja para ser de importancia general en la osmorregulación del tejido vegetal total a menos que el cloro sea acumulado preferentemente en ciertos tejidos (e.g., zonas de extensión) ó células (e.g., células guarda). Por lo general, sin embargo, las concentraciones de cloro en las plantas exceden este nivel crítico de deficiencia por dos órdenes de magnitud y se vuelve importante en el ajuste osmótico y en las relaciones planta agua incluyendo un rol en el caudal del xilema y en la presión radical (Sección 3.2). En este rango de concentración el cloruro representa el anión inorgánico dominante en la vacuola. En la savia del floema las concentraciones de cloruro pueden estar en el orden de 120 mм y parecen jugar un rol en la carga y descarga de azúcares en el floema. Este es el caso por ejemplo, en hojas de cebada, y en la descarga del floema en los pulvinulos de Mimosa pudica durante los movimientos foliares seismonásticos; en el último proceso la descarga del cloruro está acompañada por potasio y azúcares.

El cloruro, junto con el potasio, tiene una función particular en la osmorregulación en el estigma de pastos. El estigma de pastos como Pennisetum americum L. frecuentemente se extiende en minutos en la antesis mediante la elongación celular y es principalmente mediado por la rápida transferencia de potasio y cloruro desde los tejidos circundantes al primordio de estigma.

En conclusión, el cloruro tiene funciones importantes a diferentes niveles en la osmorregulación. A contenidos vegetales usualmente altos este es un osmótico principal en las vacuolas del tejido total (50-150 mм Cl^-), junto con el potasio. A bajos contenidos que están en el rango de micronutriente (~1 mм Cl^- ó debajo), estas funciones osmorreguladoras del cloruro están presumiblemente confinadas a tejidos ó células especializadas, como las zonas de extensión radicales y caulinares, pulvinulos y estigma, y células guarda, donde las concentraciones de cloruro pueden ser mucho mayores que en el promedio del tejido total. La estimulación del cloruro en la ATPasa bombeadora de protones en el tonoplasto concuerda con el rol particular del cloruro en la osmorregulación.

9.8.7 Deficiencia y toxicidad por cloro

El marchitamiento de las hojas, especialmente en los márgenes foliares, es un síntoma típico de la deficiencia de cloro, aún en cultivos hidropónicos, cuando las plantas son expuestas a plena luz solar. Con deficiencia severa puede presentarse rizado de las hojas más jóvenes seguido por marchitamiento y necrosis. En árboles de palma que tiene un requerimiento particularmente alto de cloruro cercano 6 mg Cl g^-1 peso seco foliar, además del marchitamiento y senescencia prematura de las hojas, la fractura de las frondas y agrietamiento del tallo son los síntomas típicos de deficiencia de cloro (Tabla 9.47).

En hojas y raíces, además de la división celular, se deteriora particularmente la extensión celular en plantas deficientes, y en raíces esto está asociado con el hinchamiento subapical y la realzada formación de raíces laterales cortas, dando a la raíces una apariencia regordeta.

En especies vegetales como en trébol rojo con requerimientos de cloruro relativamente bajos (<1 mg Cl g^-1 peso seco foliar) la demanda puede ser cubierta por una concentración de 100 µм Cl^- en la solución nutritiva, a un suministro de 10 µм Cl^- el peso seco caulinar cae en un 50%, indicando que la selectividad en la toma de cloro no es muy alta comparando, por ejemplo, con la del fósforo, donde el mucho mayor requerimiento en el peso seco foliar (Sección 8.4.6) puede ser cubierto por el suministro de aún menos de 10 µм.

Surge la pregunta acerca de la ocurrencia de deficiencia de cloro bajo condiciones de campo. Asumiendo un contenido crítico de deficiencia de 1 mg Cl g^-1 peso seco caulinar, el requerimiento del cultivo puede estar en el rango de 4-8 kg Cl ha^-1, que aproximadamente es la entrada a partir de lluvia en áreas bastante distantes de los océanos, y aproximadamente 10 veces menos que la entrada a partir de lluvia en parte cercanas al océano. Sin embargo, en suelos altamente lixiviados con una baja entrada de cloro a partir de la lluvia y otras fuentes, puede presentarse deficiencia de cloro aún en especies vegetales con bajo requerimiento de cloro. La probabilidad de deficiencia de cloro y, así de la respuesta a fertilizantes de cloro, se incrementa en especies vegetales con un alto requerimiento de cloro como el kiwi y los árboles de palma en particular.

Hay también reportes de experimentos en campo con trigo y otros cereales (que tiene un requerimiento relativamente bajo de cloro) en que los incrementos en el rendimiento de grano fueron obtenidos por la fertilización con cloruro (e.g., KCl en vez de K₂SO₄). Este incremento del rendimiento puede ser una combinación de varios efectos, incluyendo el alivio de la deficiencia de cloro, la supresión de enfermedades de pudrición radical, ó una combinación de la supresión de enfermedades y de las mejoradas relaciones planta-agua. En kiwi, las realzadas tasas de toma de potasio y un mejoramiento en el estado nutricional del potasio pueden ser efectos colaterales adicionales por la aplicación de fertilizantes de cloruro.

Comparada con la deficiencia de cloro, la toxicidad es de mucha más ocurrencia mundial y una factor general de estrés que limita el crecimiento vegetal particularmente en regiones áridas y semiáridas. En promedio, las concentraciones de cloruro en la solución externa de más de 20 mм puede conducir a la toxicidad en especies vegetales sensibles, mientras que en especies tolerantes la concentración externa puede ser cuatro a cinco veces mayor sin reducir el crecimiento. Estas diferencias están relacionadas principalmente con las diferencias en la sensibilidad del tejido foliar a contenidos excesivos de cloruro. Mas de 3.5 mg Cl g^-1 peso seco foliar (~10 mм Cl^- en el agua foliar) son toxicas para especies sensibles, como la mayoría de árboles frutales, y para el fríjol y algodón. En contraste, 20-30 mg Cl g^-1 peso seco foliar (~60-90 mм Cl^- en el agua foliar) no son dañinas para especies tolerantes como la cebada, espinaca, lechuga, y remolacha azucarera. Las diferencias genotípicas en la tolerancia al cloro están estrechamente relacionadas con los mecanismos de tolerancia a las sales, que son discutidos en la Sección 16.6.

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