Cómo las arquitecturas de plantas imitan las redes de metro

Cómo las arquitecturas de plantas imitan las redes de metro

Los científicos de Salk utilizan el escaneo láser 3D para comprender cómo las plantas optimizan su crecimiento

LA JOLLA—Puede parecer que una planta de tomate y un sistema de metro no tienen mucho en común, pero resulta que ambos son redes que se esfuerzan por hacer compensaciones similares entre costo y rendimiento.

Usando escaneos láser 3D de plantas en crecimiento, los científicos de Salk descubrieron que los mismos principios de diseño universal que los humanos usan para diseñar redes como el metro también guían las formas de las arquitecturas de ramificación de plantas. La obra, que aparece en la edición del 26 de julio de 2017 de Sistemas celulares, podría ayudar a dirigir estrategias para aumentar el rendimiento de los cultivos o producir plantas mejor adaptadas al cambio climático.

“La idea de este trabajo realmente comenzó con una pregunta de ingeniería”, dice Saket Navlajá, profesor asistente en el Centro de Biología Integrativa de Salk y autor principal del artículo. “¿Cómo resuelven las redes de transporte como un sistema de metro o una red eléctrica la tensión entre dos objetivos en competencia, como el costo y el rendimiento? ¿Y las plantas resuelven objetivos competitivos similares de la misma manera?

Las redes de transporte diseñadas, ya sea para mover personas o energía, deben equilibrar el costo de la construcción con la provisión de un transporte eficiente. Piense en un sistema de metro: si el objetivo principal al diseñarlo es llevar a la gente de los suburbios al centro de la ciudad lo más rápido posible, cada suburbio tendrá su propia línea directa al centro. Pero eso sería prohibitivamente caro de construir. Por el contrario, si el único objetivo es limitar el costo, habría muy pocas líneas y algunos pasajeros tardarían mucho en llegar al centro. Por lo tanto, el desafío de la ingeniería es encontrar algún equilibrio entre estos dos objetivos. Si extiendes esta analogía a una planta, su base es como el centro de la ciudad y sus hojas son como los suburbios. Los nutrientes deben llegar entre estas áreas lo más rápido posible, al tiempo que limitan el costo de cultivar ramas extrañas.

En ingeniería y otros campos, las compensaciones como esta se pueden representar en un gráfico como una línea curva llamada frente de Pareto. Aquí, un extremo de la curva representa un sistema muy asequible que tiene un bajo rendimiento, mientras que el otro extremo representa un sistema caro con un alto rendimiento. Los puntos a lo largo de la curva representan diferentes proporciones de costo a rendimiento. Al aplicar este marco a las plantas, el equipo definió el costo como la longitud total de las ramas, porque la planta necesita energía y recursos para cultivarlas. Definieron el rendimiento como la suma de las distancias desde la base de la planta hasta cada hoja porque esto representa la distancia que deben recorrer los nutrientes (agua y azúcares) entre la raíz y las hojas.

Para comprender cómo las plantas podrían manejar el equilibrio entre estos dos objetivos, el equipo de Navlakha comenzó con tres cultivos agrícolas valiosos: sorgo, tomate y tabaco. Cultivaron las plantas a partir de semillas en condiciones que las plantas podrían experimentar naturalmente (sombra, luz ambiental, mucha luz, mucho calor y sequía). Cada pocos días durante 20 días, escanearon digitalmente cada planta para capturar su creciente red de ramas, tallos y hojas. En total, tomaron alrededor de 500 escaneos.

“Escanear plantas en tres dimensiones puede llevar bastante tiempo”, dice Adam Conn, asistente de investigación de Salk y primer autor del artículo. "Pero no es invasivo, y una vez que lo haces, puedes descubrir cosas de los datos que no podrías aprender con solo mirar las plantas".

De las versiones digitales de las plantas, el equipo extrajo las coordenadas correspondientes a la base y las hojas de cada planta en el espacio 3D. Usaron las coordenadas para crear y graficar formas de plantas teóricas que priorizan rutas eficientes para nutrientes (rendimiento), longitud mínima de rama (costo) o varias compensaciones entre los dos objetivos.

Sorprendentemente, cuando colocaron las plantas reales en el gráfico de acuerdo con las distancias reales de viaje de los nutrientes y la longitud total de las ramas, las plantas encajaron casi perfectamente en la curva de Pareto, lo que significa que las redes de ramas de las plantas están encontrando el mejor equilibrio entre costo y rendimiento para su entorno particular.

"Nuestra hipótesis era que si la longitud total y la distancia recorrida fueran criterios evolutivos importantes para las plantas, habría una presión evolutiva para minimizar los criterios en conjunto, y eso es realmente lo que encontramos", dice Ullas Pedmale, quien fue investigador postdoctoral en el proyecto y ahora es profesor asistente en Cold Spring Harbor Laboratory.

Curiosamente, las plantas se agruparon por especies, pero dentro de cada especie, las plantas hicieron diferentes compensaciones en función de su entorno de crecimiento. En otras palabras, todos los tomates estaban generalmente en la misma región de la curva, pero los que crecieron con mucha luz encontraron un equilibrio diferente entre costo y rendimiento que los que crecieron con poca luz.

“Esto significa que la forma en que las plantas hacen crecer sus arquitecturas también optimiza una compensación de diseño de red muy común. En función del medio ambiente y la especie, la planta selecciona diferentes formas de hacer concesiones para esas condiciones ambientales particulares”, dice Navlakha. "Al comprender estas compensaciones, podemos ajustar dinámicamente nuestras variedades de cultivos a un clima cambiante".

Profesor y Director del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas joanne chory, quien además de ser presidente de Howard H. y Maryam R. Newman en biología vegetal, también es investigador médico de Howard Hughes y uno de los coautores del artículo, agrega: “Este artículo destaca un nuevo principio que guía el crecimiento y la adaptación de las arquitecturas de las plantas, y plantea nuevas preguntas sobre los mecanismos moleculares que impulsan la formación de patrones, que continuaremos explorando”.

El trabajo fue financiado por la Instituto Médico Howard Hughes, la Departamento de Defensa/Laboratorio de Investigación del Ejército y una Beca de Innovación Salk.