15.1: Elementos Esenciales

Objetivos de aprendizaje

• Enumerar los elementos esenciales requeridos por las plantas y resumir sus funciones.
• Describir cómo las plantas obtienen nutrientes, incluyendo el mecanismo de intercambio catiónico.
• Distinguir entre macronutrientes y micronutrientes.

Las plantas son organismos únicos que pueden absorber nutrientes y agua a través de su sistema radicular, así como el dióxido de carbono de la atmósfera. La calidad del suelo y el clima son los principales determinantes de la distribución y crecimiento de las plantas. La combinación de nutrientes del suelo, agua y dióxido de carbono, junto con la luz solar, permite que las plantas crezcan.

La composición química de las plantas refleja los elementos esenciales, que son necesarios para el crecimiento y reproducción de las plantas. Para que un elemento sea considerado esencial, se requieren tres criterios: 1) una planta no puede completar su ciclo de vida sin el elemento; 2) ningún otro elemento puede realizar la función del elemento; y 3) el elemento está directamente involucrado en la nutrición de la planta. Existe cierto desacuerdo sobre el número de elementos esenciales para las plantas con expertos enumerando tan pocos como 15 o tantos como 20. Aquí se discuten diecinueve elementos esenciales. Si bien identificar elementos esenciales puede parecer sencillo, las necesidades nutricionales de las plantas dependen en cierta medida de la especie y las condiciones ambientales. En consecuencia, algunos pueden argumentar que ciertos elementos, como el cobalto (Co), son esenciales, pero normalmente solo se considera un elemento beneficioso.

Composición Química de Plantas

La mayor parte del cuerpo de la planta consiste en carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Las plantas obtienen carbono del dióxido de carbono en la atmósfera e hidrógeno del agua absorbida por las raíces. Los átomos de oxígeno provienen del dióxido de carbono y el oxígeno gaseoso en la atmósfera, así como del agua. El agua comprende típicamente del 80 al 90 por ciento del peso total de la planta. Sin embargo, el carbono y el oxígeno constituyen aproximadamente 45% del tejido vegetal seco (biomasa) cada uno, y el hidrógeno constituye 6%. El 4% restante de la biomasa seca consiste en elementos que se obtienen del suelo. Estos nutrientes minerales se categorizan como macronutrientes y micronutrientes.

Los macronutrientes se requieren en cantidades relativamente grandes (más de 0.1% de biomasa seca). Los macronutrientes en orden de contribución a la biomasa seca son nitrógeno (N), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), fósforo (P), azufre (S) y silicio (Si). El nitrógeno, el potasio y el fósforo son componentes principales en el fertilizante (figura\(\PageIndex{1}\)). El silicio solo es absolutamente requerido por las colas de caballo, pero muchas otras especies de plantas contienen silicio y se benefician de su presencia. Algunas fuentes consideran los macronutrientes de carbono, oxígeno e hidrógeno. Sin embargo, este texto no lo hará porque se obtengan de la atmósfera y/o del agua en lugar de minerales en el suelo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Izquierda: El nitrógeno, potasio y fósforo son los principales nutrientes en la mayoría de los fertilizantes. Los fertilizantes presentan proporciones NPK, las cuales detallan el porcentaje de cada nutriente en el fertilizante. Derecha: El compost se forma a partir de vegetación descompuesta y suministra a las plantas elementos esenciales. Imágenes de Kammy Argel (CC-BY-NC).

Los micronutrientes se requieren en pequeñas cantidades (menos de 0.01% de biomasa seca). Los micronutrientes vegetales son cloro (Cl), hierro (Fe), boro (B), manganeso (Mn), sodio (Na), zinc (Zn), cobre (Cu), níquel (Ni) y molibdeno (Mo). El sodio es principalmente requerido por las plantas que utilizan ciertas vías fotosintéticas (C ₄ y CAM), pero al igual que el silicio, beneficia a muchas especies de plantas.

Absorción de nutrientes minerales

Las plantas absorben la mayoría de los nutrientes minerales del suelo como iones. Algunos de estos elementos esenciales son cationes, incluyendo potasio (K ⁺), calcio (Ca ^{2 +}), magnesio (Mg ^{2 +}), hierro (Fe ^{3 +} o Fe ^{2 +}), manganeso (Mn _{² +}), sodio (Na ⁺), zinc (Zn ^{2 +}), cobre (Cu ⁺ y Cu ^{2 +}) y níquel (Ni ^{2 +}). Otros nutrientes se encuentran en forma de aniones, incluyendo dihidrogenofosfato (H ₂ PO ₄ ^-) o hidrogenofosfato (HPO ₄ ^{2 -}), sulfato (SO ₄ ^2-), cloruro (Cl ^-), y molibdato (MoO ₄ ^2-). Las plantas obtienen nitrógeno del suelo como nitrato (NO ₃ ^-) o amonio (NH ₄ ⁺). El boro se absorbe como ácido bórico (H ₃ BO ₃) o su base conjugada, dihidrogenborato (H ₂ BO _{3 ^-}). El silicio está disponible como ácido silícico (H ₄ SiO ₄).

Los cationes en el suelo están unidos a partículas de arcilla cargadas negativamente o a los ácidos orgánicos que forman el humus (ver Suelos), y esto dificulta que las plantas los absorban. Las plantas tienen un mecanismo llamado intercambio catiónico, que libera cationes y los libera para su absorción (figura\(\PageIndex{2}\)). Esto ocurre cuando las raíces bombean protones (H ⁺) al suelo. Los protones se unen a la arcilla y al humus, tomando el lugar de los nutrientes catiónicos, como K ⁺, Ca ²⁺ y Mg ^{2 +}. Estos nutrientes se disuelven entonces libremente en el agua del suelo y pueden entrar en las raíces. Las raíces también pueden aumentar la concentración de protones (disminuir el pH) del suelo indirectamente al liberar dióxido de carbono, que reacciona con el agua para formar ácido carbónico. Los protones liberados cuando las moléculas de ácido carbónico se desasocian pueden entonces contribuir al intercambio catiónico.

Figura\(\PageIndex{2}\): El proceso de intercambio catiónico ocurre cuando se liberan protones (H ⁺) de las raíces. Los protones se unen a arcilla o humus cargados negativamente, liberando otros cationes, incluyendo calcio (Ca ^{2 +}), potasio (K ⁺) y magnesio (Mg ^{2 +}). La raíz puede entonces absorber los nutrientes catiónicos que se liberaron. Imagen de Jen Valenzuela (CC-BY-NC).

Para absorber el hierro, las plantas deben liberar protones creando condiciones ácidas, que promuevan la conversión (oxidación) de Fe ^{3 +} a Fe ^{2 +}, o producir compuestos especiales llamados sideróforos. Estos se unen a Fe ^{3 +} formando un complejo, que luego puede ser transportado a la raíz.

Debido a que los aniones no son atraídos por la arcilla y el humus en el suelo, es más fácil para ellos lixiviarse del suelo cuando se riega o cuando llueve. Por esta razón, aniones como nitratos y fosfatos son causas comunes de eutrofización (ver Amenazas a la Biodiversidad).

Las micorrizas, los hongos simbióticos que crecen alrededor o dentro de las células de la raíz, ayudan a las plantas a absorber una variedad de nutrientes minerales, particularmente fósforo.

Funciones de los Elementos Esenciales

Cada elemento esencial tiene múltiples roles. Por ejemplo, el calcio actúa como un segundo mensajero, transmitiendo señales dentro de una célula, y como cofactor, ayudando a la función enzimática. Si bien a continuación se describen múltiples funciones para la mayoría de los elementos esenciales, se organizan en función de una de sus funciones primarias.

Elementos en Macromoléculas Biológicas

El dióxido de carbono es un reactivo en la fotosíntesis, y se requiere carbono para formar macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Por ejemplo, la celulosa carbohidrato es el principal componente estructural de la pared celular de la planta y constituye más del treinta por ciento de la materia vegetal (figura\(\PageIndex{3}\)). Además de las macromoléculas biológicas, las plantas contienen muchas otras moléculas orgánicas, como la clorofila y la plastoquinona, y todas ellas contienen carbono. De hecho, las moléculas orgánicas se definen como aquellas que contienen carbono e hidrógeno, típicamente tienen enlaces carbono-carbono, y a menudo son más grandes y más complejas que las moléculas inorgánicas.

Figura\(\PageIndex{3}\): La celulosa es un polisacárido que se encuentra en las paredes celulares vegetales. Es el compuesto orgánico más abundante de la tierra. Las plantas son capaces de hacer su propia celulosa, y finalmente obtienen dióxido de carbono de la atmósfera para hacerlo.

El hidrógeno y el oxígeno son componentes del agua y de todas las macromoléculas biológicas. El hidrógeno se encuentra en todos los compuestos orgánicos, y el oxígeno se encuentra en muchos, también. El oxígeno gaseoso también es un reactivo en la respiración celular aeróbica.

El nitrógeno es parte de proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. El nitrógeno también se utiliza en la síntesis de algunas vitaminas, como la vitamina B6, que sirve como coenzima en la síntesis de proteínas.

El fósforo es necesario para sintetizar ácidos nucleicos y fosfolípidos, que forman la membrana plasmática, cloroplastos y muchas otras estructuras celulares vegetales. El trifosfato de adenosina (ATP), la forma primaria de energía lista para usar en la célula, contiene tres grupos fosfato, cada uno con un fosfato en el centro (figura\(\PageIndex{4}\)). Plantas que generan ATP mediante la unión de un grupo fosfato con adenosina difosfato (ADP) a través de la fosforilación oxidativa durante la respiración celular y durante la fotofosforilación en la fotosíntesis.

Figura\(\PageIndex{4}\): Estructura química del trifosfato de adenosina (ATP). Imagen de NeuroTiker (dominio público).

El azufre es parte de ciertos aminoácidos, como la cisteína y la metionina, y está presente en varias coenzimas. Por ejemplo, conecta la coenzima A a grupos acetilo, formando acetil CoA, la molécula de partida para el ciclo de Krebs (ciclo del ácido tricarboxílico) de la respiración celular. El azufre también juega un papel en la fotosíntesis como componente de las proteínas de hierro y azufre que transfieren electrones del fotosistema I al NADP ⁺.

Elementos que mantienen el equilibrio iónico

El potasio y el cloro desempeñan un papel en la regulación de la apertura y cierre estomático. Como las aberturas para el intercambio de gases, los estomas ayudan a mantener un equilibrio hídrico saludable. Este proceso es apoyado por una bomba de iones de potasio así como el movimiento de cloruro a través de canales simport y aniónicos. El potasio también es un cofactor para muchas enzimas, incluidas las involucradas en la fotosíntesis. El cloro, junto con el calcio, es esencial para la fotólisis del agua, que genera oxígeno durante la fotosíntesis. El calcio también transmite señales dentro de la célula (incluso como segundo mensajero durante el cierre estomático), actúa como cofactor para muchas enzimas y contribuye a la estructura de la pared celular en las laminillas medias entre las células adyacentes.

Elementos involucrados en la función enzimática

El magnesio, el zinc, el níquel, el cobre y el manganeso funcionan como cofactores. Específicamente, el manganeso ayuda con la fotólisis del agua. El zinc ayuda a la síntesis de clorofila. El níquel está involucrado descomponiendo la urea. El cobre puede servir como cofactor o componente de la propia enzima. Por ejemplo, el cobre en la plastocianina le permite transportar electrones durante la fotofosforilación. Además de ayudar con la función enzimática, el magnesio es además importante para el proceso fotosintético porque forma parte de la clorofila (figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Estructura química de la clorofila a. Imagen de Yikrazuul (dominio público).

Como el cobre, el hierro facilita el transporte de electrones en las enzimas. Se encuentra en los citocromos involucrados en la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación. El hierro también juega un papel en la síntesis de clorofila. El molibdeno es un componente de algunas enzimas en las plantas, incluida una que ayuda a las plantas a usar nitrato.

El sodio ayuda a algunas plantas a sintetizar fosfoenolpiruvato (PEP). Se agrega dióxido de carbono a PEP para formar oxaloacetato durante la fotosíntesis de C ₄ y CAM.

Elementos en Paredes Celulares

Por supuesto, los polisacáridos como la celulosa, que contienen carbono, hidrógeno y nitrógeno, son los principales componentes de las paredes celulares de las plantas. Sin embargo, otros elementos juegan papeles más menores. Ya se mencionó el calcio en la laminilla media. Adicionalmente, el silicio juega un papel en la estructura de la pared celular en colas de caballo. El boro está involucrado en la estructura y elongación de la pared celular.

Deficiencias de nutrientes

Las deficiencias en cualquiera de estos nutrientes, particularmente los macronutrientes, pueden afectar negativamente el crecimiento de las plantas (Figura\(\PageIndex{6}\)). Dependiendo del nutriente específico, una falta puede causar retraso en el crecimiento, crecimiento lento o clorosis (coloración amarillenta de las hojas). Deficiencias extremas pueden resultar en hojas que muestran signos de necrosis (muerte de los tejidos). La ubicación de los síntomas, como en hojas viejas versus hojas jóvenes, también puede ser reveladora. Algunos nutrientes como el hierro son inmóviles, por lo que una deficiencia de hierro provocaría clorosis en las hojas jóvenes. Por otro lado, el magnesio puede transportarse de hojas viejas a hojas en desarrollo. En consecuencia, una deficiencia de magnesio se manifestaría como clorsis en las hojas viejas.

Figura\(\PageIndex{6}\): La deficiencia de nutrientes es evidente en los síntomas que muestran estas plantas. Este (a) tomate uva sufre de pudrición final de flor causada por deficiencia de calcio. Los frutos se han vuelto de color marrón oscuro en el fondo. El amarilleo en este (b) Frangula alnus es el resultado de la deficiencia de magnesio. El magnesio inadecuado también conduce a (c) clorosis intervencional, que se observa aquí en una hoja de chicle. Esta (d) palma se ve afectada por deficiencia de potasio. (crédito c: modificación de obra de Jim Conrad; crédito d: modificación de obra de Malcolm Manners)

Conexión diaria: Hidroponía

La hidroponía es un método de cultivo de plantas en una solución acuosa-nutritiva en lugar de suelo (Figura\(\PageIndex{7}\)). Desde su advenimiento, la hidroponía se ha convertido en un proceso de crecimiento que los investigadores suelen utilizar. Los científicos que estén interesados en estudiar las deficiencias de nutrientes de las plantas pueden utilizar la hidroponía para estudiar los efectos de diferentes combinaciones de nutrientes bajo condiciones estrictamente controladas. La hidroponía también se ha desarrollado como una forma de cultivar flores, hortalizas y otros cultivos en ambientes de invernadero. Es posible que encuentre productos cultivados hidropónicamente en su tienda de comestibles local. Hoy en día, muchas lechugas y tomates en su mercado se han cultivado hidropónicamente.

Figura\(\PageIndex{7}\): Estas plantas se cultivan en interior y sin suelo mediante hidroponía e iluminación artificial. Imagen de Satoshi KINOKUNI (CC-BY).

Atribución

Curada y autoría de Melissa Ha utilizando 31.1 Requerimientos Nutricionales de Plantas de Biología 2e por OpenStax (CC-BY). Accede gratis en openstax.org.