Cómo las plantas miden su absorción de dióxido de carbono

Cuando el agua es escasa, las plantas pueden cerrar sus poros para evitar perder demasiada agua. Esto les permite sobrevivir incluso a períodos más largos de sequía, pero con la mayoría de los poros cerrados, la absorción de dióxido de carbono también es limitada, lo que perjudica el rendimiento fotosintético y, por lo tanto, el crecimiento y el rendimiento de las plantas.

Las plantas realizan un acto de equilibrio, navegando entre secarse y morir de hambre en condiciones secas, a través de una elaborada red de sensores. Un equipo internacional de científicos de plantas dirigido por Rainer Hedrich, un biofísico de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Baviera, Alemania, ha identificado estos sensores. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Plants .

Las microválvulas controlan la fotosíntesis y el suministro de agua.

Cuando la luz es abundante, las plantas abren los poros de sus hojas para absorber dióxido de carbono (CO 2 ) que luego convierten en carbohidratos en un proceso llamado fotosíntesis. Al mismo tiempo, escapa cien veces más agua a través de las microválvulas que el dióxido de carbono.

Esto no es un problema cuando hay suficiente agua disponible, pero cuando los suelos se resecan a mediados del verano, la planta necesita cambiar al modo ecológico para ahorrar agua. Luego, las plantas solo abrirán sus poros para realizar la fotosíntesis durante el tiempo que sea necesario para sobrevivir. La apertura y cierre de los poros se logra a través de celdas de protección especializadas que rodean cada poro en pares. Las unidades compuestas de poros y células de guardia se denominan estomas.

Las celdas de guardia tienen sensores para CO 2 y ABA

Las celdas de protección deben poder medir la fotosíntesis y el suministro de agua para responder adecuadamente a las condiciones ambientales cambiantes. Para este propósito, tienen un receptor para medir la concentración de CO 2 dentro de la hoja. Cuando el valor de CO 2 aumenta bruscamente, esto es una señal de que la fotosíntesis no funciona de manera ideal. Luego, los poros se cierran para evitar una evaporación innecesaria. Una vez que la concentración de CO 2 ha disminuido nuevamente, los poros se vuelven a abrir.

El suministro de agua se mide a través de una hormona. Cuando el agua es escasa, las plantas producen ácido abscísico (ABA), una hormona clave del estrés, y establecen su ciclo de control de CO 2 en modo de ahorro de agua. Esto se logra a través de células de protección que están equipadas con receptores ABA. Cuando aumenta la concentración de hormonas en la hoja, los poros se cierran.

Cómo las plantas miden su absorción de dióxido de carbono
Implicación de los receptores ABA en el cierre del estoma inducido por ABA y CO2. Cuando está en modo de estrés por sequía, la planta produce grandes cantidades de la hormona ABA que actúa sobre las células de protección (izquierda, célula de protección izquierda) y se une al jugador primario, PYL2, y al jugador secundario, PYR1. Los altos niveles de CO2 (células protectoras derecha e izquierda) hacen que PYL4, 5 y en cierta medida PYR1 se vuelvan más sensibles y se unan a ABA a bajas concentraciones intracelulares. En ambos casos, la fosfatasa ABI1 está unida, permitiendo que la quinasa OST1 se active primero y luego el canal aniónico SLAC1. El flujo de salida de aniones resultante despolariza el potencial de membrana, que a su vez activa el canal de salida de potasio GORK. El flujo de salida de sales osmóticamente activas hace que el agua fluya fuera de las células protectoras. Se encogen y el estoma se cierra (derecha). Crédito:

Analizando la red CO 2 -ABA

El equipo de investigación de JMU quería arrojar luz sobre los componentes de los ciclos de control de la celda de protección. Para este propósito, expusieron las especies de Arabidopsis a niveles elevados de CO 2 o ABA. Lo hicieron durante varias horas para desencadenar reacciones a nivel de los genes. Posteriormente, los estomas se aislaron de las hojas para analizar los respectivos perfiles de expresión génica de las células protectoras utilizando técnicas bioinformáticas. Para esta tarea, el equipo contrató a Tobias Müller y Marcus Dietrich, dos expertos en bioinformática de la Universidad de Würzburg.

Los dos expertos descubrieron que los patrones de expresión génica diferían significativamente a altas concentraciones de CO 2 o ABA. Además, notaron que el exceso de CO 2 también causó que cambiara la expresión de algunos genes ABA. Estos hallazgos llevaron a los investigadores a observar más de cerca la vía de señalización de ABA. Estaban particularmente interesados ​​en los receptores ABA de la familia PYR / PYL (receptor de pirabactina y similar a la pirabactina). Arabidopsis tiene 14 de estos receptores, seis de ellos en las células de guardia.

Receptores ABA bajo el microscopio

«¿Por qué una célula de guardia necesita hasta seis receptores para una sola hormona? Para responder a esta pregunta, nos asociamos con el profesor Pedro Luis Rodríguez, de la Universidad de Madrid, experto en receptores ABA», dice Hedrich. El equipo de Rodríguez generó mutantes de Arabidopsis en los que podían estudiar los receptores ABA individualmente.

«Esto nos permitió asignar a cada uno de los seis receptores ABA una tarea en la red e identificar los receptores individuales que son responsables del cierre de los estomas inducido por ABA y CO 2 «, explica Peter Ache, un colega de Hedrich.

Las celdas de guardia usan ABA como moneda en los cálculos

«Concluimos de los hallazgos que las celdas de protección compensan el rendimiento actual de fijación de carbono fotosintético con el estado del balance hídrico utilizando ABA como moneda», explica Hedrich. «Cuando el suministro de agua es buena, nuestros resultados indican que los receptores de ABA evaluar el equilibrio hormonal básico como cuasi ‘libre de estrés’ y mantienen los estomas abiertos para el CO 2 de alimentación. Cuando el agua es escasa, los receptores de estrés por sequía reconocen la ABA elevada nivelar y hacer que las celdas protectoras cierren los estomas para evitar que la planta se seque «.

A continuación, los investigadores de la JMU tienen como objetivo estudiar las características especiales de los receptores relevantes de ABA y CO 2 , así como sus vías y componentes de señalización.

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