Investigadores de la Universidad de Standford han demostrado cómo una vía hormonal en las plantas regula la forma en que las hojas construyen su capa epidérmica con la cantidad correcta de poros respiratorios, dando a las plantas una estrategia para optimizar su productividad teniendo en cuenta los cambios en el medioambiente. Este trabajo abre una nueva vía para el desarrollo de plantas mejoradas para mayor productividad en ambientes adversos.
A medida que el mundo se calienta, las plantas se enfrentan a un dilema: los mismos pequeños agujeros que tienen que abrir para intercambiar gases también dejan escapar el agua. Pueden cerrar los agujeros (llamados estomas) para mantenerse hidratados en condiciones más calientes y secas, pero, al hacerlo, pueden perder la entrada del importante dióxido de carbono.
La pregunta para el laboratorio de Bergmann en la Universidad de Stanford es cómo se desarrollará este dilema a medida que porciones cada vez mayores de las plantas del mundo experimenten entornos consistentemente más cálidos y secos. Calcular eso requirió que el grupo diera un paso atrás y entendiera mejor cómo las plantas regulan la cantidad de estomas que desarrolla cada hoja. La respuesta no solo sugiere oportunidades para que las plantas mejoradas por ingeniería genética soporten el cambio climático, sino que también ha descubierto un proceso previamente desconocido mediante el cual las plantas ajustan la cantidad de estomas que construyen.
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«Sería realmente bueno poder predecir mejor cómo reaccionará la vegetación (como los bosques boreales) ante los cambios globales del clima. Los cambios en el desarrollo de los estomas son un tipo de mecanismo que las plantas probablemente utilizan para adaptarse cuando el ambiente cambia, pero tenemos mucho más para aprender sobre él «, dijo Anne Vatén, una becaria postdoctoral en el laboratorio de Dominique Bergmann, profesora de biología en la Facultad de Humanidades y Ciencias de la Universidad de Stanford.
En un estudio publicado el 6 de septiembre en Developmental Cell, los investigadores determinaron qué hormona en la planta modelo Arabidopsis thaliana coordina la cantidad de estomas que produce la planta. Además, ajustaron los niveles de esa hormona en la planta (utilizando la tecnología de edición de genes conocida como CRISPR/Cas9) para tener una idea de hasta qué punto esta hormona puede aumentar o disminuir la presencia de estomas.
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Observar el desarrollo de estomas
El grupo comenzó examinando la influencia de la citoquinina, una importante hormona vegetal que durante mucho tiempo se pensó que influiría en el desarrollo estomático y lo coordinaría con otros procesos que ocurren en toda la planta. Vatén, quien es la autora principal del estudio, analizó el genoma completo de A. thaliana y confirmó que los genes asociados con la citoquinina eran realmente muy activos en las células que estaban a punto de convertirse en estomas. Luego, al aumentar o disminuir los niveles de esta hormona en células específicas en cientos de plantas de laboratorio, los investigadores descubrieron que podían alterar sutilmente la cantidad de estomas que producía la planta.
Lo que es más, rastrearon precisamente cómo funciona la citoquinina en este contexto. Activa un gen llamado SPEECHLESS que pone a las células en el camino hacia convertirse en estomas. Pero este camino no es directo: los primeros pasos implican divisiones parecidas a células madre que son capaces de expandir el conjunto de células destinadas a estomas. A través de sus experimentos, los investigadores encontraron que mientras SPEECHLESS empujaba a más células a convertirse en estomas, también activaba cuatro proteínas que estrangulaban la capacidad de las células para responder a la citoquinina.
A pesar de que los niveles cambiantes de citoquinina afectaron consistentemente a los estomas, los investigadores encontraron que el efecto nunca fue muy dramático. Por ejemplo, eliminando por completo las proteínas que identificaron, solo cambiaron los números de los estomas en un 10%. Con este hallazgo, el grupo sintió curiosidad por saber si el aumento moderado del 10% en los estomas era significativo. Refiriéndose a investigaciones previas sobre el cultivo de plantas en ambientes extremos, Bergmann notó experimentos en los que los científicos duplicaron los niveles normales de dióxido de carbono en la atmósfera de las plantas y observaron el efecto sobre los estomas. En estudios que incluyeron cientos de individuos que representaban a docenas de especies, la respuesta fue disminuir la cantidad de estomas en sus hojas, en promedio, en alrededor del 9%.
«Fue un descubrimiento realmente satisfactorio», dijo Bergmann, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y autor principal del artículo. «Fue genial poder decir que los cambios que vemos en los números estomáticos cuando las plantas pierden la capacidad de utilizar el sistema citoquinina-SPEECHLESS se encuentran en el ámbito de la cantidad de plantas que normalmente cambian para hacer frente a un cambio ambiental».
CRISPR y cambio climático
Los investigadores utilizaron la tecnología de edición de genes conocida como CRISPR/Cas9 para alterar con precisión genes individuales en sus plantas para aumentar y disminuir los niveles de citoquininas. Esta tecnología es muy prometedora para poder hacer pequeños cambios dirigidos a mejorar la capacidad de las plantas para resistir los efectos del cambio climático, dijeron los investigadores. Sin embargo, recientemente la Unión Europea decidió que las plantas modificadas a través de CRISPR deberían estar sujetas a las mismas leyes estrictas que las plantas modificadas a través de métodos más antiguos y menos precisos de ingeniería genética (los famosos y polémicos cultivos transgénicos). La experiencia de Bergmann con ambos le hace cuestionar esa decisión, especialmente, dijo ella, porque las plantas sujetas a mutagénesis (un procedimiento mucho más antiguo y mucho más invasivo) están exentos de regulación.
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«Es importante discutir cómo se cambia la información genética de forma natural y mediante diversas técnicas como CRISPR/Cas9, y para que los científicos pongan el énfasis en mejorar las plantas más en beneficio de las personas que las ganancias corporativas», dijo Bergmann, «pero creo que el actual fallo de la UE es corto de miras».
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En la línea de la medicina personalizada, los investigadores predicen que los biólogos de plantas estarán cada vez más interesados en los pequeños cambios que los científicos pueden producir en las plantas a través de la edición genética.
El siguiente paso de este trabajo será ver cómo la hormona citoquinina relaciona el desarrollo de los estomas con el del sistema vascular y con cambios ambientales específicos, como la sequía. Mientras tanto, el laboratorio Bergmann ya está analizando cómo otras hormonas vegetales regulan los estomas.