La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas crecen. Usan la luz solar para generar energía, liberar oxígeno y producir carbohidratos, que son la principal fuente de alimento para todos los humanos y casi todos los animales del planeta. La disponibilidad de luz puede cambiar drásticamente en un corto período de tiempo en condiciones naturales.
Las nubes, que proporcionan luz y sombra cuando pasan frente al sol, son una de las razones principales. Las hojas y ramas de las plantas también pueden proporcionar sombra temporal cuando las mueve el viento. Las plantas no pueden moverse de la sombra al sol cuando la luz es escasa, y no pueden moverse del sol a la sombra cuando están expuestas a una luz solar excesiva. Deben adaptarse a las condiciones de iluminación cambiantes de otras maneras. Las plantas generalmente se cultivan bajo iluminación continua con fines de investigación, lo que no reproduce las condiciones al aire libre.
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Según un estudio publicado en la revista ‘New Phytologist’, 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.) demuestran la importancia de dos claves proteínas para el control dinámico de la fotosíntesis en una serie de experimentos con condiciones de luz cambiantes, simulando la interacción natural de luces y sombras.
Al igual que para los humanos, demasiada luz solar es dañina 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 usan moléculas en sus hojas para capturar partículas de luz. Cuando la luz es baja, estas trampas de luz son muy eficientes para capturar la mayor cantidad posible de luz baja. Si las condiciones de luz cambian repentinamente, demasiada energía luminosa podría llegar a la planta. Esta energía puede sobrecargar o dañar el sensible aparato fotosintético 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.
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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 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.
Regulación de la fotosíntesis bajo condiciones de luz cambiantes
Los investigadores de Ute Armbruster del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas 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 en una amplia variedad de condiciones, incluida la luz estática, fluctuante y natural. El estudio se centró en dos proteínas de transporte de iones denominadas 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 se han examinado en condiciones de luz realistas.
Los investigadores utilizaron un nuevo enfoque innovador para medir la fotosíntesis en combinación con un uso específico de genes inactivados, 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. Siguiendo las sugerencias de la jefa del Grupo de Infraestructura de Cultivo de Plantas, la Dra. Karin Kohl, 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 la 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, estuvo activo incluso 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 participa en la protección solar.
La producción de este protector solar también es suprimida por KEA3 en condiciones de mucha luz. “Nuestro estudio muestra que no debemos mirar 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, y agregó , “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 el rendimiento de los cultivos en el campo”.
