Introducción a la Botánica 2015 - dbbe.fcen.uba.ar · El sistema radical reducido sirve sólo de anclaje al suelo el vástago absorbe agua y nutrientes directamente hojas con gran

Introducción a la Botánica

Adaptaciones de las plantas al ambiente

Bibliografía: Raven Biology of Plants 2013: Cap. 21, Plants and people; Cap. 32, Global Ecology Nabors, M.W. Introducción a la Botánica 2006 Raven, PH et al. 1992. Biología de las Plantas Valla JJ. 1979. Morfología de las plantas superiores Sitios web para explorar: http://www.biologia.edu.ar/botanica/ (ir a Exomorfología -> adaptaciones)

http://www.biologia.edu.ar/botanica/

Los biomas

Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA

Gran diversidad de ambientes para ser poblados por las plantas

restricciones (presiones selectivas) adaptaciones

selva misionera

esteros quebrachal

tundra

bosque templado

zonas áridas de altura

pradera

Adaptación: una característica o estructura que cumple alguna función que hace que aumente la supervivencia y/o la capacidad de reproducción

Adaptaciones de las plantas


Cada especie • ocupa un nicho ecológico propio dentro del bioma combinación específica de

condiciones ambientales (estacionalidad, temperatura, luz, disponibilidad de agua y nutrientes, etc.) e interacción con otros organismos

• presenta una determinada amplitud ecológica intervalo de variación dentro del cual puede vivir y reproducirse exitosamente

Morfología externa Anatomía Fisiología

Agave sp. Opuntia sp. Sequoia sempervirens

Elodea sp.

Tillandsia meridionalis

Adaptaciones de las plantas


Morfología externa y estructura interna adaptadas al modo de vida y al ambiente: presiones selectivas similares características convergentes en plantas que ocupan nichos similares pero no están relacionadas filogenéticamente características parecidas en plantas de muy diversas familias

CONVERGENCIA EVOLUTIVA

Morfología externa Anatomía Fisiología

Ejemplo: plantas de ambientes desérticos con características de “cactus”: tallos con gran capacidad de reserva de agua, hojas reducidas a espinas, metabolismo fotosintético CAM

Hoodia (Apocynaceae)

K(5) C(5) A 5 G(2)

Euphorbia (Euphorbiaceae)

K5 C5 A 1-∞ G(3)

Desiertos de América Desiertos de Asia y África

Echinocereus (Cactaceae)

Pc ∞ A ∞ G(3-∞)

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Adaptaciones a la disponibilidad de agua


• Plantas poikilohídricas: (= reviviscentes) no mantienen constante el contenido de agua de sus tejidos la hidratación de sus células depende de la disponibilidad de agua Oscilan entre desecación extrema y rehidratación. Ejemplos

Selaginella lepidophylla ("planta de la resurrección“) Polypodium squalidum

• Plantas homohídricas: la gran mayoría de las plantas, poseen mecanismos para mantener constante su contenido de agua, con diferentes tipos de modificaciones según el ambiente

Polypodium squalidum

• xerófitas: adaptadas a ambientes áridos • mesófitas: adaptadas a un contenido hídrico moderado • hidrófitas: adaptadas a vivir total o parcialmente sumergidas

Plantas xerófitas


Viven en ambientes secos: desiertos, estepas, roquedales Tienen varios tipos de adaptaciones: Absorción y transporte efectivo del agua Sistema radical más desarrollado que la parte aérea Raíces profundas para alcanzar la capa freática del suelo Xilema con vasos de gran diámetro para la circulación

rápida del agua

Menor superficie de transpiración Hojas pequeñas, con baja relación superficie/volumen,

lámina péndula, coriáceas, escamosas, hojas reemplazadas por espinas.

Tallos aplanados fotosintéticos

Almacenamiento de agua En el parénquima acuífero del tallo (u hojas) = suculencia

Eucalyptus

Acacia

Opuntia

Aloe

Plantas hidrófitas


Viven en el agua o en suelos inundables Hay una gradación de estrategias en el ambiente acuático

a,b. plantas anfibias o palustres c,d. plantas acuáticas arraigadas con hojas flotantes e,f. plantas acuáticas arraigadas totalmente sumergidas g,h. plantas acuáticas libres, sumergida (g), y flotante libre (h).

http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema3/tema3_4hidrofita.htm#anfibias

http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema3/tema3_4hidrofita.htm

Plantas hidrófitas


Plantas hidrófitas anfibias o palustres Representan la transición entre las plantas acuáticas y las mesófitas Tienen raíces y rizomas bajo el agua, bien desarrollados El vástago está sólo parcialmente o esporádicamente sumergido El factor limitante es la disponibilidad de oxígeno aerénquima


Cyperus

Sagittaria montevidensis


Plantas hidrófitas


Plantas hidrófitas arraigadas con hojas flotantes En agua estancada o de corriente lenta Los rizomas están fijos, hojas con pecíolo largo y limbo flotante Algunas presentan heterofilia: hojas sumergidas y flotantes diferentes Ej.: irupé (Victoria cruziana), nenúfar (Nymphoides indica)


Nymphaea

La cara adaxial de las hojas flotantes tiene características mesofíticas La cara abaxial tiene caracteres hidrofíticos: aerénquima con grandes cámaras de aire y epidermis sin estomas

Victoria cruziana


Plantas hidrófitas


Plantas hidrófitas arraigadas sumergidas La parte vegetativa está totalmente sumergida en el agua El sistema radical reducido sirve sólo de anclaje al suelo el vástago absorbe agua y nutrientes directamente hojas con gran relación superficie/volumen, sin cutícula ni estomas Tallos sumergidos sin tejido de sostén el agua sostiene la planta Aerénquima


Elodea Potamogeton

Las flores no están sumergidas Cabomba caroliniana


Plantas hidrófitas


Plantas hidrófitas flotantes No están ancladas al sustrato, raíces ausentes o modificadas Aerénquima para flotación en distintos órganos: base de las hojas, pecíolos, etc.

Eichhornia crassipes: camalote

aerénquima en el pecíolo

Elodea

Pistia stratiotes: repollo de agua, aerénquima en la lámina foliar

Salvinia (helecho) sin raíces verdaderas, hojas sumergidas con aspecto de raíces

Spirodella cormo muy reducido y modificado, indiferenciado

Adaptaciones a ritmos anuales


Plantas tropófitas Adaptadas al ritmo de variaciones climáticas anuales, varían su aspecto externo y su ritmo fisiológico en relación al clima pierden las hojas al comenzar la estación desfavorable para evitar la evaporación o el congelamiento

Ejemplos: árboles y arbustos de hoja decidua, plantas herbáceas anuales

Plantas terófitas efímeras Viven en ambientes con períodos de marcada sequía tienen ciclos de vida cortos, desarrollados durante el breve período con disponibilidad de agua Pasan el período desfavorable como semillas (dormición) Ejemplos: Algunas plantas de desierto pueden

cumplir su ciclo vital (de semilla a semilla) en 10 días

Acer pseudoplatanus


tubérculos

rizoma

Plantas geófitas: Hierbas perennes o plantas bianuales Durante la estación desfavorable pierden los brotes foliosos epígeos y forman yemas subterráneas En bosques templados completan la floración en primavera (antes de que los árboles completen su follaje) Para brotar utilizan reservas elaboradas en el período favorable, almacenadas en órganos subterráneos como: • Rizomas: gramíneas, jengibre, etc. • Tubérculos caulinares: papa, violeta de los Alpes • Tubérculos radicales: zanahoria, nabo, algunas

orquídeas • Bulbos: tallo pequeño con bases foliares reservantes

Ej. cebolla, ajo, tulipán, etc.

bulbillo del ajo

tallo

Adaptaciones a ritmos anuales

Adaptaciones al aprovechamiento de la luz


Plantas trepadoras: con tallos elongados y delgados, que nunca se

sostienen por sí mismos Evitan la sombra de otros árboles trepando por encima de ellos (o sobre rocas, muros, etc.) Zarcillos: órganos con capacidad de rodear los soportes y fijarse a ellos, origen caulinar (tallo) o foliar (hojas)

Vitis vinifera

Passiflora

foliar: Fam. Leguminosae (Fabaceae)



Plantas trepadoras: Tallos volubles y circumnutación Tallo principal con entrenudos largos, se enrosca alrededor del sustrato Raíces adventicias adhesivas a veces con discos adhesivos o ventosas

Humulus lupulus

Ipomoea

Hedera helix Parthenocissus lianas



Plantas epífitas: Viven sobre otras plantas, raíces adherentes sin función de absorción absorben agua y nutrientes por otro órgano, acumulan agua en la roseta (Bromeliaceae) o el velamen de las raíces (orquídeas) tienen características de xerófitas (poca agua) no producen ningún daño en la planta hospedante

Oncidium bifolium: orquídea patito Tillandsia

aëranthos: clavel del aire

pelos escamosos en la epidermis foliar de Tillandsia

Bromeliáceas epífitas

Adaptaciones a la escasez de nutrientes


Plantas parcial o totalmente heterótrofas (parásitas): derivan

sus nutrientes de otras plantas, sin raíces producen haustorios para conectarse al sistema vascular (raíz o tallo) de la planta parasitada

Hemiparásitas: Son fotosintéticas, producen parte de su alimento

Phoradendron parásito de un roble

Etapas iniciales de la infección Haustorios que conectan con el

tejido vascular del hospedante



Holoparásitas: generalmente son no-fotosintéticas (casi) sin clorofila todo su alimento proviene del hospedante

http://phytoimages.siu.edu/

Apodanthes y Pilostyles : Fam. Cucurbitaceae, crecen como hifas dentro del tronco del hospedante, solo flores y frutos externos

Pilostyles

Apodanthes

Balanophora con inflorescencias

Cuscuta

Una sola semilla produce un individuo capaz de cubrir varios m2 en una estación




Carnívoras: Crecen en medios oligotróficos = pobres en nutrientes, especialmente nitrógeno, que extraen de animales como fuente suplementaria


Nepenthes gracilis

Utricularia: planta sumergida

utrículos (forma de bolsa) trampas para atrapar plancton

Dispositivos de captura Secreción de enzimas digestivas Absorción de nutrientes


Adaptaciones a suelos salinos La mayoría de las plantas no pueden vivir en suelos salinos: no pueden absorber agua si no hay una diferencia de Ψa favorable

Halófitas Compensan la salinidad del suelo acumulando solutos con

gasto de energía la [solutos] interna supera la [sales] del suelo ¿Qué hacen con el exceso de sal, que es tóxico? Secuestran al sodio en la vacuola o en glándulas especiales


Atriplex sp.: Sodio bombeado al apoplasto y luego acumulado en glándulas en la epidermis de la hoja

Salicornia sp.: Sodio acumulado en las vacuolas, con gasto de energía ΔΨa favorable

Introducción a la Botánica


Biotecnología vegetal

Bibliografía: Raven Biology of Plants 2005 y 2013: Capítulos 21 y 10 Sitios web para explorar: http://goldenrice.org/ http://www.porquebiotecnologia.com.ar/ http://bteduc.bio.br/es_imagens_btverde_AG.html

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http://bteduc.bio.br/es_imagens_btverde_AG.html

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Origen de la agricultura


Orígenes independientes en diferentes lugares del mundo Utilizando distintas especies locales con el mismo fin manejo de su ciclo de vida para satisfacer las necesidades de alimento, vestimenta, refugio del hombre

Domesticación de las plantas


Selección de características ventajosas luego de cada cosecha

Domesticación del maíz Selección de mutaciones que producen cambios en la arquitectura de la planta y el desarrollo del grano

Cinco mutaciones producen estos cambios Maíz Teosinte

Tecnología aplicada a las plantas


Inicio de la agricultura: hace 10000 años Identificación de características deseables Reproducción controlada para mantener esas características Desde hace 200 años: conocimiento sobre biología floral cruzamientos controlados producción de la progenie deseada Experimentos de Mendel genética

domesticación

mejoramiento vegetal

1978: Momento clave para la Biotecnología moderna Una versión sintética del gen de la insulina humana es construida e insertada en la bacteria E. coli. comienza la producción biotecnológica de enzimas, fármacos, reactivos de diagnóstico y otras moléculas de interés industrial aparecen técnicas cada vez más rápidas y eficientes del clonado y la secuenciación del ADN

Mejoramiento tradicional


REVOLUCIÓN VERDE incremento al doble del rendimiento de los cereales el uso de nuevas técnicas de manejo de cultivos y por la creación por cruzamientos de nuevas variedades Norman Borlaug: mejorador de trigo, premio Nobel de la Paz 1970, trabajando en Méjico desarrolló variedades nuevas de trigo de alto rendimiento, semi-enanas, con resistencia a plagas

genotipo 1: alto rendimiento: alto número de espigas/planta y/o granos/espiga, mayor tamaño del grano

genotipo 2: resistencia a plagas

nueva variedad

cruzamiento genético

Mejoramiento tradicional


Una solución para acelerar el proceso de mejoramiento por cruzamientos selectivos Selección asistida por otros marcadores no morfológicos (bioquímicos, citológicos, moleculares) ligados a la característica a seleccionar Ejemplo: marcadores moleculares de ADN para la resistencia a una plaga



Dos desarrollos esenciales para que fuese posible:

Tecnología del cultivo in vitro de tejidos vegetales y la regeneración de plantas viables Conocimiento de la biología de la diferenciación de tejidos, mecanismos de acción hormonal, identificación y producción de hormonas

Tecnología del ADN recombinante Conocimiento de los mecanismos de transferencia de ADN entre bacterias y de bacterias a planta hospedante Desarrollo de herramientas moleculares de selección y clonación de genes

Cultivo in vitro de plantas In

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Cultivo in vitro: Un conjunto de técnicas para introducir, multiplicar y regenerar material vegetal en condiciones controladas y asépticas

Medio nutritivo (líquido o sólido) con hormonas vegetales según el grado de diferenciación celular y morfogénesis requerido

Material vegetal

Regeneración de una planta competente

callo (células indiferenciadas) generación de tallos

generación de raíces

Cultivo in vitro de plantas: micropropagación In

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Micropropagación : nuevas plantas a partir de cultivo de partes de la planta madre con capacidad de regeneración • A partir de la planta madre se obtienen

numerosos explantes en condiciones de cultivo adecuadas darán lugar a nuevas plantas iguales o muy similares a la planta original multiplicación

• Puede o no haber manipulación genética previa

• Qué tipo de tejido se use depende de la planta

Cultivo de meristemas

Cultivo in vitro de plantas: biorreactores In

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A partir de los explantes se pueden regenerar callos = grupos masivos de células indiferenciadas • Los callos se pueden disgregar

y sus células multiplicarse en biorreactores, grandes tanques de cultivo diseñados para propiciar el crecimiento bajo condiciones controladas

• Se usan por ej. para producir metabolitos secundarios de interés: mentol, drogas anticancerígenas, algunos edulcorantes, etc.

• También para generar embriones somáticos (no producidos por la fecundación) y de ahí semillas sintéticas

• Puede o no haber manipulación genética previa

Ingeniería genética = conjunto de metodologías que permite transferir y expresar genes de un organismo en otro Se requiere

Conocer la estructura de los genes funciones específicas Conocer la expresión de esos genes cómo y dónde se produce la proteína que codifican Técnicas de clonación de genes multiplicación de fragmentos de ADN

Por ingeniería genética se generan organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos organismos receptores del gen que les aporta una nueva característica, algunos de valor comercial:

• Células productoras de vacunas (hepatitis B , etc.) • Células productoras de fármacos (insulina, hormona del crecimiento humano) • Células productoras de enzimas (ej. para los detergentes en polvo, para la

industria alimenticia en la elaboración del queso, jugos de fruta, etc.) • Plantas resistentes a enfermedades, sequía y herbicidas

Tecnología del ADN recombinante

Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA http://www.porquebiotecnologia.com.ar/


Tecnología del ADN recombinante

Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA http://www.porquebiotecnologia.com.ar/

Enzimas de restricción tijeras moleculares selectivas

Plásmidos y otros vectores de clonación y transferencia de fragmentos de ADN


Mejoramiento por biotecnología


Técnicas tradicionales varios años, miles de genes, muchas generaciones de plantas para obtener una característica deseada La biotecnología acelera este proceso toma solamente los genes deseados, se independiza de la reproducción sexual Se obtienen resultados en tan sólo una generación Se elimina gran parte del azar del mejoramiento tradicional Posibilita la creación “in vitro” (fuera del organismo) de nuevas combinaciones Los genes a incorporar pueden provenir de cualquier especie Posibilidad de introducir en la planta mejorada genéticamente un único gen nuevo, preservando en su descendencia el resto de los genes de la planta original

Generación de plantas transgénicas


Agrobacterium tumefaciens: un “ingeniero genético” natural Bacteria que vive en el suelo e infecta a un amplio rango de plantas

El método más difundido para la transformación genética de plantas

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Generación de plantas transgénicas


La transformación del material vegetal (hojas, cotiledones, etc. ) se induce a partir del contacto entre la bacteria que porta el gen de interés y las células vegetales

El ADN-T es transportado desde la célula bacteriana a la célula vegetal donde se integra a su material genético transformación

Luego de la transformación, el tejido vegetal es cultivado in vitro en un medio con un agente selector (antibióticos o herbicidas) donde sólo las células transgénicas sobreviven

A partir de esas células transgénicas se regenera in vitro un planta transgénica entera

La planta transgénica se pasa a suelo y cuando florece ya puede ser usada en cruzamientos selectivos se estabiliza el transgén




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maíz no transgénico

maíz transgénico

El caso del maíz Bt: produce una toxina bacteriana que mata larvas de barrenador del tallo


Arroz dorado: “apilamiento” de genes


Ye X, Al-Babili S, Klöti A, Zhang J, Lucca P, Beyer P and Potrykus I. 2000. Engineering provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science 287: 303-305.

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Golden Rice colors. (a) Wild-type rice; (b) GR1, expressing the phytoene synthase from daffodil along with CRTI; (c) GR2 expressing the phytoene synthase from maize along with CRTI.

GR2 (2005) produce 20X más beta-caroteno que GR1

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En el año 2000: Arroz genéticamente modificado para producir β-caroteno (un precursor de la vitamina A) en el grano, de manera de ayudar a suplir la deficiencia de vit A en una parte importante de la humanidad que consume arroz como fuente de energía principal

http://goldenrice.org/

Arroz dorado

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5.

Ingeniería genética para crear un camino biosintético entero en el grano: El arroz sintetiza el precursor GGPP en los amiloplastos del endosperma Para llegar al β-caroteno usando enzimas vegetales se requieren 4 enzimas: fitoeno sintasa (PSY), fitoeno desaturasa (PDS), z-caroteno-desaturasa (ZDS) y caroteno cis-trans-isomerasa (CRTISO) pero estas enzimas no se expresan en el grano, sólo en la hoja

¿La solución? Usar una combinación de PSY de narciso con una enzima bacteriana, CRT1, que cumple las tres funciones y expresarlas en el endosperma

Soja transgénica

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Introducida al mercado en 1994 (EE.UU.), 1996 en Argentina, creada por Monsanto En 2014, 90 millones de hectáreas plantadas en el mundo (82% del total cultivado de soja) Soja Roundup-ready resistente al glifosato Glifosato interfiere en la síntesis de aminoácidos esenciales (fenilalanina, triptofano y tirosina) que son sintetizados por plantas y microorganismos pero no por animales vertebrados Inhibe la enzima 3-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa (EPSPS)

La soja Roundup ready tiene incorporado un gen de EPSPS de Agrobacterium tumefaciens que es insensible al inhibidor glifosato (construido por ingeniería genética) se comercializa la semilla + el herbicida


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Algunas aplicaciones de la biotecnología vegetal

•Aumento de la productividad y calidad de los cultivos: mayor rendimiento

•Resistencia a enfermedades y plagas específicas

•Tolerancia a herbicidas, sequías, salinidad y temperaturas extremas

•Alimentos más nutritivos: frutas y cereales con mayor contenido de vitaminas

•Alimentos más saludables: aceites con menor contenido de ácidos grasos

indeseables, papas que absorban menos aceite, frutas con más antioxidantes,

semillas libre de alergenos

•Vacunas comestibles (ej: bananas que contengan la vacuna contra la hepatitis B)

•Producción de fármacos y plásticos biodegradables

Liberación y comercialización de OGMs


Aprobación del cultivo transgénico Una vez obtenida una planta transgénica, para lograr su cultivo y comercialización se debe presentar una solicitud ante los organismos reguladores para determinar la bioseguridad ambiental y alimentaria y los efectos sociales de la comercialización En Argentina se requiere la evaluación satisfactoria de distintas entidades públicas: • la CONABIA (Comisión Nacional de Biotecnología Agropecuaria) evalúa la inocuidad del

OGM para el medio ambiente • el SENASA (Servicio Nacional de Sanidad y Calidad Agroalimentaria) evalúa su inocuidad

alimentaria • la DNMA (Dirección Nacional de Mercados Agroalimentarios), evalúa el impacto que la

comercialización del OGM tendrá sobre los mercados internos y externos • Además, si el producto será usado como medicamento, se lo evalúa mediante ensayos

clínicos en el marco de la ANMAT (Administración Nacional de Medicamentos, Alimentos y Tecnología médica)

Biotecnología de algas y hongos In

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ALGAS

Producción de metabolitos secundarios y compuestos farmacéuticos y “nutracéuticos”: beta-caroteno, etc. Biocombustibles a partir de algas unicelulares que producen gran cantidad de lípidos de reserva aceites para biodiesel Producción de alginatos y otros gelificantes derivados de la pared celular Algunas especies de algas se pueden transformar con ingeniería genética

HONGOS

Producción de antibióticos (tradicional) Producción de enzimas hidroliticas: celulasas, enzimas degradadoras varias (ej: para detergentes en polvo para la ropa, gastado de jeans)

Biocombustibles In

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BIOETANOL

Es posible usar la biotecnología para producir combustibles alternativos, como el etanol (alcohol) por fermentación de azúcares Ventajas: • Se produce a partir de cultivos agrícolas = fuentes renovables de energía • Se puede producir localmente • Su combustión produce menos emisiones nocivas para los seres vivos

Fuentes: caña de azúcar, sorgo, remolacha, maíz, los hidratos de carbono son fermentados a etanol por levaduras (ej. género Saccharomyces)

Inconveniente: los cultivos vegetales son una materia prima muy cara y son alimento

Solución Desarrollo de métodos de producción de etanol a partir de desechos agrícolas, forestales e industriales, abundantes y baratos Los azúcares se obtienen de la celulosa de los desechos vegetales: enzimas degradadoras de los hongos

Dificultad técnica: presencia de lignina varias posibles soluciones; ej: explosión de vapor + digestión enzimática

Biocombustibles In

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BIODIESEL

Combustible que se obtiene por combinación de un aceite vegetal o grasa animal con un alcohol Parecido al gasoil derivado del petróleo sustituto parcial o total Se emplea en automóviles, camiones y transporte público Principales países que producen, ensayan y usan biodiesel: Estados Unidos, Canadá, Alemania, Austria, Francia e Italia

Ventajas: es biodegradable, disminuye las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera (que contribuye al calentamiento global a través del efecto invernadero), puede mezclarse con otros combustibles y se obtiene a través de un proceso sustentable a partir de fuentes renovables de energía

Fuentes: aceites de soja, canola, girasol, palma y jatropha

En Argentina la producción y exportación de biodiesel comenzaron en 2008 y hoy somos el primer exportador mundial de biodiesel elaborado a partir del aceite de soja

Gracias por haber compartido Botánica con nosotros este

cuatrimestre

¡Ahora a explorar el vasto mundo de las

plantas!

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