- Biólogos de la Universidad de California en San Diego han resuelto un misterio de larga duración sobre cómo las plantas responden a los niveles crecientes de CO2 en la atmósfera.
En un artículo publicado en la edición digital de esta semana de 'Nature', informan del descubrimiento de una nueva vía genética en las plantas, compuesta por cuatro genes de tres diferentes familias que controlan la densidad de poros de respiración o estomas en las hojas de las plantas en respuesta a niveles elevados de CO2.
Su descubrimiento debería ayudar a los biólogos a comprender mejor cómo el aumento constante de los niveles de CO2 en la atmósfera (que en la primavera pasada, por primera vez en la historia, se mantuvo por encima de 400 partes por millón) está afectando a la capacidad de las plantas y los cultivos de importancia económica para hacer frente al estrés por el calor y la sequía.
Estos hallazgos también podrían proporcionar a los expertos agrícolas nuevas herramientas para diseñar plantas y cultivos que puedan hacer frente a las sequías y las altas temperaturas, como la que ahora afecta el suroeste de Estados Unidos.
"Por cada molécula de dióxido de carbono que se incorpora a las plantas mediante la fotosíntesis, las plantas pierden cerca de 200 moléculas de agua a través de sus estomas", explica Julian Schroeder, profesor de Biología que lideró este trabajo y codirector de una nueva entidad de investigación en la Universidad de California llamada 'La comida y el combustible para el siglo XXI'. Esta institución se centra en aplicar la investigación básica de las plantas a la alimentación y la producción de biocombustibles sostenibles.
"Como niveles elevados de CO2 reducen la densidad de poros de los estomas en las hojas, esto es a primera vista beneficioso para las plantas, ya que pierden menos agua. Sin embargo, la reducción en el número de poros de los estomas disminuye la capacidad de las plantas para enfriar sus hojas durante una ola de calor a través de la evaporación de agua. Una reducción en la evaporación se suma al estrés por calor en las plantas, lo que en última instancia afecta al rendimiento del cultivo", argumenta.
"Nuestra investigación está dirigida a comprender los mecanismos y los genes fundamentales por los que el CO2 reprime el desarrollo de los poros de los estomas", afirma Schroeder. Trabajando con una planta de mostaza llamada 'Arabidopsis', que se utiliza como modelo genético y comparte muchos de los genes de otras plantas y cultivos, el equipo de biológos de este estudio descubrió que las proteínas codificadas por los cuatro genes que descubrieron reprimen el desarrollo de estomas en niveles elevados de CO2.
Usando una combinación de la biología de sistemas y las técnicas bioinformáticas, los científicos aislaron inteligentemente proteínas, que, cuando mutan, eliminan la capacidad de la planta de responder al estrés del CO2. Cawas Engineer, un científico postdoctoral en el laboratorio de Schroeder y primer autor del estudio, vio que cuando las plantas detectan niveles de CO2 atmosférico elevados, aumentan la expresión de una hormona peptídica clave llamada Factor de Crecimiento Epidérmico 2 (EPF2).
"El péptido EPF2 actúa como un morfógeno que altera el carácter de la célula madre en en la epidermis de las hojas que crecen y bloquea la formación de los estomas ante un incremento de CO2", explica Engineer. Como se necesitan otras proteínas conocidas como proteasas para activar el péptido EPF2, los científicos también usaron un enfoque de proteómica para identificar una nueva proteína que llamaron CRSP (Respuesta de Proteasa Secretada por CO2) que determinaron que es crucial para la activación del péptido EPF2.
"Identificamos CRSP, una proteína secretada, que es sensible a los niveles de CO2 en la atmósfera. CRSP juega un papel fundamental en lo que permite a la planta producir la cantidad correcta de los estomas en respuesta a la concentración de CO2 en la atmósfera", relata este experto.
En este sentido, adelanta que un mecanismo de este tipo de detección y respuesta que implica a CRSP y EPF2 podría utilizarse para diseñar variedades de cultivos que son más capaces de desarrollarse ante niveles elevados de CO2 como los actuales y futuros, en los que la disponibilidad de agua dulce para la agricultura está disminuyendo.
Los descubrimientos de estas proteínas y genes tienen el potencial de hacer frente a una amplia gama de problemas agrícolas críticos en el futuro, incluyendo una limitada disponibilidad de agua para los cultivos, la necesidad de aumentar la eficiencia del uso del agua en la hierba y en los cultivos, así como atender la preocupación de los agricultores sobre el estrés por el impacto del calor que sufrirán sus cultivos conforme las temperaturas globales y los niveles de CO2 sigan aumentando.
Fuente: Agencias
Su descubrimiento debería ayudar a los biólogos a comprender mejor cómo el aumento constante de los niveles de CO2 en la atmósfera (que en la primavera pasada, por primera vez en la historia, se mantuvo por encima de 400 partes por millón) está afectando a la capacidad de las plantas y los cultivos de importancia económica para hacer frente al estrés por el calor y la sequía.
Estos hallazgos también podrían proporcionar a los expertos agrícolas nuevas herramientas para diseñar plantas y cultivos que puedan hacer frente a las sequías y las altas temperaturas, como la que ahora afecta el suroeste de Estados Unidos.
"Por cada molécula de dióxido de carbono que se incorpora a las plantas mediante la fotosíntesis, las plantas pierden cerca de 200 moléculas de agua a través de sus estomas", explica Julian Schroeder, profesor de Biología que lideró este trabajo y codirector de una nueva entidad de investigación en la Universidad de California llamada 'La comida y el combustible para el siglo XXI'. Esta institución se centra en aplicar la investigación básica de las plantas a la alimentación y la producción de biocombustibles sostenibles.
"Como niveles elevados de CO2 reducen la densidad de poros de los estomas en las hojas, esto es a primera vista beneficioso para las plantas, ya que pierden menos agua. Sin embargo, la reducción en el número de poros de los estomas disminuye la capacidad de las plantas para enfriar sus hojas durante una ola de calor a través de la evaporación de agua. Una reducción en la evaporación se suma al estrés por calor en las plantas, lo que en última instancia afecta al rendimiento del cultivo", argumenta.
"Nuestra investigación está dirigida a comprender los mecanismos y los genes fundamentales por los que el CO2 reprime el desarrollo de los poros de los estomas", afirma Schroeder. Trabajando con una planta de mostaza llamada 'Arabidopsis', que se utiliza como modelo genético y comparte muchos de los genes de otras plantas y cultivos, el equipo de biológos de este estudio descubrió que las proteínas codificadas por los cuatro genes que descubrieron reprimen el desarrollo de estomas en niveles elevados de CO2.
Usando una combinación de la biología de sistemas y las técnicas bioinformáticas, los científicos aislaron inteligentemente proteínas, que, cuando mutan, eliminan la capacidad de la planta de responder al estrés del CO2. Cawas Engineer, un científico postdoctoral en el laboratorio de Schroeder y primer autor del estudio, vio que cuando las plantas detectan niveles de CO2 atmosférico elevados, aumentan la expresión de una hormona peptídica clave llamada Factor de Crecimiento Epidérmico 2 (EPF2).
"El péptido EPF2 actúa como un morfógeno que altera el carácter de la célula madre en en la epidermis de las hojas que crecen y bloquea la formación de los estomas ante un incremento de CO2", explica Engineer. Como se necesitan otras proteínas conocidas como proteasas para activar el péptido EPF2, los científicos también usaron un enfoque de proteómica para identificar una nueva proteína que llamaron CRSP (Respuesta de Proteasa Secretada por CO2) que determinaron que es crucial para la activación del péptido EPF2.
"Identificamos CRSP, una proteína secretada, que es sensible a los niveles de CO2 en la atmósfera. CRSP juega un papel fundamental en lo que permite a la planta producir la cantidad correcta de los estomas en respuesta a la concentración de CO2 en la atmósfera", relata este experto.
En este sentido, adelanta que un mecanismo de este tipo de detección y respuesta que implica a CRSP y EPF2 podría utilizarse para diseñar variedades de cultivos que son más capaces de desarrollarse ante niveles elevados de CO2 como los actuales y futuros, en los que la disponibilidad de agua dulce para la agricultura está disminuyendo.
Los descubrimientos de estas proteínas y genes tienen el potencial de hacer frente a una amplia gama de problemas agrícolas críticos en el futuro, incluyendo una limitada disponibilidad de agua para los cultivos, la necesidad de aumentar la eficiencia del uso del agua en la hierba y en los cultivos, así como atender la preocupación de los agricultores sobre el estrés por el impacto del calor que sufrirán sus cultivos conforme las temperaturas globales y los niveles de CO2 sigan aumentando.
Fuente: Agencias
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