Cómo la luz y la temperatura trabajan juntas para afectar el crecimiento de las plantas

Cómo la luz y la temperatura trabajan juntas para afectar el crecimiento de las plantas

Los hallazgos pueden ayudar a los científicos a desarrollar plantas más resistentes para ayudar a resistir el cambio climático.

LA JOLLA—Las plantas se alargan y doblan para asegurar el acceso a la luz solar. A pesar de observar este fenómeno durante siglos, los científicos no lo comprenden completamente. Ahora, los científicos de Salk han descubierto que dos factores vegetales, la proteína PIF7 y la auxina de la hormona del crecimiento, son los desencadenantes que aceleran el crecimiento cuando las plantas están bajo la sombra del dosel y se exponen a temperaturas cálidas al mismo tiempo.

Los resultados, publicados en Nature Communications el 29 de agosto de 2022, ayudará a los científicos a predecir cómo las plantas responderán al cambio climático y aumentarán la productividad de los cultivos a pesar del aumento de la temperatura global que perjudica el rendimiento.

"En este momento, cultivamos cultivos en ciertas densidades, pero nuestros hallazgos indican que tendremos que reducir estas densidades para optimizar el crecimiento a medida que cambia nuestro clima", dice el autor principal, el profesor joanne chory, director del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. "Comprender la base molecular de cómo las plantas responden a la luz y la temperatura nos permitirá ajustar la densidad de los cultivos de una manera específica que conduce a los mejores rendimientos".

Durante la brotación, las plántulas alargan rápidamente sus tallos para atravesar el suelo que las cubre y capturar la luz del sol lo más rápido posible. Normalmente, el tallo ralentiza su crecimiento tras la exposición a la luz solar. Pero el tallo puede volver a alargarse rápidamente si la planta compite con las plantas circundantes por la luz solar, o en respuesta a temperaturas cálidas para aumentar la distancia entre el suelo caliente y las hojas de la planta. Si bien ambas condiciones ambientales (sombra del dosel y temperaturas cálidas) inducen el crecimiento del tallo, también reducen el rendimiento.

En este estudio, los científicos compararon plantas que crecían a la sombra del dosel y temperaturas cálidas al mismo tiempo, una condición que imita la alta densidad de cultivos y el cambio climático. Los científicos utilizaron la planta modelo arabidopsis thaliana, así como el tomate y un pariente cercano del tabaco, porque estaban interesados ​​en ver si las tres especies de plantas se veían afectadas de manera similar por esta condición ambiental.

En las tres especies, el equipo descubrió que las plantas crecían extremadamente altas cuando al mismo tiempo intentaban evitar la sombra creada por las plantas vecinas y estaban expuestas a temperaturas más cálidas. A nivel molecular, los investigadores descubrieron que el factor de transcripción PIF7, una proteína que ayuda a "activar" y "desactivar" los genes, era el jugador dominante que impulsaba el aumento del crecimiento rápido. También encontraron que la hormona del crecimiento, la auxina, aumentaba cuando los cultivos detectaban plantas vecinas, lo que fomentaba el crecimiento en respuesta a temperaturas más cálidas simultáneas. Esta vía sinérgica de PIF7-auxina permitió que las plantas respondieran a sus entornos y se adaptaran para buscar las mejores condiciones de crecimiento.

Un factor de transcripción relacionado, PIF4, también estimuló el alargamiento del tallo durante temperaturas cálidas. Sin embargo, cuando se combinaron la sombra y el aumento de las temperaturas, este factor dejó de jugar un papel importante.

"Nos sorprendió descubrir que PIF4 no jugó un papel importante porque estudios anteriores han demostrado la importancia de este factor en situaciones de crecimiento relacionadas", dice el primer autor Yogev Burko, investigador del personal de Salk y profesor asistente en la Organización de Investigación Agrícola en el Instituto Volcani en Israel. “El hecho de que PIF7 sea la fuerza impulsora dominante detrás del crecimiento de esta planta fue una verdadera sorpresa. Con este nuevo conocimiento, esperamos afinar esta respuesta de crecimiento en diferentes plantas de cultivo para ayudarlas a adaptarse al cambio climático”.

Los investigadores creen que hay otro jugador, aún por descubrir, que está potenciando el efecto de PIF7 y auxina. Esperan explorar este factor desconocido en estudios futuros. El laboratorio de Burko también estudiará cómo se puede optimizar esta vía en las plantas de cultivo.

“Las temperaturas globales están aumentando, por lo que necesitamos cultivos alimentarios que puedan prosperar en estas nuevas condiciones”, dice Chory, quien codirige la Iniciativa de Aprovechamiento de Plantas de Salk y ocupa la Cátedra Howard H. y Maryam R. Newman en Biología Vegetal. "Hemos identificado factores clave que regulan el crecimiento de las plantas durante las temperaturas cálidas, lo que nos ayudará a desarrollar cultivos de mejor rendimiento para alimentar a las generaciones futuras".

Otros autores incluyeron a Björn Christopher Willige y Adam Seluzicki de Salk; Ondřej Novák de la Universidad Palacký y el Instituto de Botánica Experimental de la Academia Checa de Ciencias; y Karin Ljung de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas.

El trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (5R35GM122604-05_05), el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Knut y Alice Wallenberg (KAW 2016.0341 y KAW 2016.0352), la Agencia Gubernamental Sueca para Sistemas de Innovación (VINNOVA 2016-00504), Becas EMBO ( ALTF 785-2013 y ALTF 1514-2012), BARD (FI-488-13), Human Frontier Science Program (LT000222/2013-L) y Pioneer Postdoctoral Endowment Fund de Salk.

DOI: 10.1038/s41467-022-32585-6