En todos los cultivos, la disponibilidad de la luz para la fotosíntesis puede fluctuar inmensamente. Sin embargo, para la investigación, las plantas suelen cultivarse bajo una iluminación estable, que no refleja las condiciones naturales. Esto ha supuesto que nuestro conocimiento actual de la fotosíntesis bajo condiciones de luz dinámica natural sea escaso, suponiendo una importante limitación para mejorar la productividad de los cultivos en el campo.
En una serie de experimentos con condiciones lumínicas cambiantes, que simulan la interacción natural de luz y sombra, investigadores del Instituto Max Planck e Fisiología Molecular de Plantas de Potsdam-Golm (Alemania) y de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU.), han mostrado la importancia de dos proteínas transportadoras de iones claves para el control dinámico de la fotosíntesis.
Los resultados de la investigación muestran que tanto la cantidad de luz que recibe una planta como la frecuencia de las fluctuaciones lumínicas tienen una gran influencia en la función de los dos transportadores de iones.
Regulación de la fotosíntesis ante condiciones de luz cambiantes
Las plantas realizan la fotosíntesis para crecer. En este proceso utilizan la energía de la luz solar, liberan oxígeno y producen hidratos de carbono, que son el recurso alimentario básico de todos los seres humanos y de casi todos los animales de la Tierra. En condiciones naturales, la disponibilidad de luz puede cambiar rápidamente en muy poco tiempo. Una de las razones principales son las nubes, que proporcionan luz y sombra cuando pasan por delante del sol. Las hojas y ramas de las plantas también pueden proporcionar sombra temporalmente cuando las mueve el viento. Las plantas no pueden pasar de la sombra al sol cuando la luz es limitada y, a la inversa, no pueden evadirse del sol a la sombra cuando están expuestas a demasiada luz solar. Tienen que responder a las condiciones cambiantes de la luz de otras maneras.
Al igual que para los humanos, demasiada luz solar es perjudicial para las plantas. En particular, un cambio rápido entre luz tenue e intensa es problemático. Al igual que la retina de nuestros ojos, las plantas utilizan moléculas en sus hojas para capturar partículas de luz. Cuando la luz es escasa, estas trampas de luz son muy eficaces para captar la mayor cantidad posible de luz escasa. Si las condiciones de luz cambian repentinamente, puede llegar a la planta demasiada energía luminosa. Esta energía puede sobrecargar o dañar el sensible aparato fotosintético del interior de las células vegetales. Por consiguiente, las plantas tienen que adaptar constantemente su actividad fotosintética a las condiciones ambientales para, por un lado, obtener el máximo rendimiento lumínico y, por otro, evitar verse perjudicadas por un exceso de luz.
Hasta la fecha, las plantas en invernaderos y laboratorios se cultivan casi exclusivamente en condiciones de luz estables y uniformes. Por lo tanto, nuestra comprensión de cómo funciona la adaptación a condiciones de luz cambiantes es muy limitada. En el peor de los casos, esto puede dar lugar a plantas que crecen bien en laboratorios e invernaderos pero que, de repente, se comportan mucho peor de lo esperado cuando se cultivan en el campo.
Para comprender todos estos aspectos, los investigadores Ute Armbruster, del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas de Potsdam-Golm, y David Kramer, de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU.), examinaron la planta modelo Arabidopsis thaliana, cultivándola en una amplia variedad de condiciones, como luz estática, fluctuante y natural.
El estudio se centró en dos proteínas transportadoras de iones llamadas VCCN1 y KEA3 que desempeñan un papel clave en el ajuste dinámico del rendimiento fotosintético. Por estudios anteriores se sabe que VCCN1 activa la protección solar si la luz se vuelve repentinamente demasiado intensa. Cuando la intensidad de la luz disminuye, la segunda proteína KEA3 rompe rápidamente esta protección solar para que la planta pueda captar de nuevo más luz. Sin embargo, las dos proteínas VCCN1 y KEA3 nunca se han examinado en condiciones de luz realistas.
Los investigadores utilizaron un nuevo método innovador para medir la fotosíntesis en combinación con un uso selectivo de desactivadores génicos, es decir, plantas cuyos genes para VCCN1 y KEA3 han sido desactivados. Demostraron que las actividades de las proteínas VCCN1 y KEA3 dependen de las condiciones de luz en las que crecieron las plantas.
Siguiendo las sugerencias de la Dra. Karin Köhl, jefa del Grupo de Infraestructuras de Cultivo de Plantas, los investigadores se centraron en el análisis de dos factores lumínicos relacionados con el crecimiento y pudieron demostrar que tanto la cantidad de luz que recibe una planta como la frecuencia de las fluctuaciones lumínicas tienen una gran influencia en la función de los dos transportadores de iones.
La función protectora de VCCN1 sólo es importante en plantas cultivadas previamente con poca luz. Por otro lado, KEA3, que suprime la protección, era incluso activo en periodos de luz alta cuando las plantas se cultivaban en condiciones con intensidades de luz elevadas.
La protección solar también depende del grado de fluctuación de la luz al que están expuestas las plantas. Cuando las condiciones de luz cambian significativamente, las plantas producen el pigmento naranja zeaxantina, que también interviene en la protección solar. La producción de este protector solar también se ve suprimida por la KEA3 en condiciones de mucha luz.
“Nuestro estudio demuestra que no debemos considerar por separado el efecto de la luz en el crecimiento y las respuestas rápidas a las fluctuaciones de luz. La integración de múltiples escalas temporales y niveles metabólicos de forma cada vez más compleja será un importante reto futuro para la investigación de cultivos. Esto aportará ideas clave para mejorar el rendimiento de los cultivos en el campo”, explica la autora principal del estudio, Thekla von Bismarck.
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