Entre la luz y la oscuridad: cómo las plantas optimizan la fotosíntesis bajo condiciones de luz cambiantes

23. Noviembre 2022

Para la investigación, las plantas se cultivan con frecuencia bajo una iluminación estable, que no refleja las condiciones naturales. En una serie de experimentos con condiciones de luz cambiantes, simulando la interacción natural de luces y sombras, investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Potsdam-Golm (Alemania) y la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU.) revelaron la importancia de dos proteínas clave para el control dinámico de la fotosíntesis. El estudio fue publicado recientemente en la revistaNew Phytologist.

Las plantas realizan la fotosíntesis para crecer. En este proceso utilizan la energía de la luz solar, liberan oxígeno y producen carbohidratos, que son el recurso alimenticio básico para todos los seres humanos y casi todos los animales de la tierra. En condiciones naturales, la disponibilidad de luz puede cambiar rápidamente en muy poco tiempo.

Una de las principales razones son las nubes que proporcionan luz y sombra a medida que pasan frente al sol. Las hojas y ramas de las plantas también pueden proporcionar sombra temporalmente cuando son movidas por el viento. Las plantas no pueden moverse de sombra a sol cuando la luz es limitada y, a la inversa, no pueden evadir de sol en sombra cuando se exponen a demasiada luz solar. Tienen que responder a las condicionescambiantes de 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 en nuestros ojos, las plantas usan moléculas en sus hojas para capturar partículas de luz. Cuando la luz es baja, estas trampas de luz son muy eficientes para captar la mayor cantidad posible de luz baja.

Si las condiciones de luz cambian repentinamente, demasiada energía lumínica podría llegar a la planta. Esta energía puede sobrecargar o dañar el aparato fotosintético sensible dentro de las células vegetales. En consecuencia, las plantas tienen que adaptar constantemente su actividad fotosintética a sus condiciones ambientales para obtener el máximo rendimiento de luz, por un lado, pero evitar ser dañadas por demasiada luz, por otro lado.

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 las condiciones cambiantes de luz es muy limitada. En el peor de los casos, esto puede llevar a que las plantas crezcan bien en laboratorios e invernaderos, pero de repente funcionan mucho peor de lo esperado cuando se cultivan en el campo.

Ute Armbruster del MPI-MP en 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 para su estudio. Las plantas se cultivaron bajo una amplia variedad de condiciones, incluyendo luz estática, fluctuante y natural.

El estudio se centró en dos proteínas de transporte de iones llamadas VCCN1 y KEA3 que desempeñan un papel clave en el ajuste dinámico del rendimiento fotosintético. Se sabe por estudios anteriores que VCCN1 activa la protección solar si la luz de repente se vuelve demasiado fuerte. Cuando la intensidad de la luz disminuye, la segunda proteína KEA3 descompone rápidamente esta protección solar para que la planta pueda captar más luz nuevamente. Sin embargo, las dos proteínas VCCN1 y KEA3 nunca han sido examinadas bajo condiciones de luz realistas.

Los investigadores utilizaron un nuevo enfoque innovador para medir la fotosíntesis en combinación con un uso específico de genes knockouts, es decir, plantas cuyos genes para VCCN1 y KEA3 se han desactivado. Muestran que las actividades de las proteínas VCCN1 y KEA3 dependen de las condiciones de luz en las que se criaron las plantas.

Karin Köhl, los investigadores se centraron en dos factores de luz relacionados con el crecimiento en el análisis y pudieron demostrar que tanto la cantidad de luz que recibe una planta como la frecuencia de las fluctuaciones de luz tienen una fuerte influencia en la función de los dos transportadores de iones. La función protectora de VCCN1 solo es importante en plantas previamente cultivadas con poca luz.

Por otro lado, KEA3, que elimina la protección, incluso estuvo activo en períodos de mucha luz cuando las plantas se cultivaron en condiciones con intensidades de luz elevadas. La protección solar también depende del grado de fluctuaciones de luz a las que están expuestas las plantas. Cuando las condiciones de luz cambian significativamente, las plantas producen el pigmento naranja zeaxantina, que también está involucrado en la protección solar. La producción de este protector solar también es suprimida por KEA3 en condiciones de alta luz.

"Nuestro estudio muestra que no debemos observar por separado el efecto de la luz de crecimiento y las respuestas rápidas a las fluctuaciones de luz", dijo la autora principal del estudio, Thekla von Bismarck. "La integración de múltiples escalas de tiempo y niveles metabólicos de una manera cada vez más compleja será un gran desafío futuro para la investigación de cultivos. Esto proporcionará ideas clave para mejorar los rendimientos de los cultivos en el campo".