Los científicos agrícolas que estudian el cambio climático suelen centrarse en cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico afectará el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, es probable que el aumento de las temperaturas complique el panorama, según informan investigadores en una nueva revisión del tema.
por Diana Yates, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Publicada en el Journal of Experimental Botany , la revisión explora cómo las temperaturas más altas influyen en el crecimiento y la viabilidad de las plantas a pesar de la mayor disponibilidad de CO 2 atmosférico , un componente clave de la fotosíntesis.
El calor excesivo puede reducir la eficiencia de las enzimas que impulsan la fotosíntesis y dificultar la capacidad de las plantas para regular la absorción de CO₂ y la pérdida de agua, escriben los investigadores. Las características estructurales pueden hacer que las plantas sean más o menos susceptibles al estrés térmico. Los atributos del ecosistema, como el tamaño y la densidad de las plantas, la disposición de las hojas o las condiciones atmosféricas locales, también influyen en cómo el calor afectará el rendimiento de los cultivos .
La revisión describe los últimos esfuerzos científicos para abordar estos desafíos.
«Es importante comprender estos problemas a diferentes escalas, desde la bioquímica de las hojas individuales hasta las influencias a nivel de ecosistema, para poder abordarlos con conocimiento de causa», afirmó la autora principal, Caitlin Moore, investigadora de la Universidad de Australia Occidental e investigadora afiliada del Instituto de Sostenibilidad, Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Moore dirigió la revisión junto con Amanda Cavanagh, otra exalumna de la Universidad de Illinois, actualmente en la Universidad de Essex, Reino Unido.
«Históricamente, se ha prestado mucha atención al aumento del CO₂ y su impacto en las plantas», afirmó el coautor Carl Bernacchi, profesor de biología vegetal y ciencias de los cultivos, y afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica de la Universidad de Illinois. «Y es un factor importante, porque estamos modificando enormemente la concentración de dióxido de carbono. Pero es solo una pequeña parte de la historia más amplia. Si a esto le sumamos los cambios de temperatura, se altera por completo nuestra comprensión de cómo responderán las plantas».
«Tomemos como ejemplo la Rubisco, la enzima clave que fija el dióxido de carbono en azúcares, lo que hace posible la vida en la Tierra», dijo Cavanagh. «La Rubisco se acelera con el aumento de la temperatura , pero también es propensa a cometer errores».
En lugar de fijar el dióxido de carbono uniéndolo a los azúcares, un paso clave en la fotosíntesis, la Rubisco a veces fija el oxígeno, iniciando una vía diferente que desperdicia los recursos de la planta. Las temperaturas más altas aumentan la probabilidad de que esto ocurra, explicó Cavanagh. A temperaturas aún más altas, la enzima comenzará a perder su integridad estructural, volviéndose ineficaz.
El calor excesivo también puede afectar la producción reproductiva de una planta. Otras enzimas sensibles al calor son esenciales para el sistema fotovoltaico de las plantas o desempeñan un papel en el transporte de azúcares a diferentes tejidos vegetales, lo que permite que la planta crezca y produzca granos o frutos.
«Si estas pequeñas máquinas moleculares se ven obligadas a salirse del rango de temperatura óptimo, no podrán realizar su trabajo», afirmó Cavanagh.
Cuando las temperaturas suben demasiado, las hojas de las plantas abren los poros de su superficie, llamados estomas, para refrescarse. Los estomas también permiten que las plantas absorban dióxido de carbono de la atmósfera, pero cuando están completamente abiertos, la hoja puede perder demasiada humedad.
«La temperatura afecta la atmósfera sobre la planta», explicó Moore. «A medida que la atmósfera se calienta, puede retener más agua, por lo que absorbe más agua de las plantas».
Científicos de Illinois y de otros lugares buscan maneras de mejorar la resiliencia de los cultivos ante estos cambios. Moore, cuyo trabajo se centra en factores a escala del ecosistema, afirmó que las nuevas herramientas que permiten evaluar las plantas a gran escala son esenciales para dicho esfuerzo. Por ejemplo, los satélites que detectan cambios en la fluorescencia de la clorofila en las plantas pueden indicar si un cultivo sufre estrés térmico. Estos cambios en la fluorescencia son detectables antes de que la planta muestre cualquier signo externo de estrés térmico, como el oscurecimiento de las hojas. El desarrollo de estas herramientas podría permitir a los agricultores responder con mayor rapidez al estrés de los cultivos antes de que se produzcan daños excesivos.
Cavanagh, que estudia la biología molecular y la fisiología de las plantas, dijo que algunas plantas son más tolerantes al calor que otras y los científicos están buscando en sus genomas pistas sobre su éxito.
«Por ejemplo, se pueden observar los parientes silvestres australianos del arroz, que crecen en climas mucho más rigurosos que la mayoría de los arroces con cáscara», dijo. «Y se observa que sus enzimas están preparadas para funcionar con mayor eficiencia a temperaturas más altas».
Uno de los objetivos es transferir genes tolerantes al calor a variedades de arroz cultivado que son más susceptibles al estrés térmico.
Otras estrategias incluyen estructuras de ingeniería que bombean más CO2 al sitio de fijación de carbono para mejorar la eficiencia de la Rubisco; alterar las propiedades de recolección de luz de las hojas en las partes superiores e inferiores de las plantas para equilibrar la distribución de la luz solar y mantener los niveles de humedad; y cambiar la densidad de los estomas para mejorar su control de la entrada de CO2 y la pérdida de humedad.
La colaboración entre científicos centrados en diferentes escalas del ecosistema y la función de las plantas (desde la atmosférica a la molecular) es esencial para el éxito de los esfuerzos por desarrollar resiliencia en las plantas de cultivo, dijeron los investigadores.
«El mundo se está calentando a un ritmo alarmante», afirmó Cavanagh. «Y sabemos, gracias a los modelos globales, que cada aumento de la temperatura total en grados Celsius puede causar pérdidas de entre el 3 % y el 7 % en el rendimiento de nuestros cuatro cultivos principales. Por lo tanto, no es algo que podamos ignorar».
«Lo que me hace ser optimista es darme cuenta de que se está haciendo mucho trabajo para resolver este problema a nivel mundial», dijo.
Más información: Caitlin E. Moore et al., El efecto del aumento de temperatura en la fotosíntesis de los cultivos: de las enzimas a los ecosistemas, Journal of Experimental Botany (2021). DOI: 10.1093/jxb/erab090
