Así se defienden las plantas del cambio climático

Los biólogos describen dos defensas que las plantas ponen en práctica en condiciones de calor elevado

El cambio climático, con la subida de la temperatura global, ya se está notando en las cosechas más sensibles, por ejemplo, en las vides. Pero la temperatura elevada afectará a todas las plantas, y también a los cultivos de los que depende la humanidad para su sustento. Los humanos sudamos para refrigerarnos,  pero ¿cómo se adaptan las plantas a este calor?

Los poros microscópicos de la superficie de las hojas, llamados estomas, ayudan a las plantas a «respirar» controlando la cantidad de agua que pierden por evaporación. Estos poros estomáticos también permiten y controlan la entrada de dióxido de carbono para la fotosíntesis y el crecimiento.

Ya en el siglo XIX, los científicos sabían que las plantas aumentan la apertura de sus poros estomáticos para transpirar, o «sudar», enviando vapor de agua a través de los estomas para refrescarse. Hoy en día, con el aumento de las temperaturas globales y las olas de calor, el ensanchamiento de los poros estomáticos se considera un mecanismo clave que puede minimizar los daños del calor en las plantas.

Pero durante más de un siglo, los biólogos de plantas han carecido de una explicación completa de los mecanismos genéticos y moleculares que subyacen al aumento de la «respiración» estomática y los procesos de transpiración en respuesta a temperaturas elevadas.

Los estomas bien abiertos

Nattiwong Pankasem, estudiante de doctorado de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de California en San Diego, y Julian Schroeder, profesor de la misma facultad, han elaborado una descripción detallada de estos mecanismos. Sus hallazgos, publicados en la revista New Phytologist, identifican dos vías que utilizan las plantas para hacer frente al aumento de las temperaturas.

«Con el aumento de las temperaturas en el planeta, la agricultura se ve amenazada por las olas de calor», afirma Schroeder. «Esta investigación describe el descubrimiento de que el aumento de las temperaturas provoca la apertura estomática por una vía genética (mecanismo), pero si el calor sube aún más, entonces hay otro mecanismo que entra en acción para aumentar la apertura estomática».

Durante décadas, los científicos se esforzaron por encontrar un método claro para descifrar los mecanismos subyacentes a la apertura estomática mediada por el aumento de la temperatura, debido a los intrincados procesos de medición necesarios. La dificultad radica en la compleja mecánica que supone ajustar la humedad del aire (también conocida como diferencia de presión de vapor, o VPD) a valores constantes mientras aumenta la temperatura, y en lo complicado que resulta separar las respuestas de la temperatura y la humedad.

Pankasem ayudó a resolver este problema desarrollando un método novedoso para fijar la VPD de las hojas a valores fijos bajo temperaturas crecientes. A continuación, desentrañó los mecanismos genéticos de una serie de respuestas estomáticas a la temperatura, incluidos factores como los sensores de luz azul, las hormonas de la sequía, los sensores de dióxido de carbono y las proteínas sensibles a la temperatura.

Detectores de CO2

Para esta investigación fue importante un analizador de intercambio de gases de nueva generación que permite un mejor control de la VPD (sujeción de la VPD a valores fijos). Los investigadores pueden ahora realizar experimentos que dilucidan los efectos de la temperatura en la apertura estomática sin necesidad de retirar hojas de plantas vivas enteras.

Los resultados revelaron que la respuesta estomática al calentamiento está dictada por un mecanismo que se encuentra en todos los linajes de plantas. En este estudio, Pankasem investigó los mecanismos genéticos de dos especies vegetales, Arabidopsis thaliana, una especie de mala hierba muy estudiada, y Brachypodium distachyon, una planta con flores emparentada con los principales cultivos de cereales, como el trigo, el maíz y el arroz, que representa un modelo oportuno para estos cultivos.

Los investigadores descubrieron que los sensores de dióxido de carbono son un actor central en las respuestas estomáticas de calentamiento-enfriamiento. Los sensores de dióxido de carbono detectan cuando las hojas sufren un calentamiento rápido. Esto inicia un aumento de la fotosíntesis en las hojas que se calientan, lo que provoca una reducción del dióxido de carbono. Esto hace que se abran los poros estomáticos, lo que permite a las plantas beneficiarse del aumento de dióxido de carbono.

Curiosamente, el estudio también descubrió una segunda vía de respuesta al calor. En condiciones de calor extremo, la fotosíntesis en las plantas se estresa y disminuye, y se descubrió que la respuesta estomática al calor elude el sistema sensor de dióxido de carbono y se desconecta de las respuestas normales impulsadas por la fotosíntesis. En su lugar, los estomas emplean una segunda vía de respuesta al calor, no muy distinta de la entrada por la puerta trasera de una casa, para «sudar» como mecanismo de refrigeración.

«El impacto del segundo mecanismo, en el que las plantas abren sus estomas sin obtener beneficios de la fotosíntesis, se traduciría en una reducción de la eficiencia en el uso del agua por parte de las plantas de cultivo», afirma Pankasem. «Según nuestro estudio, es probable que las plantas demanden más agua por unidad de CO2 absorbido. Esto puede tener implicaciones directas en la planificación del riego para la producción de cultivos y en los efectos a gran escala del aumento de la transpiración de las plantas en los ecosistemas sobre el ciclo hidrológico en respuesta al calentamiento global».

«Este trabajo muestra la importancia de la investigación fundamental impulsada por la curiosidad para ayudar a afrontar los retos de la sociedad, crear resiliencia en áreas clave como la agricultura y, potencialmente, hacer avanzar la bioeconomía», declaró Richard Cyr, director de programa de la Dirección de Ciencias Biológicas de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU., que financió parcialmente la investigación. «Una mayor comprensión de las complejidades moleculares que controlan la base de la función estomática a temperaturas más altas podría conducir a estrategias para limitar la cantidad de agua necesaria para la agricultura ante el aumento global de la temperatura».

Con los nuevos detalles en la mano, Pankasem y Schroeder trabajan ahora para comprender los mecanismos moleculares y genéticos que subyacen al sistema secundario de respuesta al calor.

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