Un nuevo modelo informático incorpora cómo pueden abrirse los poros microscópicos de las hojas en respuesta a la luz: un avance que podría ayudar a los científicos a crear plantas virtuales para predecir cómo afectarán las temperaturas más altas y el aumento de los niveles de dióxido de carbono a los cultivos alimentarios, según un estudio publicado hoy en un número especial de la revista Photosynthesis Research.
«Este es un nuevo y apasionante modelo informático que podría ayudarnos a hacer predicciones mucho más precisas en una amplia gama de condiciones», declaró Johannes Kromdijk, quien dirigió el trabajo como parte de un proyecto de investigación internacional llamado RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency).
RIPE, liderado por la Universidad de Illinois, está diseñando cultivos más productivos sin usar más agua, mejorando la fotosíntesis, el proceso natural que todas las plantas utilizan para convertir la luz solar en energía que impulsa el crecimiento y el rendimiento. RIPE cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de Investigación de Alimentos y Agricultura de EE. UU. (FFAR) y el Departamento de Desarrollo Internacional (DFID) del gobierno británico.
El trabajo actual se centró en simular el comportamiento de los llamados estomas: poros microscópicos de las hojas que, en respuesta a la luz, se abren para permitir la entrada y salida de agua, dióxido de carbono y oxígeno. En 2018, el equipo de RIPE publicó un artículo en Nature Communications que mostraba que aumentar una proteína específica podía inducir a las plantas a cerrar parcialmente sus estomas, hasta un punto en que la fotosíntesis no se veía afectada pero la pérdida de agua disminuía significativamente. Los datos experimentales de ese estudio se utilizaron para crear el nuevo modelo de estomas mejorado presentado hoy.
Un nuevo modelo informático incorpora cómo pueden abrirse los poros microscópicos de las hojas (en la imagen) en respuesta a la luz, un avance que podría ayudar a los científicos a crear plantas virtuales para predecir cómo afectarán las temperaturas más altas y el aumento del dióxido de carbono a los cultivos alimentarios. Imagen cortesía de Johannes Kromdijk.
«Sabemos desde hace décadas que la fotosíntesis y la apertura de los estomas están estrechamente coordinadas, pero cómo funciona exactamente seguía siendo incierto», declaró Stephen Long, catedrático Ikenberry de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal de la Universidad de Illinois. «Con este nuevo modelo informático disponemos de una herramienta mucho mejor para calcular los movimientos estomáticos en respuesta a la luz».
El objetivo final, dijo Long, es identificar oportunidades para controlar estos guardianes estomáticos y crear cultivos tolerantes a la sequía. «Ahora nos acercamos al eslabón perdido: cómo la fotosíntesis indica a los estomas cuándo abrirse».
El modelado informático ha sido un gran avance en la mejora de cultivos. El padre de la genética moderna, Gregor Mendel, hizo su descubrimiento revolucionario de que los guisantes heredan rasgos de sus progenitores cultivando y cruzando más de 10.000 plantas de guisante durante ocho años. Hoy, los científicos vegetales pueden cultivar virtualmente miles de cultivos en cuestión de segundos usando estos complejos modelos informáticos que simulan el crecimiento de las plantas.
Los modelos estomáticos se utilizan junto con los modelos de fotosíntesis para hacer predicciones de amplio alcance, desde rendimientos futuros hasta manejo de cultivos, como la respuesta de los cultivos ante un déficit de agua. Además, estos modelos pueden dar a los científicos una vista previa de cómo cultivos como el trigo, el maíz o el arroz podrían verse afectados por el aumento de los niveles de dióxido de carbono y las temperaturas más altas.
«La versión anterior del modelo estomático utilizaba una relación que no era coherente con nuestra comprensión actual de los movimientos estomáticos», afirmó Kromdijk, ahora profesor universitario en la Universidad de Cambridge. «Descubrimos que nuestra nueva versión requiere mucho menos ajuste para hacer predicciones muy precisas».
De izquierda a derecha: los científicos Johannes Kromdijk, Stephen Long y Katarzyna Glowacka mejoraron un modelo utilizado para hacer predicciones de cultivos incorporando cómo pueden abrirse los poros microscópicos de las hojas en respuesta a la luz. Crédito: Brian Stauffer/Universidad de Illinois
Aún queda mucho trabajo por hacer para demostrar que este modelo modificado funciona en una amplia variedad de aplicaciones y para respaldar aún más la relación entre estomas y fotosíntesis.
«Tenemos que demostrar que este modelo funciona para una gama diversa de especies y lugares», dijo Katarzyna Glowacka, exmiembro de RIPE y ahora profesora adjunta de la Universidad de Nebraska-Lincoln. «Los modelos de simulación a gran escala encadenan modelos de turbulencia atmosférica, interceptación de luz, disponibilidad de agua en el suelo y otros; así que tenemos que convencer a varias comunidades científicas de que es una mejora que vale la pena».