Las plantas se alargan y doblan para asegurarse acceso a la luz solar. Estas monitorean continuamente el entorno circundante y ajustan sus programas de crecimiento y desarrollo en consecuencia. En respuesta a una condición no óptima, como un aumento de la temperatura ambiente o un cambio en la calidad de la luz, un signo de la vegetación cercana, las plantas promoverán la elongación del tallo y florecerán temprano. A pesar de haber observado este fenómeno durante siglos, y que observamos como algo normal, los científicos no lo entienden del todo.

Científicos de la Universidad de Salk han descubierto que dos factores vegetales, la proteina PIF7 y la hormona del crecimiento auxina, son los desencadenantes que aceleran el crecimiento cuando las plantas están a la sombra y expuestas a temperaturas cálidas al mismo tiempo.

Los hallazgos, publicados en Nature Communications el 29 de agosto, ayudarán a los científicos a predecir cómo responderán las plantas al cambio climático y aumentar la producción de los cultivos a pesar del aumento de la temperatura global, que es perjudicial para el rendimiento.

“Ahora mismo, cultivamos en determinades densidades, pero nuestros hallazgos indican que tendremos que reducirlas para optimizar el crecimiento a medida que cambia el clima. Comprender las bases moleculares de la respuesta de las plantas a la luz y la temperatura nos permitirá afinar la densidad correcta de los cultivos de una manera específica que conduzca a mejores rendimientos”, explica la autora principal del paper, la profesora Joanne Chory, directora del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk e investigadora del Instituto Médico Howard Hughes.

Evitación de sombra y Termomorfogénesis

Las plantas evolucionaron con una flexibilidad única para regular su crecimiento en respuesta a los cambios ambientales. Justos después de la germinación, alargan rápidamente su tallo embrionario para emerger del suelo y capturar la luz los más rápido posible. Una vez que detectan la luz, la tasa de elongación disminuye, asegurando una estructura estable para soportar la planta madura. 

Sin embargo, esta tasa de elongación puede aumentar principalmente por dos causas. Una de ellas tiene que ver con la necesidad de la planta de superar la vegetación circundante. En este proceso, denominado como respuesta a la evitación de sombra, las plantas pueden detectar la proximidad de otras plantas al percibir un cambio en relación entre la luz roja y la luz roja-lejana (R/FR) debido a la luz FR reflejada de las plantas vecinas. La otra, tiene que ver con el aumento de las temperaturas ambientes, conocida como termomorfogénesis. 

En los últimos años, muchos estudios combinaron diferentes condiciones ambientales para imitar el medio ambiente natural y examinar los efectos en el crecimiento. Se encontró que la sombra (bajo R/FR) y la temperatura interactúan fuertemente y la combinación de R/FR bajo y temperatura cálida dio lugar a plantas más largas que cualquiera de las condiciones individuales. 

Aunque ambas condiciones ambientales, inducen al crecimiento del tallo, también reducen el rendimiento de los cultivos. Es por ello que esta interacción es particularmente importante dado el aumento previsto de la temperatura ambiente debido al calentamiento global y que es probable que los cultivos que crecen en condiciones de campo sientan ambas señales simultáneamente. 

En este nuevo estudio, los científicos compararon las plantas que crecían a la sombra y a temperaturas cálidas al mismo tiempo, una condición que imite la alta densidad de cultivos y el cambio climático. Los científicos utilizaron la planta Arabidopsis Thaliana como modelo, así como el tomate y un pariente cercano del tomate, porque estaban interesados en comprobar si las tres especies de plantas se veían afectadas de forma similar por esta condición ambiental.

Resultados

En las tres especies, el equipo descubrió que las plantas crecían mucho cuando trataban de 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 ‘encender’ y ‘apagar’ los genes, era el actor dominante que impulsaba el aumento del crecimiento rápido. También descubrieron que la hormona del crecimiento auxina aumentaba cuando los cultivos detectaban plantas vecinas, lo que fomentaba el crecimiento en respuesta a las temperaturas simultáneamente más cálidas. Esta vía sinérgica PIF7-auxina permitió a las plantas responder a su entorno y adaptarse para buscar las mejores condiciones de crecimiento.

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

“Nos sorprendió descubrir que el PIF4 no desempeñaba un papel importante porque estudios anteriores habían demostrado la importancia de este factor en situaciones de crecimiento relacionadas. El hecho de que el PIF7 sea la fuerza motriz dominante de este crecimiento vegetal fue una verdadera sorpresa. Con este nuevo conocimiento, esperamos afinar esta respuesta de crecimiento en diferentes plantas de cultivos para ayudarlas adaptarse al cambio climático”, detalla Yogev Burko, también primer autor del paper, e investigador del personal de Salk y profesor adjunto de la Organización de Investigación Agrícola del Instituto Volcani de Israel.

Imagen: Células de Arabidopsis thaliana (arriba) y plántulas (abajo) en diferentes condiciones de luz y temperatura. Las plántulas fotografiadas en el extremo derecho muestran un crecimiento acelerado en respuesta a la sombra y las temperaturas cálidas. Créditos imagen: Salk Institute courtesy of Nature Communications

Los investigadores creen que hay otro actor, aún por descubrir, que potencia el efecto de PIF7 y la auxina. Esperan explorar este factor desconocido en futuros estudios. El laboratorio de Burko también estudiará cómo puede optimizarse 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. 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”, concluye Chory, que también codirige la Iniciativa Harnessing Plants de Salk.

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