Utilizan luz para estudiar funcionamiento de las plantas

El estrés hídrico genera en las plantas un cúmulo de efectos fisiológicos, bioquímicos y moleculares. Si se prolonga el estrés, el crecimiento de las plantas y la productividad se ven severamente disminuidos. Las plantas han evolucionado una sofisticada red de mecanismos para ajustarse a una variedad de problemas ambientales. Para la biología y la agricultura, es muy importante entenderlos pues esta información sirve para mejorar la tolerancia al estrés de la planta mediante la biotecnología, manteniendo el rendimiento y calidad de los cultivos.

Para estudiar cómo varía el contenido de agua de la planta, los métodos tradicionales toman una muestra fresca de la planta, la pesan, después la secan y la vuelven a pesar, sin embargo, hacerlo de esta manera desencadena una serie de respuestas en la planta que pueden alterar los efectos que se desean estudiar.

Una manera de evitar estos inconvenientes fue propuesta recientemente en Scientific Reports, una publicación de acceso abierto de la revista Nature, por un equipo de científicos del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) en Guanajuato, en el que participó el doctor Enrique Castro Camus,  y del Instituto de Biotecnología de la UNAM (IBt).

El trabajo se basa en el uso de una técnica relativamente nueva llamada espectrometría en terahertz en el dominio del tiempo (THz-TDS, por sus siglas en inglés) que, mediante la irradiación de la planta con cierto tipo de luz, se puede monitorear in vivo y en tiempo real, la dinámica del agua en las plantas sin dañarlas, incluso sin tocarlas y por lo tanto, sin generar en ellas algún efecto indeseado, como ocurre con los métodos tradicionales.

La luz terahertz o rayos T, incluye a una porción del espectro electromagnético que está entre las frecuencias de microondas y del infrarrojo. Así como los rayos X, la luz ultravioleta y otros tipos de radiación, los rayos T pueden penetrar algunos materiales, pero otros, como el agua, lo absorben e impiden su paso de manera que cuando se registran las señales en un detector, éstas se traducen a imágenes opacas, facilitando así, la distinción entre objetos con agua y los que no.

Los investigadores aprovecharon esta característica para monitorear los efectos de diferentes tipos de estímulos en la dinámica del agua en Arabidopsis thaliana -una hierba empleada ampliamente en la biología como organismo modelo- utilizando un espectrómetro de terahertz. Este aparato genera en una parte pulsos ultracortos de luz láser que son convertidos a pulsos de terahertz. Los pulsos se colectan y re-enfocan sobre la parte de la planta a estudiar -en este caso, sobre la hoja de la planta. La radiación de terahertz que se transmite a través del tejido se colecta y vuelve a enfocar en un detector, señal que se traduce en información sobre el contenido de agua.

Un primer experimento consistió en comparar lo que sucedía cuando, bajo un riego limitado, se ponía a la planta en dos sustratos con diferentes capacidades de retención del líquido: uno parecido al tezontle, con pequeñas piedritas, de fácil deshidratación, y otro parecido a la tierra del bosque, con una alta capacidad de retención de la humedad.

Lo que observaron fue que las plantas que crecían en el sustrato parecido al tezontle, mantenían el líquido por unas horas pero en determinado momento, mostraban una rápida deshidratación; mientras que las plantas que crecían en el sustrato alto en humedad, la tasa de pérdida de agua era mucho más lenta y constante.

“Esto nos muestra que la planta desempeña un papel activo para enfrentar condiciones de restricción del líquido.  Esto tiene que ver con que la parte por la cual más pierden agua es a través de las hojas, para la planta lo más importante no es mantener vivas las hojas sino la raíz. Cuando el agua está limitada en el sustrato, la planta activa mecanismos para retenerla en sus tejidos, pero llega un punto en que le es insostenible y colapsa”, comentó el doctor en física de la materia condensada por la Universidad de Oxford, Inglaterra.

Otro de los objetivos fue estudiar los cambios en el contenido de agua de las hojas durante los periodos naturales de luz y oscuridad, así como por los efectos de una hormona llamada ABA (ácido absícico), la cual participa en la respuesta adaptativa de las plantas frente a diferentes tipos de estrés, como el hídrico.

En la dermis de las plantas hay cientos de poros llamados estomas, a través de los cuales intercambian gases y vapor de agua con la atmósfera; la mayoría de las plantas los tienen abiertos durante el día -para realizar la fotosíntesis- y cerrados por la noche -para evitar la deshidratación.

Los investigadores observaron que poco a poco, conforme anochece, los estomas se cierran y por lo tanto, la planta empieza a acumular un poco más de agua, pero cuando se enciende la luz, los estomas se abren y, debido al exceso de agua en el tejido respecto a la atmósfera, el líquido sale hacia el exterior.

“Este método (THz-TDS) no solo nos permite hacer la medición in vivo, sin estresar a la planta, que son ventajas ya de por sí muy útiles, sino que además nos permite hacer la medición mucho más precisa, podemos ver cambios mucho más sutiles que se sabía de ellos de manera indirecta y midiendo otros parámetros del funcionamiento de la planta, con los métodos tradicionales”, afirmó el miembro de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC).

También se probó qué pasaba cuando a las plantas se les rociaba con ABA y forzaron a que se cerraran los estomas. Lo que vio el equipo de científicos fue un efecto muy parecido al de los ciclos luz-oscuridad en el que sube la hidratación y al cabo de un rato se empiezan a abrir otra vez, por lo que el nivel de hidratación vuelve a descender al poco tiempo de recibir este estímulo.

“Anteriormente se había utilizado esta técnica para estudiar la dinámica del agua, pero un estudio con una planta viva bajo diferentes condiciones de estrés y tipos de estímulos, no se había hecho. Nuestro trabajo valida una técnica y provee a la comunidad biológica de una herramienta para estudiar la dinámica de deshidratación de tejidos, permite hacer estos seguimientos segundo a segundo, algo impensable con los métodos tradicionales”.

Enrique Castro Camus añadió que este método permitirá, por ejemplo, identificar especies de relevancia alimenticia que, bajo condiciones de estrés hídrico, requieren menos irrigación y, por lo tanto, podrían hacer productivos territorios agrícolas que hoy en día no lo son.

En la actualidad la tecnología resulta todavía cara, reconoció, sin embargo su desarrollo a nivel industrial y con fines de investigación abre la posibilidad de que los costos disminuyan drásticamente en los años siguientes.

El equipo de investigadores  que elaboró el artículo lo integraron,  además del doctor Castro Camus, del CIO; el estudiante de posgrado Víctor Palomar y la investigadora Alejandra Covarrubias Robles, ambos del IBt, esta última también integrante de la AMC.

(AMC)