Los investigadores de JMU comenzaron a examinar microscópicamente los poros de hojas pequeñas llamadas estomas. Estas aberturas admiten dióxido de carbono para la fotosíntesis en la planta. Pero también sirven como puntos de venta de agua. Para evitar perder demasiada agua a través de la evaporación, las plantas terrestres han aprendido durante la evolución a abrir y cerrar activamente sus estomas usando celdas de protección especiales. Las proteínas de membrana como SLAC1 juegan un papel clave en este proceso regulador: actuando como canales, guían a los iones hacia y desde las células.
Hedrich está convencido de que una comprensión básica de los avances moleculares durante el transporte de iones a través de la membrana plasmática de las células protectoras es la clave para mejorar la tolerancia a la sequía y los rendimientos de las plantas de cultivos agrícolas. Los cultivos de cereales son mucho más tolerantes a la sequía que otras plantas. Investigadores de Würzburg ahora han descubierto por qué es así. Su visión podría ayudar a criar cultivos que sean más resistentes a la sequía.
La cebada, el trigo, el maíz y el arroz abarcan todos los principales cereales. Son vitales para alimentar a la población mundial. Los agricultores producen el 80 por ciento de todos los alimentos a base de plantas de los cultivos de pastos. Este éxito se debe en parte a la capacidad de las plantas de adaptarse más rápidamente a las condiciones secas y de mantener la falta de agua mejor que otras plantas.
Pero, ¿por qué los pastos son más tolerantes a la escasez de agua? ¿Se pueden criar otros cultivos alimentarios para esta propiedad, también, para asegurar o aumentar los rendimientos agrícolas en el futuro? Esto podría ser importante frente a una creciente población mundial y al cambio climático que conllevará más períodos de clima seco y caluroso.
Los investigadores de la planta, el profesor Rainer Hedrich, el profesor Dietmar Geiger y el Dr. Peter Ache de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en Bavaria, Alemania, están investigando estas cuestiones. Estudiaron la elaboración de cebada para determinar por qué los pastos son más tolerantes al estrés y, por lo tanto, son “mejores” plantas de cultivo que las papas y similares.
Dos aminoácidos marcan la diferencia
Los científicos descubrieron que esta diferencia se puede atribuir a la proteína SLAC1 de las células de guardia. Solo dos aminoácidos , los componentes básicos que componen las proteínas, son responsables de la tolerancia a la sequía de la planta. “Ahora queremos averiguar si esta pequeña diferencia se puede aprovechar para hacer que las papas, los tomates o la colza sean más tolerantes al estrés también”, dice Rainer Hedrich.
Las nuevas ideas se han publicado en la prestigiosa revista Current Biology , en la que Hedrich, Geiger y Ache describen cómo identificaron la pequeña diferencia entre los pastos y otras plantas.
El transporte de iones es un proceso clave
Los investigadores de JMU comenzaron a examinar microscópicamente los poros de hojas pequeñas llamadas estomas. Estas aberturas admiten dióxido de carbono para la fotosíntesis en la planta. Pero también sirven como puntos de venta de agua. Para evitar perder demasiada agua a través de la evaporación, las plantas terrestres han aprendido durante la evolución a abrir y cerrar activamente sus estomas usando celdas de protección especiales. Las proteínas de membrana como SLAC1 juegan un papel clave en este proceso regulador: actuando como canales, guían a los iones hacia y desde las células. Hedrich está convencido de que una comprensión básica de los avances moleculares durante el transporte de iones a través de la membrana plasmática de las células protectoras es la clave para mejorar la tolerancia a la sequía y los rendimientos de las plantas de cultivos agrícolas.
Las lanzaderas de iones hacen que los poros de las hojas sean más eficientes
Los estomas de los pastos tienen una característica especial: el poro está bordeado por dos pares de células donde otras plantas solo tienen un solo par de células. Los cereales de hierba cuentan con dos células de guardia en forma de mancuerna que forman y regulan el poro. Además, están flanqueados por dos celdas subsidiarias.
Los investigadores de JMU han demostrado que las células subsidiarias absorben y almacenan el potasio y el cloruro de las células protectoras cuando el poro se cierra. Cuando se abre el estoma, pasan los iones a las celdas de guardia. “Nuestros cereales utilizan las células subsidiarias como un depósito dinámico para iones osmóticamente activos. Este servicio de transporte iónico entre la célula protectora y la célula subsidiaria permite a la planta regular los poros de manera particularmente eficiente y rápida”, explica Dietmar Geiger.
Dos sistemas de medición para una mayor resistencia a la sequía
Hay un segundo mecanismo que hace que los pastos sean más tolerantes a las condiciones secas. Cuando el agua escasea, las plantas producen la hormona del estrés ABA (ácido abscísico). Dentro de las celdas de guardia , activa los canales iónicos de la familia SLAC1, iniciando así el cierre de los estomas para evitar que la planta se marchite en cuestión de minutos.
“Curiosamente, encontramos que el nitrato debe estar presente en la elaboración de cebada y otros cereales de pasto además de ABA para permitir que el poro se cierre”, dice Peter Ache. La concentración de nitrato permite que la cebada mida la forma en que se encuentra la fotosíntesis. Si funciona sin problemas, los niveles de nitrato son bajos.
Por lo tanto, la cebada se basa en dos sistemas de medición: usa ABA para registrar la disponibilidad de agua y el nitrato para evaluar el rendimiento de la fotosíntesis. “Al combinar los dos, la cebada es más capaz que otras plantas de negociar entre los extremos de ‘morir de hambre’ y ‘morir de sed’ cuando se enfrenta a la escasez de agua”, explica Rainer Hedrich.
Probando el sensor de nitrato en otras plantas
¿Qué mecanismo es responsable de la diferencia en la regulación de los estomas a nivel molecular? Para responder a esto, los investigadores analizaron los canales SLAC1 de varias plantas herbáceas en comparación con los pastos. Esto les permitió identificar el “sensor de nitrato” de los pastos: se compone de un motivo de dos aminoácidos que se produjo por primera vez en el musgo durante la evolución y posteriormente se optimizó para dar a las células de guardia sus propiedades únicas.
En un siguiente paso, el equipo de investigadores quiere establecer si los cultivos agrícolas herbáceos también se benefician de tener un sensor de nitrato. Para lograr esto, los científicos quieren adaptar las plantas de arabidopsis que carecen del canal SLAC1 con el canal de cebada SLAC1. “Si este paso aumenta su tolerancia al estrés, podemos considerar la crianza de patatas, tomates o colza optimizados”, dice Hedrich.
Información de: phys.org