Envelliment en plantes perennes de gran longevitat: importància de l’estrès oxidatiu i la vitamina E

Abstract

Una de les teories sobre l'envelliment més acceptades en animals i humans és la teoria dels radicals lliures que descriu l'augment d'estrès oxidatiu a mesura que augmenta l'edat de l'organisme. Desafortunadament, hi ha pocs estudis que demostrin aquesta teoria en les plantes, i cap d'ells en plantes de gran longevitat. En aquesta tesi vam escollir dos models de plantes perennes de gran longevitat per tal d'investigar la importància de l'estrès oxidatiu, juntament amb els mecanismes de protecció com la vitamina E, en els processos d'envelliment de les plantes sota les condicions climàtiques naturals dels hàbitats on creixen. Per tal de dur a terme aquest objectiu es va analitzar l'efecte de l'edat (en un rang d'edats d'l a 280 anys) sobre el grau de peroxidació lipídica, els mecanismes de fotoprotecció i altres marcadors d'estrès oxidatiu en fulles i tubercles (l'òrgan perenne) utilitzant com a model l'herbàcia perenne no clonal més longeva registrada fins a l'actualitat, Borderea pyrenaica, en la que també es va investigar el possible efecte del sexe en els processos d'envelliment. L'altre espècie, Vellozia gigantea, es tracta d'una planta endèmica del Brasil que tot i no poder ésser datada, es considera que pot arribar a tenir més de 500 anys. En aquest cas es va avaluar l'efecte del tamany, intrínsec a l'edat, en els marcadors d'estrès oxidatiu i també es va estudiar la resposta ecofisiològica a les variacions estacionals (estació seca i plujosa). Els resultats dels diferents treballs realitzats mostren que l'edat o el tamany de la planta no té un efecte negatiu en els processos fisiològics mesurats en termes d'estrès oxidatiu, mostrant doncs que la teoria dels radicals lliures no és universal en plantes perennes. B. pyrenaica no presenta signes de deteriorament fisiològic amb l'edat, almenys fins a l'edat estudiada (280 anys). A més, les femelles centenàries de B. pyrenaica presenten una major capacitat de fotoprotecció que els mascles de la mateixa edat i les plantes juvenils, per això es proposa que aquesta espècie presenta senescència negativa. L'òrgan perenne subterrani de B. pyrenaica (els tubercles) sembla ser el secret de la seva extraordinària longevitat, considerant la seva peculiar estratègia de creixement juntament amb el seu eficient mecanisme de protecció antioxidant en vitamina E que augmenta amb l'edat (senescència negativa). En la planta arborescent V. gigantea no només les plantes de major tamany van mostrar una eficient homeòstasi hídrica i nutricional, almenys igual d'eficient que les de menor tamany; sinó que els nivells de vitamina E, important mecanisme de protecció contra l'estrès oxidatiu, van ser significativament més alts en les plantes de major tamany. L'absència de deteriorament fisiològic amb l'augment del tamany i, així doncs de l'edat, revela senescència negligible en V. gigantea. A més s’observa que tant els tocotrienols (per primera vegada detectats en fulles en plantes superiors) com els tocoferols (vitamina E) tenen un paper important de protecció contra l’estrès foto-oxidatiu. Durant les condicions de dèficit hídric de l’estació seca, V. gigantea desenvolupa un eficient mecanisme de protecció, basat en el tancament estomàtic per conservar l’aigua en la planta induït per l’àcid abscísic, que a més, indueix presumiblement la síntesi de vitamina E per protegir de l’estrès oxidatiu. En aquests estudis es conclou que les plantes perennes són organismes altament resistents a l’estrès i l’envelliment, tal com es mostra en els mecanismes de protecció que desenvolupen per a mantenir les seves funcions fisiològiques fins edats molt avançades, observant que ni l’edat ni el tamany de la planta és la causa principal del declivi funcional de l’organisme.

One of the most accepted theories of ageing in animals and humans is the free radical theory of ageing, which describes that oxidative stress increases with age. Unfortunately, there are very few studies that test this theory in plants, and none in long-lived perennial plants. In this thesis, we choose two models of long-lived perennial plants to investigate the processes of ageing and the importance of oxidative stress, along with the role of protection mechanisms such as vitamin E, in the ageing process in plants under natural climatic conditions. With this aim, we explored the effects of age (ranging from 1 to 280 years) in the extent of lipid peroxidation, photoprotection mechanisms and other oxidative stress markers in leaves and tubers (perennial organ) in the longest-lived perennial — not clonal — herb registered to date, Borderea pyrenaica. The other species used in the study, Vellozia gigantea, is an endemic plant of Brazil in which it is not possible estimate its age, but it is considered to live more than 500 years. In this species, we evaluated the effect of size on various oxidative stress markers and evaluated the ecophysiological response to seasonal variations in water availability (rainy and dry season) in plants grown in their natural habitat. Results show that neither age nor size have a negative effect on plant physiological processes related to oxidative stress, thus suggesting that the free radical theory of ageing is not universal in perennials plants. B. pyrenaica showed absence of physiological deterioration with aging as indicated by oxidative stress markers, at least until the studied age (280 years), showing that the oldest females display a greater photoprotection than males of the same age and juveniles (negative senescence). The perennial organ that grows underground in B. pyrenaica (tubers) seems to be the secret of its long life, considering its unique growth strategy together with its efficient antioxidant protection mechanism (vitamin E), whose levels increased with age. V. gigantea also shows absence of physiological deterioration with ageing (mature individuals of various sizes were examined), which was also associated with increasing vitamin E levels in the oldest individuals, suggesting therefore a case of negligible senescence. In this plant species, tocotrienols were found in leaves (this is the first documented study showing tocotrienols in leaves of higher plants), which might have an important role to protect against photo-oxidative stress, along with tocopherols. Water deficit conditions during the dry season led V. gigantea to activate an efficient protection mechanism based on abscisic acid-induced stomatal closure to prevent water loss and presumably increase vitamin E biosynthesis. In this thesis, it is concluded that perennials plants are highly resistant organisms to stress and ageing, as shown by their protective mechanisms to maintain adequate physiological functions until very advanced ages, so that neither age nor size cause any functional decline in the organism.