Todas las plantas poseen mecanismos de tolerancia para evitar la toxicidad de los metales que contiene el suelo. A nivel celular, los mecanismos que utilizan son los siguientes: reducción de la adquisición del metal por acción de micorrizas o de exudados extracelulares, estimulación de la salida del metal a través de la membrana plasmática, formación de complejos con ácidos orgánicos, metalotioneínas, fitoquelatinas, compartimentalización en la vacuola, etc. (Hall, 2002).
Los ácidos orgánicos como el citrato, el malato y el oxalato son excretados por las plantas para defenderse de la toxicidad provocada por los metales. En el caso del Cu, se ha descrito su papel como inductor de la exudación de ácidos orgánicos por la raíz (Yang y col., 2001), principalmente de citrato (Murphy y col., 1999). Además, se ha demostrado que la aplicación exógena de malonato, malato (Parker y col., 2001) y succinato (Doncheva y col., 2006) aumenta la resistencia de la planta a la toxicidad provocada por un exceso de Cu.
Una vez que los metales se encuentran dentro de las células de la raíz, son translocados por transportadores de membrana, proteínas y otras moléculas de unión a metal hasta su destino final. Las metalotioneínas (MT) y posiblemente las fitoquelatinas (PC) juegan un importante papel en la tolerancia a Cu (Cobbet y Goldsbrough, 2002). Las metalotioneínas son polipéptidos ricos en cisteína codificados por una familia de genes. Por el contrario, las fitoquelatinas son una familia de péptidos ricos en cisteína sintetizados enzimáticamente a partir de glutatión. Existen evidencias claras de la participación de las metalotioneínas en el mecanismo de tolerancia a Cu: el nivel de expresión de las metalotioneínas de tipo II está estrechamente relacionado con la tolerancia a Cu en un grupo de ecotipos de A. thaliana (Murphy y Taiz, 1995) y aumenta en el mutante cup1-1 de A. thaliana que se caracteriza por acumular de 2 a 3 veces más de Cu (van Vliet y col., 1995); la tolerancia a Cu de la planta metalófila Silene vulgaris está relacionada con el aumento de expresión de las metalotioneínas de tipo II (Van Hoof y col., 2001); la transformación de plantas transgénicas de tabaco con el gen de la metalotioneína MT CUP1 de levaduras contribuye a la fitoextracción de Cu de suelos contaminados (Thomas y col., 2003); MT1a juega un papel importante en la acumulación de Cu en la raíz de Arabidopsis (Guo y col., 2008); MT3 de la planta hiperacumuladora Thlaspi caerulescens favorece la unión a Cu, probablemente para asegurar una adecuada homeostasis de este metal y muestra importantes diferencias respecto a su homóloga en Arabidopsis (Roosens y col., 2004). Sin embargo, no se ha encontrado un papel claro de las PCs en la detoxificación del Cu. Se sabe que el Cu activa la síntesis de las PCs, pero mutantes deficientes en estas proteínas no muestran sensibilidad a este metal. Recientemente, se ha demostrado que las MTs y las PCs funcionan cooperativamente en la protección de las plantas frente al efecto tóxico del Cu y Cd (Guo y col., 2008).
Actualmente, se propone que tanto los transportadores de membrana como las cuprochaperonas podrían participar en el mecanismo de tolerancia a Cu. En concreto, la
planta Silene vulgaris tolerante a Cu, bombea Cu a través de una ATPasa de tipo P en la membrana plasmática de la raíz (Van Hoof y col., 2001). Además, la inactivación del gen ActP que codifica para una ATPasa de tipo P, provoca hipersensibilidad a Cu en Rhizobium leguminosarum y en Sinorhizobium meliloti (Reeve y col., 2002). En A. thaliana se ha descrito que HMA5 interacciona con cuprochaperonas jugando un papel en la compartimentalización y la detoxificación del Cu en la raíz (Andrés-Colás y col., 2006). Además, se ha encontrado la secuencia de aminoácidos concreta responsable de esta función en varios dominios conservados del transportador (Kobayashi y col., 2008). Se ha estudiado la tolerancia a Cu en tres variedades diferentes de A. thaliana analizando los transcritos de las cuprochaperonas ATX1, CCS y CpCCP (Schiavon y col., 2007). Por otro lado, se ha observado que la sobreexpresión del gen de la CuZnSOD cloroplástica (CSD2) resistente a miR398 (Sunkar y col., 2006) y la sobreexpresión conjunta de los genes que codifican a la CuZnSOD y la acorbato peroxidasa cloroplásticas (Lee y col., 2007) dan lugar a plantas más tolerantes a estreses abióticos como el que genera el Cu.
El exceso de metal debe ser almacenado en un lugar donde no interfiera ni dañe los procesos celulares. El principal compartimento que utilizan las plantas es la vacuola aunque también existen otros lugares donde pueden secuestrar los metales como son el apoplasto o en células especializadas como las células epidérmicas o los tricomas.
La utilización de plantas para descontaminar ambientes como los suelos y el agua (fitoremediación), ha emergido como una atractiva y económica tecnología en las últimas dos décadas (Krämer, 2005). Estas plantas han desarrollado mecanismos de tolerancia específicos que están controlados por un número escaso de genes. Estos mecanismos actúan tanto a nivel externo (movilización y absorción) como a nivel interno (distribución y compartimentalización) (Macnair, 1993). La descontaminación de metales pesados del suelo, consistiría en la fitoextracción a través de plantas hiperacumuladoras de metales, las cuales son tolerantes al metal y capaces de transportar y acumular más de 100-1000 veces la concentración del metal del suelo en el interior de sus tejidos para procesarlos y cosecharlos posteriormente con facilidad. Elsholtzia splendens es una hierba procedente de China de la familia de las Labiata que tolera y acumula Cu en su interior adquiriendo, así, un uso potencial para la fitoremediación (Jiang y col., 2004; Weng y col., 2005). E. splendens o también llamada “flor del cobre”, crece principalmente en depósitos de minas de Cu y se ha utilizado
A pesar de que se han identificado más de 25 especies de plantas hiperacumuladoras de Cu, se desconocen los mecanismos moleculares implicados. El desarrollo de estrategias eficaces para la fitoremediación requiere la identificación de características importantes y genes responsables de la acumulación de Cu en las plantas, la caracterización de sus mecanismos funcionales y el ensayo de estrategias biotecnológicas. Los posibles candidatos para mejorar la fitoremediación de Cu son las reductasas y los transportadores de Cu en la raíz, las NA sintasas y tres proteínas detoxificadoras de Cu: ATPasas de tipo P, cuprochaperonas y metalotioneínas. El diseño óptimo de aplicaciones tecnológicas requerirá la caracterización molecular de los mecanismos de la homeostasis del Cu en plantas (Salt y col., 1998; Pilon-Smits y Pilon, 2002; Puig y col., 2007a).