Fisiología vegetal

Fisiología vegetal

La fisiología vegetal es una subdisciplina de la botánica dedicada al estudio del funcionamiento de los órganos y tejidos vegetales de las plantas.

El campo de trabajo de esta disciplina está estrechamente relacionado con la anatomía de las plantas, la ecología (interacciones con el medio ambiente), la fitoquímica (bioquímica de las plantas), la biología celular y la biología molecular.

Los fisiólogos botánicos estudian los procesos fundamentales tales como la fotosíntesis, la respiración, la nutrición vegetal, las funciones de las hormonas vegetales, los tropismos, los movimientos násticos, el fotoperiodismo, la fotomorfogénesis, los ritmos circadianos, la fisiología del estrés medioambiental, la germinación de las semillas, la dormancia la función de los estomas y la transpiración, estos dos últimos parte de la relación de las plantas con el agua.

Historia

Sir Francis Bacon publicó uno de los primeros experimentos sobre fisiología vegetal en 1627, en el libro Sylva Sylvarum. Bacon cultivó varias especies terrestres, incluido un rosal en agua y llegó a la conclusión de que solo se necesitaba el sustrato para mantener las plantas erguidas. Jan Baptist van Helmont publicó lo que se considera el primer experimento cuantitativo en esta materia en 1648. Durante cinco años, cultivó un sauce en una maceta que contenía 90,718 kg de sustrato desecado en un horno. Este sustrato perdió solamente 900 gramos de su peso y van Helmont dedujo que las plantas obtienen todo su peso del agua, no del suelo.

En 1699, John Woodward publicó experimentos sobre el crecimiento de la menta verde en diferentes tipos de aguas y averiguó que crecía mucho mejor en agua con sustrato añadido en lugar de en agua destilada.

A Stephen Hales se le considera el padre de la fisiología vegetal debido a los muchos experimentos realizados y recogidos en el libro 1727;5 si bien Julius von Sachs unificó las diferentes partes de la fisiología vegetal reuniéndolas como disciplina. Su Lehrbuch der Botanik fue como la biblia de esta materia en sus tiempos.6

Durante la década de 1800, los investigadores descubrieron que las plantas absorben los nutrientes minerales esenciales como iones inorgánicos del agua. En condiciones naturales, el suelo actúa como almacén de nutrientes minerales, pero este suelo, en sí mismo, no es esencial para su crecimiento. Cuando los minerales del sustrato se disuelven en el agua las raíces de la planta los absorben rápidamente, el suelo ya no es necesario para que esta prospere. Esta observación es la base de la hidroponía, el crecimiento en una solución líquida en lugar de sustrato, lo que se ha convertido en una técnica estándar de investigación biológica, ejercicios educativos en laboratorios o producción de cultivos como pasatiempo.

Aplicaciones económicas

Producción alimenticia

En horticultura y agricultura junto con la ciencia alimentaria, la fisiología vegetal es un tema importante relacionado con las frutas, verduras y otras partes consumibles de la planta. Los temas estudiados incluyen: requisitos climáticos, maduración del fruto, caída, nutrición. La producción de cosechas alimentarias también vincula el estudio de la fisiología con temas que cubren los tiempos de plantación y recolección óptimos y el almacenado de los productos para el consumo humano, además de la producción de sustancias secundarias para la farmacología y la cosmética.

Campo de estudio

El campo de la fisiología vegetal incluye el estudio de todas las actividades internas de las plantas - procesos químicos y físicos asociados a la vida. Esto implica el estudio a muchos niveles en escala de tamaño y tiempo. En la escala más pequeña se encuentran las interacciones moleculares de la fotosíntesis y la difusión interna del agua, minerales y nutrientes. A gran escala se encuentran el desarrollo, estacionalidad, dormancia y control reproductivo. El ámbito de la fisiología vegetal como disciplina se puede dividir en varias áreas de investigación principales.

Primero, la fitoquímica, que estudia la gran diversidad de compuestos químicos que producen para funcionar y sobrevivir (elementos que no se encuentran en otros organismos). Ya que no se pueden mover, deben defenderse químicamente de herbívoros, patógenos y de la competencia contra otras plantas, para ello producen toxinas y compuestos que producen mal olor o sabor. Otros productos las defienden contra las enfermedades, las permiten vivir durante las sequías y las preparan para la hibernación. Y aún otros los utilizan para atraer polinizadores o herbívoros que esparzan las semillas maduras.

La fotosíntesis requiere una amplia serie de pigmentos, enzimas y otros compuestos para funcionar.

Segundo, el estudio de los procesos biológicos y químicos de las células. Las células vegetales tienen ciertas características que las distinguen de las animales, las cuales dan origen a las principales diferencias de comportamiento y respuesta en relación a la vida animal. Por ejemplo, las células vegetales poseen una pared celular que restringe su forma y, por tanto, limita su flexibilidad y movilidad. También contienen clorofila, compuesto que interactúa con la luz de forma que les permite fabricar su propio alimento, en lugar de consumir otros seres vivos.

Tercero, estudia las interacciones entre sus células, tejidos y órganos. Las diferentes células y tejidos están física y químicamente especializados para llevar a cabo funciones específicas.

Cuarto, estudia la forma en que las plantas controlan o regulan sus funciones internas, como las fitohormonas producidas en una parte de la planta para alertar a las células de otra parte que deben producir una respuesta. Compuestos sensibles a la luz que responden a la duración de la noche para que la planta florezca en la estación del año apropiada, un fenómeno conocido como fotoperiodismo. La maduración de los frutos y la pérdida de hojas en invierno, funciones en parte controladas por el gas etileno que produce la propia planta.

Finalmente, la fisiología vegetal estudia el modo en que las plantas responden a las condiciones y cambios en el medioambiente, campo conocido como ecofisiología.

El estrés por pérdida hídrica, los cambios en la química del aire o el hacinamiento con otras plantas pueden producir modificaciones en su funcionamiento. Estas modificaciones pueden estar afectadas por factores genéticos, químicos y físicos.

Bioquímica vegetal

Los elementos simples de los cuales están principalmente constituidos las plantas - carbono, oxígeno, hidrógeno, calcio, fósforo, etc. - no difieren de los de los animales, hongos o incluso bacterias. Los compuestos atómicos fundamentales en las plantas son iguales al resto de formas de vida; difieren únicamente los detalles en la forma en que se agrupan.

A pesar de esta semejanza subyacente, las plantas producen una amplia variedad de productos químicos con propiedades poco corrientes que utilizan para afrontar su medioambiente. Las plantas usan los pigmentos para absorber o detectar la luz, mientras que los seres humanos los extraemos para utilizarlos como tintes. Otros productos se usan para fabricar caucho o biofuel, pero quizás los más conocidos sean los de uso farmacológico, como el ácido salicílico (aspirina), morfina o digitalis. La industria farmacéutica gasta billones cada año en la investigación de compuestos vegetales para potenciales beneficios médicos.

Nutrición vegetal

Las plantas necesitan nutrientes para sobrevivir, algunos en grandes cantidades, como el carbono y el nitrógeno (macronutrientes). Otros (los micronutrientes), los necesitan en cantidades mínimas para mantenerse sanas y normalmente los absorben como iones disueltos en el agua desde el sustrato, aunque las plantas carnívoras los obtienen de sus presas.

La siguiente tabla muestra los nutrientes esenciales de uso generalizado entre las plantas.

Macronutrientes. (Necesarios en grandes cantidades)

Elemento Forma de absorción Función

Nitrógeno

NO3–, NH4+ Ácidos nucléicos, proteínas, hormonas, etc.

Oxígeno

O2 H2O Celulosa, almidón, otros compuestos orgánicos

Carbono

CO2 Celulosa, almidón, otros compuestos orgánicos

Hidrógeno

H2O Celulosa, almidón, otros compuestos orgánicos

Potasio

K+ Cofactor en la síntesis de las proteínas, equilibrio hídrico, etc.

Calcio

Ca2+ Síntesis y estabilización de la membrana

Magnesio

Mg2+ Elemento esencial para la clorofila

Fósforo

H2PO4– Ácidos nucléicos, fosfolípidos, ATP

Sulfuro

SO42– Componente de proteínas y coenzimas

Micronutrientes. (Necesarios en pequeñas cantidades)

Elemento Forma de absorción Notas

Cloro

Cl- Fotosistema II y función de los estomas

Hierro

Fe2+, Fe3+ Formación de la clorofila

Boro

HBO3 Enlace covalente de la pectina

Manganeso

Mn2+ Actividad de algunas enzimas

Zinc

Zn2+ Participa en la síntesis de enzimas y clorofila

Cobre

Cu+ Enzimas para la síntesis de la lignina

Molibdeno

MoO42- Fijación del nitrógeno, reducción de nitratos

Níquel

Ni2+ Cofactor enzimático en el metabolismo de los compuestos del nitrógeno

Pigmentos

Los pigmentos forman parte de las moléculas más importantes para el funcionamiento de la planta. Constituyen una gran variedad de tipos

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