Herbicidas que Actúan A través de la Fotosíntesis

Overview

En esta lección se examinarán los herbicidas que afectan los procesos celulares relacionados con la utilización de la luz, causando así daños a las plantas. Existen cuatro mecanismos básicos que serán estudiados: herbicidas que obstruyen la síntesis de protoporfirina IX; herbicidas que inhiben la síntesis de carotenoides; herbicidas que obstruyen la transferencia de electrones en el fotosistema II; y herbicidas que substraen electrones del fotosistema I. Todos ellos comparten la misma habilidad de causar daños celulares en presencia de luz.

 

Introducción a los Herbicidas que Actúan A través de la Fotosíntesis

John Markwell
Department of Agronomy and Horticulture at University of Nebraska-Lincoln, USA
Deana Namuth
Department of Agronomy and Horticulture at University of Nebraska-Lincoln, USA
Ismael Hernández-Rios
Crop Sciences at Colegio de Postgraduados, in Salinas de Hgo., SLP, Mexico
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Descripción:
En esta lección se examinarán los herbicidas que afectan los procesos celulares relacionados con la utilización de la luz, causando así daños a las plantas. Existen cuatro mecanismos básicos que serán estudiados: herbicidas que obstruyen la síntesis de protoporfirina IX; herbicidas que inhiben la síntesis de carotenoides; herbicidas que obstruyen la transferencia de electrones en el fotosistema II; y herbicidas que substraen electrones del fotosistema I. Todos ellos comparten la misma habilidad de causar daños celulares en presencia de luz.

Objetivos:
Al completar esta lección, los estudiantes serán capaces de diferenciar entre herbicidas con modos de acción basados en:


El desarrollo de esta lección fue apoyado en parte por el Servicio Cooperativo Estatal de Investigación, Educación y Extensión del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) bajo los Acuerdos Nos. 98-EATP-1-0403 y 00-34416-10368, administrados por la Universidad de Cornell y el Consorcio Americano de Educación a Distancia (ADEC). Las opiniones, resultados, conclusiones o recomendaciones expresados en esta publicación son responsabilidad exclusiva del (los) autor(es) y no reflejan necesariamente el punto de vista del USDA.

Antecedentes de los Herbicidas

El uso de los herbicidas en la agricultura de Norteamérica está ampliamente difundido debido al alto costo de la mano de obra, que hace prohibitivo el deshierbe manual. En esta lección se presentará información sobre aquellos herbicidas cuyos modos de acción están basados en los procesos fotobiológicos de las plantas. No se pretende hacer una cobertura general de los herbicidas, ni desmeritar a otros herbicidas de amplio uso cuyos modos de acción se basan en mimetizar algunas fitohormonas, o inhibir las rutas metabólicas de síntesis de aminoácidos, lípidos u otras moléculas. Además, debe entenderse que al enfocarse esta lección en herbicidas que usan mecanismos fotobiológicos como modo de acción, no se estará hablando de moléculas que actúan de una manera altamente específica. Mas bien, estas clases de herbicidas aprovechan la enorme cantidad de energía de la luz y las terribles consecuencias que ésta tiene sobre las células de las plantas cuando no es manejada de manera apropiada. La energía de la luz solar es realmente extraordinaria y, mal utilizada, tiene efectos devastadores sobre las células.

Los científicos de las malezas han clasificado a los herbicidas de acuerdo con su modo de acción. Para los propósitos de este curso, se utilizará la clasificación de la Sociedad Americana de la Ciencia de la Maleza (WSSA, por sus siglas en inglés) http://www.weeds.iastate.edu/reference/siteofaction.htm
Sin embargo, se debe reconocer que esta clasificación no es utilizada de manera universal. Por ejemplo, el Comité de Acción contra la Resistencia a Herbicidas (HRAC, por sus siglas en inglés) ha desarrollado un esquema alterno de clasificación de los herbicidas basado también en sus modos de acción

Otra fuente de confusión es la nomenclatura de los herbicidas. Los nombres químicos son frecuentemente muy largos y confusos, mientras que los nombres comerciales no brindan información alguna. Por ejemplo, atrazina es el compuesto químico 6-cloro-N-etil-N’-(1-Metiletil)-1,3,5-triazina-2,4-diamina, pero es comercializado en todo el mundo con los nombres comerciales: Aatrex, Aktikon, Aktinit, Argezin, Atazinax, Atranex, Atrazine, Atratol A, Atred, Candex, Cekuzina, Crisatrina, Cyazin, Farmco atrazine, Fenamin, Fenatrol, Geigy 30027, Gesaprim, Griffex, Hungazin, Inakor, Oleogesaprim, Primatol, Primaze, Radazin, Strazine, Triazine, Vectal, Weedex A, Wonuk, Zeazin, y Zeazine. Los siguientes sitio de internet pueden proporcionarle mas información sobre algún herbicida en particular cuando lo único de lo que se dispone es un nombre extraño:

http://www.ianrpubs.unl.edu/epublic/live/ec130/build/ec130%20herbicide%20use%20appendices.pdf

En esta lección se tratarán cuatro modos de acción de herbicidas relacionados con procesos fotobiológicos, como se indica en la Tabla 1. Tome en cuenta que se trata de información muy simplificada. Si se tratase de un curso de postgrado sobre los modos de acción de los herbicidas, la información podría ser mas compleja.

 
Modo de acción Clase de molécula Ejemplo Clasificación de la WSSA Clasificación del HRAC
Inhibición de la protoporfirinógeno oxidasa Difenileters Fenilheterocíclicos Acifluorfén Sulfentrazone 14 E
Inhibición de la síntesis de carotenoides Triazoles Piridazinonas Isoxasoles Isoxazolidinonas Amitrole Norflurazon Isoxaflutole Clomazone 11, 12, 13
y 28
F
Inhibición del fotosistema II Triazinas Nitrilos Ureas Atrazina Bromoxinil Diuron 5, 6 y 7 C
Substracción de electrones del fotosistema I Bipiridilos Diquat 22 D

 

Inhibidores de la Protoporfirinógeno Oxidasa

La protoporfirinógeno oxidasa (PPO) es una enzima de los cloroplastos, la cual oxida al protoporfirinógeno para producir protoporfirina IX. Este producto es importante ya que es la molécula precursora de las clorofilas (necesarias para la fotosíntesis) y los grupos hemo (necesarios en las cadenas de transferencia de electrones) (Figura: Protoporfirina IX).

Protoporfirina IX: La protoporfirina IX sirve de precursor para la síntesis de la clorofila.

Sin embargo, los efectos de los inhibidores de esta enzima oxidasa van mas allá de la simple obstrucción de la síntesis de clorofilas y grupos hemos. Cuando la enzima es inhibida, el substrato protoporfirinógeno se acumula y es lentamente oxidado por las altas concentraciones de O2 producidas en el cloroplasto, con lo cual se produce protoporfirina IX. Con esta producción espontánea del producto podría parecer que se evade el efecto del inhibidor, pero en realidad esto tiene graves consecuencias celulares.

La protoporfirina es una molécula fotosensibilizadora muy eficiente. Normalmente, las concentraciones de protoporfirina en las células son mantenidas muy bajas, siendo transportada de su sitio de síntesis en el cloroplasto hacia otros sitios en la célula donde es requerida para la biosíntesis de grupos hemo. En presencia de herbicidas inhibidores, la concentración de protoporfirina se incrementa y empieza a acumularse en toda la célula. Como con la mayoría de los herbicidas discutidos en esta lección, si la planta es mantenida en la oscuridad o bajo luz muy tenue, los efectos del herbicida no son observados. Sin embargo, cuando la planta es expuesta a la luz solar directa, la protoporfirina acumulada en la célula es excitada a un estado triplete, interactuando entonces con el oxígeno molecular (O2 ) para producir oxígeno excitado simple (1O2). El oxígeno excitado simple es tóxico para las células porque es mucho mas destructivo que el oxígeno molecular en su estado triplete normal. Los principales puntos de ataque del oxígeno excitado simple incluyen los enlaces dobles de los ácidos grasos y los aminoácidos.

Daño por Blazer: Efectos de Blazer, un inhibidor de la enzima PPO, en plantas de malva.

Las membranas celulares, sitios con altas concentraciones de ácidos grasos insaturados, son particularmente vulnerables a la peroxidación (daño molecular causado por los radicales libres). La membrana plasmática de las células vegetales es considerada el componente vulnerable mas impactado por los daños fotodinámicos causados por los herbicidas que inhiben a la enzima protoporfirinógeno oxidasa. En la Figura: Daño por Blazer (acifluorfén), pueden verse los daños causados en la malva (velvetleaf, Abutilon theophrasti) por la aplicación del herbicida Blazer (acifluorfén), que es un inhibidor de la enzima PPO. Observe las lesiones necróticas (tejido muerto localizado) que se han formado por la aplicación del herbicida. La inhibición de la enzima ha causado la liberación y acumulación de protoporfirina a través de las células. En presencia de luz se produce oxígeno excitado simple que causa la muerte rápida de las células.

Inhibidores de la Síntesis de Carotenoides

Los carotenoides juegan un papel importante en la fotosíntesis al capturar la luz solar y transferir su energía a las moléculas de clorofila dentro del aparato fotosintítico. Además, los carotenoides realizan tres funciones protectoras en el aparato fotosintítico; esto se debe a que actúan como moléculas protectoras por su notable capacidad para extinguir la energía de excitación de otras moléculas, disipándola en forma de calor de una manera no perjudicial para la planta. La primera función protectora de los carotenoides es su capacidad para extinguir moléculas en estado triplete y regresarlas a su estado basal. La segunda función es extinguir la energía de excitación del oxígeno en estado excitado simple (altamente destructivo), regresándolo a su estado triplete normal (el oxígeno es una molécula inusual ya que en el estado triplete es mas estable que en el estado simple). La tercera función protectora es la extinción de los centros de reacción de los fotosistemas cuando son sobreexcitados en presencia de luz muy intensa. Para esta tercera función, la zeaxantina, un carotenoide específico, es producido de la violaxantina que se encuentra normalmente presente en el cloroplasto. Los inhibidores de la síntesis de los carotenoides causan una decoloración o blanqueamiento general de la planta. Esto es debido a que cada vez que una molécula de clorofila absorbe la energía de un fotón existe la posibilidad de que se genere un estado triplete. Sin la presencia de carotenoides para extinguir la energía de las clorofilas en estados tripletes, se pueden generar especies de oxígeno reactivo que pueden destruir el aparato fotosintítico dentro de las membranas de los tilacoides. La destrucción de las clorofilas causa consecuentemente la decoloración o blanqueamiento de las hojas.

Los herbicidas que inhiben la biosíntesis de carotenoides actúan en las fases iniciales de la ruta metabólica de los isoprenoides. Un ejemplo de estos herbicidas es el clomazone (Command o Gamit), el cual inhibe la síntesis de isoprenoides en la fase de síntesis del isopentilpirofosfato, al inicio de la ruta de síntesis de los carotenoides.

Maíz: Sintomatología de maíz tratado con Command, un herbicida que inhibe la síntesis de isoprenoides. Malva: Efecto de Command en plántulas de malva.

Los efectos no son específicos a la producción de carotenoides sino que el modo de acción de este herbicida resulta de los daños fotodinámicos generados por la ausencia de los carotenoides. Los daños fotodinámicos celulares son causados por la absorción de energía luminosa por una molécula que es incapaz de disipar dicha energía de una manera inofensiva para la célula. Las fotografías que aquí aparecen muestran los efectos del herbicida Command o Gamit aplicado a plantas de maíz y malva. Observe la falta de pigmentación en las hojas; el herbicida obstruye la síntesis de carotenoides. En ausencia de los carotenoides, las clorofilas son mucho mas susceptibles a ser destruidas en presencia de luz solar. Sin estos pigmentos las plantas no pueden efectuar la fotosíntesis y por tanto morirán una vez que sus reservas de energía en la semilla sean agotadas.

Otros componentes de la ruta de síntesis de los carotenoides que han mostrado ser sitios de acción efectivos de los herbicidas son las enzimas desaturasas. Las desaturasas son enzimas deshidrogenasas que remueven átomos de hidrógeno y electrones de las moléculas, formando enlaces dobles. En la ruta de síntesis de los carotenoides hay tres etapas sucesivas de desaturación entre los compuestos fitoeno y licopeno. La adición de los enlaces dobles es esencial para conferir a los carotenoides su habilidad para extinguir la energía de excitación de clorofilas tripletes y oxígeno simple. Herbicidas tales como el norflurazon (Zorial, Solicam) inhiben las enzimas desaturasas y obstruyen la síntesis de los carotenoides; las plantas tratadas con este herbicida se vuelven altamente sensibles a los daños fotodinámicos. Otros herbicidas también afectan el proceso de desaturación en la síntesis de carotenoides, aunque lo hacen de manera indirecta. Algunos ejemplos son herbicidas de las familias de los isoxazoles y triketones, que inhiben la enzima p-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa. Esta enzima se localiza en la ruta de síntesis de la plastoquinona, que es un cofactor para la actividad de la enzimas desaturasas.

Balance en maíz: Maíz tratado con Balance, un herbicida que inhibe la síntesis de carotenoides. Balance en malva: Malva mostrando los síntomas después de ser tratado con Balance.

Al inhibirse la enzima p-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa se inhibe también la síntesis de carotenoides. Las fotografías que se presentan ahora son de plantas de maíz y malva tratadas con el herbicida Balance (isoxaflutole), un herbicida de la familia de los isoxazoles, que inhibe la ruta de síntesis de los carotenoides. Observe nuevamente que al inhibirse la síntesis de carotenoides se provoca la destrucción de las clorofilas y del aparato fotosintítico.

El tercer sitio de acción de los herbicidas que inhiben la síntesis de carotenoides es la ciclización. El licopeno es un intermediario linear que es ciclizado (para formar anillos de 6 átomos) en ambos extremos para formar los carotenos, los cuales a su vez pueden ser hidroxilados para formar las xantofilas. Las xantofilas son importantes carotenoides que extinguen la energía de centros de reacción sobreexcitados cuando las hojas reciben altas intensidades luminosas. Un ejemplo de herbicidas con este modo de acción es el Amitrole, que evita la ciclización de compuestos intermedios en la síntesis de los carotenoides.

Inhibidores del Fotosistema II

Se estima que posiblemente la mitad de los herbicidas disponibles presentan un modo de acción que involucra de alguna manera su interacción con componentes de la cadena de transferencia de electrones del fotosistema II. Debemos recordar que la transferencia de electrones del fotosistema II al fotosistema I es esencial para la producción de energía fotosintética. Haga CLICK AQUI para una animación de revisión. Una etapa crítica en esta cadena de transferencia de electrones es la reducción de la plastoquinona (PQ) por la proteína D1 en la membrana del tilacoide. Estos herbicidas se enlazan a la proteína D1, con lo que se obstruye el enlace de la PQ. Al inhibirse el enlace de la PQ a la proteína D1, el proceso de transferencia fotosintética de electrones es interrumpido y por lo tanto la síntesis de ATP y NADPH en el cloroplasto es afectada. Esto da como resultado una incapacidad para la fijación de CO2, necesaria para la producción de los carbohidratos indispensables para la sobrevivencia de la planta. La interrupción en la transferencia de electrones causa además un estrés oxidativo por la generación de radicales libres que producen daños celulares rápidamente.

Mucho esfuerzo se ha invertido en el diseño de esta clase de herbicidas inhibidores. Ya que el modo de acción involucra la competencia por un sitio de enlace dentro de una membrana, la efectividad de un herbicida de esta clase será fuertemente afectada por pequeños cambios en su estructura molecular. Por lo tanto, ligeras modificaciones en la estructura de un herbicida puede causar una sensibilidad diferencial entre especies de plantas. Además, debido a que entre especies vegetales la proteína D1 puede presentar ligeras diferencias en su secuencia de aminoácidos, una efectividad diferencial puede observarse aún con una misma molécula herbicida. Asimismo, las plantas poseen también mecanismos de destoxificación que pueden afectar significativamente la respuesta de los cultivos a los herbicidas.

Atrazina: Efectos de Atrazina, un inhibidor del fotosistema II, en plántulas de malva.

Por ejemplo, el maíz es relativamente insensible a la atrazina debido a su eficiente sistema de destoxificación que involucra una reacción del herbicida con el glutatión (un tripéptido protector) y posterior transporte a la vacuola de la célula. En la Figura: Atrazina, se observa una planta de malva tratada con Atrazina. Observe que los síntomas de daño empiezan a aparecer en los márgenes de las hojas.




 

Substracción de Electrones del Fotosistema I

Los herbicidas como el paraquat y diquat interactúan con los componentes de la transferencia de electrones asociados con el fotosistema I (PSI). Bajo circunstancias normales, los electrones llevados a niveles de energía superiores por el P-700 (PSI) son transferidos a la ferredoxina, que a su vez los transfiere a NADP+, formando NADPH. Estos electrones de alta energía son la fuente de energía para los procesos biosintíticos celulares. Cuando los herbicidas paraquat o diquat están presentes, éstos interactúan con la ferredoxina, compitiendo con el NADP+ como aceptores de electrones. Cuando estos herbicidas ganan un electrón y se reducen, rápidamente transfieren el electrón ganado al oxígeno molecular, formando el anión superóxido que es altamente reactivo. Esto inicia una cascada de reacciones de radicales libres que causa daños celulares extensos. Al capturar los electrones, estos herbicidas desacoplan la energía de la fotosíntesis de la maquinaria biosintítica celular y la transforman en energía letal para la célula.

Resumen de los Herbicidas que Actúan A través de la Fotosíntesis

La mayoría de los herbicidas disponibles interactúan con las células vegetales de manera tal que causan daños al interferir con la utilización de la energía de la luz solar. Los herbicidas que inhiben la producción normal de protoporfirina IX (una molécula fotosensibilizadora) causan severos daños fotodinámicos. Los herbicidas que inhiben la síntesis de carotenoides eliminan la fotoprotección que estas moléculas proporcionan a las células vegetales, permitiendo los daños mediados por la fotosensibilización de las clorofilas. Los inhibidores de la transferencia de electrones del fotosistema II obstruyen el proceso de fotofosforilación y privan a las células de la energía normalmente producida por la fotosíntesis. Por último, los herbicidas que substraen electrones de alta energía del fotosistema I causan la formación del anión superóxido y otros radicales libres que son altamente dañinos. Aunque cada una de estas cuatro clases de herbicidas tiene un modo de acción distinto, todos interfieren con las habilidad de las plantas para manejar de manera segura la alta energía presente en la luz solar.

Referencias para los Herbicidas que Actúan A través de la Fotosíntesis

William A. Ahrens (ed.) 1994. Herbicide Handbook. Weed Science Society of America, Champaign, IL

Neil R. Baker and Michael P. Percival (eds.) 1991. Herbicides. Elsevier, Amsterdam.

Leonard G. Copping and H. Geoffrey Hewitt. 1998. Chemistry and Mode of Action of Crop Protection Agents. The Royal Society of Chemistry, Cambridge.

M.D. Devine, S.O. Duke and C. Fedtke. 1993. Physiology of Herbicide Action. PTR Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Yersey, 07632.

R.M. Roe, J.D. Burton and R.J. Kuhr (eds.) 1997. Herbicide Activity: Toxicology, Biochemistry, and Molecular Biology. I.O.S. Press, Inc., Amsterdam.