La investigación explica cómo las plantas optimizan la fotosíntesis en condiciones de luz cambiantes

Para la investigación, las plantas a menudo se cultivan bajo una iluminación estable, que no refleja las condiciones naturales. En una serie de experimentos con condiciones de iluminación cambiantes, simulando la interacción natural de la luz y la sombra, investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Potsdam-Golm (Alemania) y la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan (EE. UU.) revelan la importancia de dos proteínas clave para el control dinámico de la fotosíntesis.
Las plantas realizan la fotosíntesis para crecer. En este proceso, utilizan la energía de la luz solar, liberan oxígeno y producen carbohidratos, que son el recurso alimentario básico para todos los humanos y casi todos los animales de la tierra. En condiciones naturales, la disponibilidad de luz puede cambiar rápidamente en muy poco tiempo. Una de las principales razones son las nubes que dan luz y sombra al pasar frente al sol. Las hojas y ramas de las plantas también pueden proporcionar sombra temporalmente cuando las mueve el viento. Las plantas no pueden moverse de la sombra al sol cuando la luz es limitada y, por el contrario, no pueden moverse del sol a la sombra cuando están expuestas a demasiado sol. Deben reaccionar a las condiciones cambiantes de luz de otras maneras.
Al igual que con los humanos, demasiado sol es dañino para las plantas. En particular, un cambio rápido entre luz tenue y brillante es problemático. Al igual que la retina de nuestros ojos, las plantas usan moléculas en sus hojas para capturar partículas de luz. Cuando la luz es tenue, estas trampas de luz son muy efectivas para capturar tanta luz tenue como sea posible. Si las condiciones de iluminación cambian repentinamente, es posible que llegue demasiada energía luminosa a la planta. Esta energía puede sobrecargar o dañar el sensible aparato fotosintético dentro de las células vegetales. Como resultado, las plantas deben adaptar constantemente su actividad fotosintética a sus condiciones ambientales para lograr el máximo rendimiento de luz, por un lado, pero evitar ser dañadas por demasiada luz por el otro.

Hasta la fecha, las plantas en invernaderos y laboratorios se cultivan casi exclusivamente en condiciones de iluminación estables y uniformes. Por lo tanto, nuestra comprensión de cómo funciona la adaptación a las condiciones cambiantes de iluminación es muy limitada. En el peor de los casos, esto puede conducir a plantas que crecen bien en laboratorios e invernaderos, pero que de repente se comportan mucho peor de lo esperado cuando se cultivan en el campo.
Investigadores de Ute Armbruster del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Potsdam-Golm y David Kramer de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan (EE. UU.) examinaron la planta modelo Arabidopsis thaliana para su estudio. Las plantas se cultivaron en una amplia variedad de condiciones, incluida la luz estática, fluctuante y natural. El estudio se centró en dos proteínas de transporte de iones denominadas VCCN1 y KEA3, que desempeñan un papel clave en el ajuste dinámico del rendimiento fotosintético. Se sabe por estudios anteriores que VCCN1 activa la protección solar si la luz de repente se vuelve demasiado fuerte. Cuando la intensidad de la luz disminuye, la segunda proteína KEA3 descompone rápidamente esta protección solar para que la planta pueda volver a captar más luz. Sin embargo, las proteínas VCCN1 y KEA3 nunca se han examinado en condiciones de luz realistas.
Los investigadores utilizaron un nuevo enfoque innovador para medir la fotosíntesis en combinación con el uso específico de genes inactivados, es decir, plantas cuyos genes para VCCN1 y KEA3 han sido inactivados. Muestran que las actividades de las proteínas VCCN1 y KEA3 dependen de las condiciones de iluminación en las que se criaron las plantas. Siguiendo las sugerencias de la jefa del Grupo de infraestructura de cultivo de plantas, la Dra. Karin Kohl, los investigadores se centraron en dos factores de luz relacionados con el crecimiento en el análisis y pudieron demostrar que la cantidad de luz que recibe una planta y la frecuencia de las fluctuaciones de luz tienen un fuerte influencia en la función de ambos transportadores de iones. La función protectora de VCCN1 solo es significativa en plantas previamente cultivadas con poca luz. Por otro lado, KEA3, que suprime la protección, incluso estuvo activo en períodos de mucha luz cuando las plantas se cultivaron en condiciones de alta intensidad de luz.
La protección solar también depende del grado de fluctuaciones de luz a las que están expuestas las plantas. Cuando las condiciones de luz cambian significativamente, las plantas producen el pigmento naranja zeaxantina, también involucrado en la protección solar. KEA3 también suprime la producción de este protector solar en condiciones de mucha luz. “Nuestro estudio muestra que no debemos observar el efecto de la luz creciente y las respuestas rápidas a las fluctuaciones de la luz por separado”, dijo la autora principal del estudio, Thekla von Bismarck, y agregó: “La integración de múltiples escalas de tiempo y niveles metabólicos de una manera cada vez más compleja será un importante desafío futuro para la investigación de cultivos, y proporcionará información clave para mejorar el rendimiento de los cultivos en el campo. (ANI)

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