Estrés fisiológico microclonal de Vallisneria americana por la variación ambiental C/N/P

Abstract

La cantidad de Nitrógeno (N) y Fósforo (P) en los ecosistemas acuáticos ha incrementado por la eutrofización acelerada. En particular, el N es el protagonista de muchas hipótesis que explican la declinación de poblaciones de vegetación sumergida (VS) en los ecosistemas eutrofizados (Ghaly y Ramakrishnan, 2015). Entre las hipótesis ecológicas que sustentan el fenómeno de estrés de la VS por eutrofización destaca la acidificación del agua, el enriquecimiento de nutrientes y/o de N, la toxicidad de NH4 y en menor medida de NO3, el desbalance de la relación N/P y entre otras se menciona el enriquecimiento de P (Lambert y Davy, 2011; Bautista-Regil et al., 2016), así como el estrés oxidativo que genera especies reactivas de oxígeno (ROS) y de N (RNS) (Zhang et al., 2010; Steffens et al., 2013). Pero las hipótesis requieren comprobación científica frente a los efectos actuales y futuros del cambio climático, puesto que puede potencializar los efectos de la eutrofización sobre la VS representativa de los ecosistemas tropicales costeros. El cambio climático, señalado como uno de los principales factores responsables de la pérdida actual de biodiversidad (Harley, 2011; Alaa y Zaki, 2010) presenta en los ecosistemas acuáticos eventos climáticos extremos que tienden a incrementar en intensidad y frecuencia, lo cual dificulta la planificación para enfrentarlos (IPPC, 2014). Por el cambio climático se ha elevado la concentración global promedio de CO2 que supera los 360 ppm, que sin reducción de emisiones de CO2, puede alcanzar 450 ppm en el 2040 y exceder 700 ppm en el 2100, lo que conduce a un mayor incremento de su concentración en aguas superficiales (Houghton et al., 1996) y amenaza los procesos biogeoquímicos resilientes del ambiente acuático (Hasler et al., 2016) En la actualidad, los ciclos biogeoquímicos de N y C son los más alterados globalmente (Suddick et al., 2013; Duckworth et al., 2016; Tanner et al., 2016). En el medio acuático las formas iónicas de N más abundantes se encuentran entre la gama de valencias de -3 (NH4) a +5 (NO3) (Van de Wal, 2007; Andrews et al., 2013) o forman RNS en el sistema biológico (Henssen, 2013). Los iones de NH4 y NO3 son los nutrientes usados por la VS en diferentes preferencias y proporciones, de tal forma que el incremento de N las afecta de varias maneras (Köln et al., 2007). El impacto del N sobre organismos depende de factores como el tiempo de exposición, la cantidad, la sensibilidad de la especie, la forma nitrogenada y además de la biodisponibilidad de otros elementos como el P y C. El ciclo biogeoquímico de C impacta en la ecología de sistemas (Matveev y Robson, 2014). Así, el incremento en la disponibilidad de C por el cambio climático tiene implicaciones puntuales en la salud del ecosistema y las actividades humanas. La presión selectiva por la mayor disponibilidad de CO2 en ambientes acuáticos ha desarrollado el mecanismo de absorción de HCO3 en muchas especies de VS. Este mecanismo se ha catalogado como un factor determinante en el crecimiento, competitividad y composición de las comunidades. El impacto de la mayoría de las variables del cambio climático es más similar dentro de las comunidades de plantas sumergidas, marinas o de agua dulces, que entre sumergidas vs comunidades de plantas emergentes. Sin embargo, son las sumergidas las que han recibido los impactos de N sobre la transparencia del agua y de un modo bastante diferenciado entre especies y ecotipos. A causa del cambio climático, el debate respecto a las variaciones e intensidad de las fuentes de Nox (NO3) y Nred (NH4) en la respuesta de estrés se ha centrado en explicar la influencia de la sinergia C/N/P sobre la variabilidad adaptativa entre especies y ecotipos, hasta ahora desconocidas (Xing et al., 2015; Malyshev et al., 2016). Debido a la alta variación intraespecífica vs interespecífica de las plantas se ha enfatizado la importancia de incluir ambas variabilidades en las hipótesis ecológicas (Luo et al., 2010), así como en las aplicaciones prácticas que atañen a la biodiversidad y a la conservación y recuperación de vegetación funcional en los ecosistemas acuáticos impactados. Vallisneria americana Michx. (Hydrocharitaceae) es una especie herbácea perenne, integrante de la VS típica de la zona costera del Continente Americano (Novelo, 2006). Sus poblaciones colonizan comúnmente sedimentos suaves de aguas poco profundas de energía baja a moderada (Copertino et al., 2016). La especie es una monocotiledónea enraizada, de hábitat preferencial limnético y con tolerancia al estuarino (Lowden, 1982; Novelo, 2006). Esta angiosperma acuática es una representante del metabolismo fotosintético CAM; sin embargo presenta los mecanismos de asimilación de CO2 y HCO3 en función del pH ambiental (Nishihara y Ackerman, 2007). Por ejemplo, en agua dulce de alcalinidad baja, la VS tiene mayor acceso al CO2 disuelto. Las plantas acuáticas CAM habitan en cuerpos de agua someros moderadamente fértiles, sitios donde la fotosíntesis potencialmente está limitada por el C (Keeley, 1998). Ellas experimentan fluctuaciones extremas por la disponibilidad de C y toman ventaja de los niveles elevados de CO2 nocturnos en estos hábitats. La VS constituye un hábitat de compleja interacción con los componentes físicos, químicos y biológicos del ecosistema (Gao et al., 2016), por ejemplo, destaca su función como barrera de dosel que mitiga el impacto de las olas, protege de la erosión la costa y los fondos de poca profundidad, deposita materia suspendida entre el follaje al reducir la velocidad de la corriente y aumenta la transparencia del agua. Atrapa y estabiliza a los sedimentos mediante el rizoma, contribuyendo en la acumulación de materia orgánica y el secuestro de C (Copertino et al., 2016); de hecho, su presencia aumenta la probabilidad de convertir los cuerpos de agua en sumideros de C (Jeppesen et al., 2016). La VS controla parte de la oxigenación, el contenido de nutrientes y la mitigación de contaminantes exógenos como insecticidas (Brogan y Relyea, 2017). Por la arquitectura foliar y la red clonal que forma sobre el sedimento, sus poblaciones funcionan como hábitat que proporciona sombra, refugio y alimento a la fauna plantónica y béntica, representada por invertebrados y peces (Catling et al., 1994; Aguilar, 2005; Lindig y Zambrano, 2007; Madsen, 2014). Por lo tanto, sostiene la cadena alimenticia de muchos organismos de importancia comercial, aves acuáticas y especies en peligro de extinción (Sánchez et al., 2012; Copertino et al., 2016). Por sus aportaciones ecológicas en la estructura y funcionamiento del ecosistema acuático la VS es reconocida como un ingeniero ecológico natural. En V. americana, el mecanismo de propagación vegetativa o clonal es más común que el sexual (Glover et al., 2015). Las plantas clonales en ambientes heterogéneos, pueden compartir nutrientes y carbohidratos (Salman, 1985; Xiao et al., 2011; Wolfer et al., 2012; Dong et al., 2014); incluso se ha documentado que transportan formas específicas de N a través de rametes interconectados (Dong et al., 2014); este rasgo fisiológico favorece su colonización o escape de ambientes con exceso o deficiencia de nutrientes (Xiao et al., 2011). No obstante, el beneficio de la integración clonal puede ser diferentes entre especies acuáticas (Pennings y Callaway, 2000). En consecuencia, el declive de la salud ambiental y de la superficie de colonización o la pérdida de las poblaciones por el incremento de N y C pueden alterar las funciones ecológicas que estas ejercen en los ecosistemas acuáticos (Touchette y Burkholder, 2007, Touchette y Steudler, 2009). Las altas concentraciones de N consiguen beneficiar a muchas plantas porque lo absorben directamente del ambiente (Rabalais, 2002; Ghaly y Ramakrishnan, 2015); sin embargo varias especies de la VS han reportado toxicidad o inhibición fisiológica por la nutrición de diferentes formas de N (Sarasketa et al., 2016). En especies marinas, estuarinas y limnéticas como Posidonia oceanica, Potamogeton densus, Ruppia drepanensis, V. natans, y Zostera marina, el efecto tóxico o fisiológico puntual de NH4 y el NO3 es reconocido (Touchette y Burkholder 2007; Cao et al., 2007). Sin embargo, V. spinulosa superó el efecto tóxico de N en concentraciones de 2.5 a 10 mg L-1 frente a cargas de P moderadamente altas (Li et al., 2008). En cambio, el incremento en las relaciones de NH4 y NO3 fueron tóxicas o disminuyeron los parámetros morfológicos y fisiológicos de V. natans (Dou et al., 2013). A escala in vitro, las plantas de V. americana presentaron estrés letal con el incremento de N-NO3 total incluso en niveles bajos de relación N/P (Bautista-Regil et al., 2016) y clonaron en concentración de nutrientes de un ambiente limnético con la relación 16:1 (Bautista-Regil, 2014). Las investigaciones de estrés en aproximación reduccionista ofrecen ventajas ecológicas, incluso respecto a los estudios en microcosmos (Ruiz-Carrera y Sánchez, 2008). El diagnóstico de estrés in vitro es una herramienta que contribuye a reducir la incertidumbre en la toma de decisiones para el manejo de los ecosistemas acuáticos frente al cambio global actual y venidero. El incremento de la eutrofización y del CO2, también propicia el desequilibrio ecológico nutrimental entre múltiples elementos químicos (Sterner y Elser, 2002). La combinación de los efectos acumulados de la eutrofización antropogénica sobre los procesos biogeoquímicos producidos en aguas limnéticas modifican la estequiometría ecológica (C/N/P). Este desequilibrio consigue alterar la estructura y sustentabilidad de un ecosistema en el sistema biológico y el estatus nutricional con repercusiones en la sobrevivencia y el proceso de clonación de las VS. No obstante, los patrones globales de la estequiometría N/P en ambientes limnéticos y la relación entre macrófitas y eutrofización antropogénica son en gran parte desconocidos (Yan et al., 2016). De hecho, para reflexionar sobre los ciclos biogeoquímicos en la era del cambio global son las lagunas costeras de agua dulce las que constituyen el ejemplo ideal, debido a que la gama de las condiciones redox que existe en lagos permite la observación de numerosos procesos químicos y bioquímicos que ocurren en los sistemas marinos y terrestres. En particular, el mecanismo fisiológico de resistencia adaptativa por NO3 y NH4 en estequiometría C/N/P requiere más evidencias en especies sumergidas (Wang et al., 2008, 2012; Xing et al., 2015), ya que el incremento en las concentraciones de estas fuentes iónicas de N y del C en el ecosistema han registrado estrés en el metabolismo y crecimiento de muchas especies (Duan et al., 2007; Short et al., 2016), pese a que en las etapas de crecimiento y desarrollo las plantas son más dependientes a la interacción C:N a través de la fotosíntesis (Raven et al., 2011; Sardans et al., 2012). El suministro de N en exceso controla la capacidad de fijar C (Foyer et al., 2001) y en consecuencia afecta la provisión de fuerza reductora y ATP (Adenosín trifosfato) para culminar el proceso de asimilación de N reflejado en su crecimiento clonal. Desde la perspectiva del patrón de asimilación de N, la clonación de Vallisneria y prácticamente de la mayoría de las especies sumergidas con rametes interconectados (crecimiento modular) se ha investigado poco (Li y Wang, 2011) y aún menos su efecto interactivo con el incremento de C acuático. Además, como el proceso de reproducción asexual domina diversos hábitats, ha aumentado el interés por profundizar en la comprensión metabólica y ecológica de la integración clonal (Roiloa et al., 2014, Dong et al., 2014; Liu et al., 2016). Adicionalmente, con fines prácticos se ha sugerido abordar en las interpretaciones de estrés vegetal las comparaciones estequiométricas de C/N/P, la construcción de redes metabólicas y el estudio de estas redes en el crecimiento y desarrollo (Elser et al., 2010; Cease y Elser, 2013). El crecimiento clonal de la VS depende del ciclaje de C, N y P del ecosistema por sus implicaciones directas en la fotosíntesis, síntesis de aminoácidos y la acumulación de almidón y viceversa. Por lo tanto, un desbalance estequiométrico ambiental puede provocar transformaciones aceleradas de nutrientes o incluso alterar los procesos de ciclado en el ecosistema, provocando desconexiones y restructuración entre las interacciones tróficas (Woodward et al., 2010; Glibert, 2012), las distribución taxonómica de diferentes especies (Sardans et al., 2012) e incluso la pérdida de las poblaciones existentes. De otro modo, la asimilación de C altera la condición redox celular, lo que influye en el ciclo de nutrientes, de tal forma que los elementos pueden tener efectos indirectos sobre el reciclamiento de C o pueden ser nocivos para las macrófitas sumergidas al estar ligados metabólicamente; y aunque sus ciclos tienen estrecha relación las modificaciones que provoca el incremento de N no han sido aún resueltas (Touchette y Burkholder, 2007; Touchette y Steudler, 2009) Actualmente alguno estudios proponen considerar la estequiometría ecológica como un parámetro importante en las predicciones ante las consecuencias ecológicas del cambio global (Woodward et al., 2010). Por ello, algunas investigaciones han centrado el interés en el papel de la estequiometría ecológica en las tasas de crecimiento (Allen y Gillooly, 2009; Sardans et al., 2012). Para la diversidad de la comunidad planctónica se ha asumido un promedio específico de 106:16:1 C/N/P de acuerdo a la relación Redfield. Aunque en diversos estudios a nivel de muestreo y experimental se encontraron fuertes diferencias en la composición molar C/N/P de los organismos, estas diferencias se han observado a nivel de las funciones, morfologías e incluso en el tipo de reproducción de las plantas; y a escala global al tipo de roca y el nivel de impacto antropogénico (Romero et al., 2006; Elser et al., 2009; Sardans et al., 2012). Esta investigación enfatiza la importancia de estudiar a V. americana, por ser la angiosperma sumergida más vulnerada en los ecosistemas acuáticos de Centro y Norte América a causa del enriquecimiento de N (Morris et al., 2003; Lauer et al., 2011; Sánchez et al., 2012), así como ha sido V. natans en Asia (Chen et al., 2013; Gu et al., 2016). Además, porque las variables externas, eutrofización e incremento CO2 acuático, muestran pronósticos de incremento en su intensidad durante las próximas décadas (MEA, 2005; Dokulil y Teubner, 2010; Raven et al., 2011; Alexandre et al., 2012) se requiere hallar un modelo matemático que explique el comportamiento de las mismas en el proceso de propagación clonal. De acuerdo con lo anterior, resulta imperativo diferenciar el estrés causado por el incremento en la concentración de NH4 y NO3 y distinguir el beneficio o perjuicio del efecto combinado del C inorgánico disuelto en el proceso de propagación clonal de V. americana (Ruiz-Carrera, 2009). Una estrategia multiparamétrica de biomonitoreo de los ecosistemas afectados por el enriquecimiento de N y/o C ambiental requiere de marcadores de estrés clonal integrados a las variaciones estequiométricas C/N/P y las fisicoquímicas del medio; estos estudios en V. americana resultan impostergables, por ser una especie emblemática en los humedales (Elser et al., 2010; Cease y Elser, 2013).