Un modelo mejorado podría ayudar a los científicos a predecir mejor el rendimiento de los cultivos y los efectos del cambio climático
Un nuevo modelo informático incorpora cómo los poros microscópicos de las hojas pueden abrirse en respuesta a la luz, un avance que podría ayudar a los científicos a crear plantas virtuales para predecir cómo las temperaturas más altas y los niveles crecientes de dióxido de carbono afectarán a los cultivos alimentarios.
Un nuevo modelo computacional incorpora cómo los poros microscópicos de las hojas pueden abrirse 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 una edición especial de la revista Photosynthesis Research.
“Este es un nuevo y emocionante modelo computacional que podría ayudarnos a hacer predicciones mucho más precisas en una amplia gama de condiciones”, afirmó Johannes Kromdijk, quien dirigió el trabajo como parte de un proyecto internacional de investigación denominado Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).
RIPE, liderado por la University of Illinois, está modificando genéticamente los cultivos para que sean más productivos sin consumir más agua mediante la mejora de la fotosíntesis, el proceso natural que todas las plantas utilizan para convertir la luz solar en energía y así impulsar el crecimiento y el rendimiento de los cultivos. RIPE cuenta con el respaldo de la Bill & Melinda Gates Foundation, la U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR) y el Department for International Development (DFID) del Gobierno del Reino Unido.
El trabajo actual se centró en simular el comportamiento de lo que se conoce como estomas: poros microscópicos en las hojas que, en respuesta a la luz, se abren para permitir la entrada y salida de agua, dióxido de carbono y oxígeno en la planta. En 2018, el equipo de RIPE publicó un artículo en Nature Communications que demostraba que el aumento de una proteína específica podía inducir a las plantas a cerrar sus estomas parcialmente, hasta un punto en el que la fotosíntesis no se veía afectada, pero la pérdida de agua disminuía significativamente. Los datos experimentales de este estudio se utilizaron para crear el modelo estomático recientemente mejorado que se presenta hoy.
Un nuevo modelo computacional incorpora cómo los poros microscópicos en forma de boca de las hojas (en la imagen) pueden abrirse 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. Imagen cortesía de Johannes Kromdijk.
“Sabemos desde hace décadas que la fotosíntesis y la apertura estomática están estrechamente coordinadas, pero el funcionamiento exacto de este proceso seguía siendo incierto”, señaló Stephen Long, titular de la Cátedra Universitaria Dotada Ikenberry de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal en la University of Illinois. “Con este nuevo modelo computacional, disponemos de una herramienta mucho mejor para calcular los movimientos estomáticos en respuesta a la luz”.
El objetivo final, afirmó Long, es identificar oportunidades para controlar estos reguladores estomáticos y obtener cultivos tolerantes a la sequía. “Ahora nos estamos acercando al eslabón perdido: cómo la fotosíntesis indica a los estomas cuándo abrirse”.
El modelado computacional ha supuesto un gran avance en el fitomejoramiento. El padre de la genética moderna, Gregor Mendel, realizó su descubrimiento revolucionario de que las plantas de guisante heredan rasgos de sus progenitores cultivando y cruzando más de 10.000 plantas de guisante a lo largo de ocho años. Hoy en día, los científicos de plantas pueden cultivar virtualmente miles de cultivos en cuestión de segundos mediante estos complejos modelos computacionales que simulan el crecimiento vegetal.
Los modelos estomáticos se utilizan junto con modelos de fotosíntesis para realizar predicciones de amplio alcance, desde los rendimientos futuros de las cosechas hasta el manejo de los cultivos, como la respuesta de las plantas ante un déficit hídrico. Además, estos modelos pueden ofrecer a los científicos una visión preliminar de cómo podrían verse afectados cultivos como el trigo, el maíz o el arroz por el aumento de los niveles de dióxido de carbono y las temperaturas más elevadas.
“La versión anterior del modelo estomático utilizaba una relación que no era coherente con nuestra comprensión actual de los movimientos estomáticos”, explicó Kromdijk, actual profesor universitario en la University of Cambridge. “Descubrimos que nuestra nueva versión requiere muchos menos ajustes para lograr predicciones de gran exactitud”.
De izquierda a derecha: los científicos Johannes Kromdijk, Stephen Long y Katarzyna Glowacka mejoraron un modelo utilizado para realizar predicciones de cultivos incorporando cómo los poros microscópicos en forma de boca de las hojas pueden abrirse en respuesta a la luz. Crédito: Brian Stauffer/University of Illinois
Aun así, queda mucho trabajo por hacer para demostrar que este modelo modificado funciona en una amplia variedad de aplicaciones y para fundamentar aún más la relación entre los estomas y la fotosíntesis.
“Tenemos que demostrar que este modelo funciona para una amplia gama de especies y ubicaciones”, afirmó la exmiembro de RIPE Katarzyna Glowacka, actual profesora adjunta en la University of Nebraska-Lincoln. “Los modelos de simulación a gran escala encadenan modelos de turbulencia atmosférica, intercepción de luz, disponibilidad de agua en el suelo y otros factores, por lo que debemos convencer a varias comunidades de investigación de que esta es una mejora que vale la pena implementar”.