La clorofila, el pigmento verde que se encuentra en las plantas y las algas, emite una tenue luz roja y roja lejana (650 – 850 nm) cuando se ilumina durante la fotosíntesis. Esta llamada fluorescencia de la clorofila-a (ChlaF) transmite información sobre la tasa instantánea de fotosíntesis, lo que proporciona una “ventana óptica” que permite seguir el estado funcional y de salud de las plantas.
Aunque los métodos para medir e interpretar la fluorescencia de la clorofila-a a nivel foliar y subcelular existen desde hace décadas, sólo recientemente la fluorescencia de la clorofila (conocida como fluorescencia inducida por el sol, SIF, por sus siglas en inglés) puede estimarse y visualizarse a escala de ecosistema y regional.
Las mediciones de SIF más avanzadas se realizan con sensores ópticos hiperespectrales montados en torres, drones, aviones e incluso satélites. Por ejemplo, la misión del satélite FLuorescence EXplorer (FLEX) de la Agencia Espacial Europea tiene previsto su lanzamiento en 2024 y proporcionará mapas globales del SIF con una resolución de unos cientos de metros.
Estos avances abren el camino a múltiples aplicaciones científicas y comerciales relacionadas con la ecofisiología vegetal, ecología, biogeoquímica, así como en agricultura y silvicultura de precisión.
“El SIF abre la posibilidad de realizar estudios de fotosíntesis espaciales y en 3D sobre el terreno. Esto ayudará a resolver antiguas cuestiones de investigación relacionadas con la dinámica fotosintética de las diferentes partes de una planta o ecosistema en condiciones reales. El SIF también puede aplicarse a la fenotipificación fisiológica y a la detección previa del estrés, lo que constituye una poderosa herramienta para la próxima generación de prácticas de gestión de bosques y cultivos”, afirma Albert Porcar-Castell de la Universidad de Helsinki (Finlandia), y autor de un reciente paper donde se estudia en detalle la fluorescenica a la clorofila-a y el potencial del SIF, recientemente publicado en “Nature”
Con el SIF tenemos ahora, por tanto, el potencial de iluminar el camino que conecta la biología molecular de las plantas con la ciencia de los sistemas terrestres. Sin embargo, antes de que se pueda aprovechar todo el potencial de las observaciones del SIF a múltiples escalas, hay que superar una serie de retos.
“La extracción de la información contenida en la señal SIF requiere una comprensión fundamental y una descripción cuantitativa de los procesos que conectan el ChlaF medido con la fotosíntesis, así como su variación en el espacio y el tiempo. Se necesitan, por tanto, nuevos datos, protocolos y modelos para interpretar el SIF y salvar la brecha entre los procesos moleculares, es decir la fotosíntesis, y las imágenes del satélite”, se señala en el paper, donde se establecen 7 principales retos a abordar:
- Desafío 1: APARg. El denominador común entre la ChlaF y la captación fotosintética de CO2 es el flujo de radiación fotosintéticamente activa (PAR) absorbida por los pigmentos fotosintéticos (APARg; g se refiere al verde del pigmento), que proporciona la base para la conexión mecanística entre la SIF y la fotosíntesis.
- Desafío 2: distribución de la energía de excitación entre PSI (centros de reacción del fotosistema I)
- Desafío 3: reparto de energía en el PSII (centros de reacción del fotosistema II)
- Desafío 4: sumideros de energía alternativos
- Desafío 5: dispersión, reabsorción y geometría de medición de ChlaF en la hoja y en el dosel
- Desafío 6: absorción y dispersión atmosférica
- Desafío 7: integración de los controles de la SIF en el espacio y el tiempo
Aplicaciones emergentes y potenciales del SIF
Los datos del SIF por satélite ya están proporcionando nuevos conocimientos sobre la dinámica fotosintética a escala global. Asimismo, con la llegada de las mediciones SIF multiescala y a medida que se superan los desafíos restantes está surgiendo una gama de aplicaciones SIF en los campos de la bioquímica, la biofísica, la ecología, la ecofisiología, la biogeoquímica, la agricultura y la silvicultura. En el estudio se señalan cuatro ejemplos de aplicaciones potenciales y emergentes del SIF:
- Fotosíntesis espacial y 3D.
- Fenotipado fisiológico y detección de estrés pre-visual.
- Diversidad funcional de las plantas y ecología espacial.
- Estudios del ciclo del carbono y del agua.
“Históricamente, la investigación de la fotosíntesis ha sido un esfuerzo multidisciplinar, con avances en el siglo XX que surgieron de la colaboración entre químicos, biólogos y físicos. Ahora estamos entrando en una nueva era de observaciones multiescalares de la fotosíntesis que requiere que el entorno de investigación interdisciplinar florezca aún más, esta vez para resolver la conexión mecánica entre el SIF y la GPP (productividad primaria bruta) y para escalarla a través del espacio y el tiempo. La tecnología para medir la SIF se está desarrollando a un ritmo más rápido que nuestra capacidad para interpretar los datos adquiridos. Con los retos, la hoja de ruta y las oportunidades que se presentan aquí, esperamos animar a más científicos a unirse a la búsqueda multidisciplinar para revelar el verdadero potencial de la observación del SIF”, concluyen los investigadores en el Paper.
Puede acceder a todos los resultados de la investigación, consultado el paper recientemente publicado en “Nature”:
https://www.nature.com/articles/s41477-021-00980-4
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