Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Estudio revela un mecanismo que las plantas pueden usar para disipar el exceso de luz solar como calor


Para las plantas, la luz solar puede ser un arma de doble filo. Lo necesitan para impulsar la fotosíntesis, el proceso que les permite almacenar energía solar como moléculas de azúcar, pero demasiado sol puede deshidratarse y dañar sus hojas.


por el Instituto de Tecnología de Massachusetts


Una estrategia principal que usan las plantas para protegerse de este tipo de fotodaño es disipar la luz extra en forma de calor. Sin embargo, ha habido mucho debate en las últimas décadas sobre cómo las plantas realmente logran esto.

«Durante la fotosíntesis, los complejos de captación de luz juegan dos papeles aparentemente contradictorios. Absorben la energía para impulsar la división del agua y la fotosíntesis, pero al mismo tiempo, cuando hay demasiada energía, también deben poder deshacerse de ella». dice Gabriela Schlau-Cohen, Profesora Asistente de Desarrollo de Carrera Thomas D. y Virginia W. Cabot de Química en el MIT.

En un nuevo estudio, Schlau-Cohen y sus colegas del MIT, la Universidad de Pavía y la Universidad de Verona observaron directamente, por primera vez, uno de los posibles mecanismos propuestos para la forma en que las plantas disipan la energía. Los investigadores utilizaron un tipo de espectroscopía altamente sensible para determinar que el exceso de energía se transfiere de la clorofila, el pigmento que da a las hojas su color verde, a otros pigmentos llamados carotenoides, que luego pueden liberar la energía en forma de calor.

«Esta es la primera observación directa de la transferencia de energía de clorofila a carotenoide en el complejo de recolección de luz de las plantas verdes», dice Schlau-Cohen, quien es el autor principal del estudio. «Esa es la propuesta más simple, pero nadie ha podido encontrar este camino fotofísico hasta ahora».

El estudiante graduado del MIT, Minjung Son, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Nature Communications . Otros autores son Samuel Gordon ’18, Alberta Pinnola de la Universidad de Pavía, en Italia, y Roberto Bassi de la Universidad de Verona.

Exceso de energía

Cuando la luz del sol incide en una planta, las proteínas especializadas conocidas como complejos de captación de luz absorben la energía de la luz en forma de fotones, con la ayuda de pigmentos como la clorofila. Estos fotones impulsan la producción de moléculas de azúcar , que almacenan la energía para su uso posterior.

Muchas investigaciones previas han demostrado que las plantas pueden adaptarse rápidamente a los cambios en la intensidad de la luz solar. En condiciones de mucho sol, convierten solo alrededor del 30 por ciento de la luz solar disponible en azúcar, mientras que el resto se libera como calor. Si se permite que este exceso de energía permanezca en las células de la planta, crea moléculas dañinas llamadas radicales libres que pueden dañar las proteínas y otras moléculas celulares importantes.

«Las plantas pueden responder a los rápidos cambios en la intensidad solar al deshacerse de la energía extra, pero lo que esa vía fotofísica es debatida durante décadas», dice Schlau-Cohen.

La hipótesis más simple de cómo las plantas eliminan estos fotones adicionales es que una vez que el complejo de captación de luz los absorbe, las clorofilas los pasan a moléculas cercanas llamadas carotenoides. Los carotenoides, que incluyen licopeno y betacaroteno, son muy buenos para eliminar el exceso de energía a través de la vibración rápida. También son hábiles carroñeros de radicales libres , lo que ayuda a prevenir el daño a las células.

Se ha observado un tipo similar de transferencia de energía en proteínas bacterianas relacionadas con la clorofila, pero hasta ahora no se había visto en las plantas. Una de las razones por las que ha sido difícil observar este fenómeno es que ocurre en una escala de tiempo muy rápida (femtosegundos o cuadrillonésimos de segundo). Otro obstáculo es que la transferencia de energía abarca una amplia gama de niveles de energía. Hasta hace poco, los métodos existentes para observar este proceso solo podían medir una pequeña franja del espectro de luz visible.

En 2017, el laboratorio de Schlau-Cohen desarrolló una modificación a una técnica espectroscópica de femtosegundos que les permite observar un rango más amplio de niveles de energía, que abarca desde la luz roja hasta la azul. Esto significaba que podían monitorear la transferencia de energía entre las clorofilas, que absorben la luz roja, y los carotenoides, que absorben la luz azul y verde.

En este estudio, los investigadores utilizaron esta técnica para mostrar que los fotones se mueven desde un estado excitado, que se extiende sobre múltiples moléculas de clorofila dentro de un complejo de captación de luz, a moléculas de carotenoides cercanas dentro del complejo.

«Al ampliar el ancho de banda espectral, podríamos observar la conexión entre los rangos azul y rojo, lo que nos permite mapear los cambios en el nivel de energía. Se puede ver la energía moviéndose de un estado excitado a otro», dice Schlau-Cohen.

Una vez que los carotenoides aceptan el exceso de energía, liberan la mayor parte como calor, evitando el daño inducido por la luz en las células.

Aumentar el rendimiento de los cultivos.

Los investigadores realizaron sus experimentos en dos entornos diferentes: uno en el que las proteínas estaban en una solución detergente y otro en el que estaban incrustadas en un tipo especial de membrana de autoensamblaje llamada nanodisco. Descubrieron que la transferencia de energía se produjo más rápidamente en el nanodisco, lo que sugiere que las condiciones ambientales afectan la tasa de disipación de energía.

Sigue siendo un misterio exactamente cómo el exceso de luz solar activa este mecanismo dentro de las células vegetales. El laboratorio de Schlau-Cohen ahora está explorando si la organización de las clorofilas y los carotenoides dentro de la membrana del cloroplasto desempeña un papel en la activación del sistema de fotoprotección.

Una mejor comprensión del sistema de fotoprotección natural de las plantas podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevas formas de mejorar el rendimiento de los cultivos, dice Schlau-Cohen. Un artículo de 2016 de investigadores de la Universidad de Illinois mostró que al producir en exceso todas las proteínas involucradas en la fotoprotección, los rendimientos de los cultivos podrían aumentar entre un 15 y un 20 por ciento. Ese documento también sugirió que la producción podría aumentar aún más hasta un máximo teórico de aproximadamente el 30 por ciento.

«Si entendemos el mecanismo, en lugar de simplemente aumentar todo y obtener del 15 al 20 por ciento, realmente podríamos optimizar el sistema y llegar a ese máximo teórico del 30 por ciento», dice Schlau-Cohen.


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