Una investigación de la Universidad de Massachusetts Amherst descubrió que el crecimiento de los tallos de estas plantas responde principalmente a la temperatura y no a la luz, un hallazgo relevante para cultivos como maíz, trigo y arroz.
Redactor: Camila Herrera R.
Editor: Eduardo Schmitz
Las gramíneas sostienen una parte fundamental de la alimentación mundial. El maíz, el trigo y el arroz aportan la mayoría de las calorías de origen vegetal consumidas por las personas y también constituyen una fuente central de energía para el ganado.
Pese a esa importancia, todavía existen aspectos básicos de su crecimiento que no se comprenden por completo. Una investigación dirigida por biólogos de la Universidad de Massachusetts Amherst descubrió que el ritmo de crecimiento de los tallos de estas plantas está controlado por la temperatura y no por las variaciones de luz que regulan numerosos procesos en otras especies vegetales.
Los resultados fueron publicados en la revista científica Current Biology. El hallazgo obliga a revisar algunas ideas sobre la manera en que los principales cereales responden al ambiente y abre interrogantes sobre sus posibles reacciones ante el aumento de las temperaturas nocturnas asociado con el cambio climático.
Maíz, trigo y arroz pertenecen a la familia de las gramíneas
Las gramíneas forman la familia botánica Poaceae, que incluye especies silvestres, pastos utilizados por la ganadería y cultivos esenciales para la alimentación humana.
El maíz, el trigo y el arroz concentran una parte considerable de la producción agrícola y del suministro calórico global. Las proyecciones para la campaña mundial de maíz, trigo y arroz muestran que cualquier cambio en sus cosechas, consumo o existencias repercute directamente en los mercados y la seguridad alimentaria.
Estos cultivos también abastecen a la ganadería, ya sea como granos, forrajes, ensilados o ingredientes de alimentos balanceados. Por ese motivo, comprender cómo crecen las gramíneas resulta relevante tanto para la agricultura como para la producción animal.
El maíz es técnicamente una gramínea y comparte con otros miembros de esta familia estructuras como los macollos, que aparecen como ramificaciones en la base de la planta. Investigaciones sobre el crecimiento del maíz en ambientes restrictivos han mostrado que estas estructuras pueden contribuir a mantener o aumentar el rendimiento bajo determinadas condiciones.
La mayoría de las plantas utiliza señales de luz
Muchas plantas ajustan sus ciclos diarios y estacionales mediante señales luminosas. La duración del día, la intensidad de la luz y la alternancia entre claridad y oscuridad pueden activar procesos relacionados con el crecimiento, la floración y la reproducción.
Las plantas tampoco crecen a la misma velocidad durante todas las horas. En numerosas especies, el reloj biológico utiliza la luz para sincronizar la división y expansión de las células con momentos específicos del día o del año.
Los investigadores esperaban encontrar una respuesta semejante en las gramíneas. Sin embargo, los experimentos indicaron que el crecimiento de sus tallos no siguió los cambios de iluminación.
Samuel Hazen, profesor de Biología de la Universidad de Massachusetts Amherst y autor principal del trabajo, señaló que los ritmos diarios de las plantas que aportan casi todas las calorías de origen vegetal funcionan de una manera distinta a la que se había supuesto.
La temperatura controla el ritmo de crecimiento
Los experimentos mostraron que las gramíneas responden principalmente a la temperatura. Sus células se dividen y se alargan cuando las condiciones térmicas son adecuadas, permitiendo que las hojas y los tallos aumenten de tamaño.
El equipo ya había demostrado en investigaciones anteriores que la temperatura controla el crecimiento de las hojas de las gramíneas. El nuevo estudio amplió esa observación hacia los tallos y el engrosamiento de sus paredes celulares.
La respuesta resulta especialmente importante porque los tallos proporcionan soporte a plantas como el trigo, el maíz y el arroz. Su rigidez permite que alcancen altura, sostengan hojas y espigas y puedan ser cosechadas de manera eficiente.
El cambio climático modifica simultáneamente varios factores esenciales para los cultivos. Una revisión sobre cómo el calentamiento afecta el crecimiento vegetal destaca que las respuestas dependen de la interacción entre temperatura, agua, nutrientes y concentración de dióxido de carbono.
Un sistema permitió observar genes activos dentro del tallo
El crecimiento estructural de los tallos ocurre a escala microscópica. Las células forman paredes secundarias más gruesas que aportan resistencia, pero hasta ahora resultaba difícil observar ese proceso en tiempo real dentro de una planta viva.
Greg Gregory, primer autor del estudio, y Dave Follette, director de diseño y fabricación digital avanzada del Instituto de Ciencias de la Vida Aplicadas de la Universidad de Massachusetts Amherst, desarrollaron un sistema de imágenes bioluminiscentes para seguir esta actividad.
Los investigadores utilizaron como modelo una gramínea llamada Brachypodium distachyon, conocida como falso bromo púrpura. Esta especie se emplea en investigación por su tamaño reducido, su ciclo relativamente corto y su relación genética con cereales de importancia agrícola.
El equipo modificó las plantas para vincular el gen CESA8 con la luciferasa de las luciérnagas. CESA8 interviene en la construcción de las paredes celulares secundarias, mientras que la luciferasa genera una señal luminosa detectable.
Cada vez que el gen se activaba, las células emitían un brillo débil. Un sistema de cámaras registró esa luz y permitió observar cuándo y dónde se estaba construyendo el soporte estructural del tallo.
La luz no modificó el patrón observado
Los científicos sometieron las plantas a distintas combinaciones de iluminación y temperatura. Las variaciones de luz no explicaron el ritmo de activación del gen ni el engrosamiento de las paredes celulares.
La temperatura, en cambio, produjo cambios claros. El tallo ajustó su crecimiento ante ciclos cálidos y fríos, incluso cuando las condiciones de iluminación se mantuvieron controladas.
El resultado indica que las gramíneas pueden utilizar señales térmicas como principal referencia para organizar procesos que otras plantas sincronizan mediante la luz.
Esta diferencia ayuda a explicar por qué no siempre resulta adecuado trasladar directamente a los cereales los conocimientos obtenidos en plantas modelo pertenecientes a otras familias botánicas.
Las gramíneas crecieron más rápido durante noches frescas
En condiciones generales, las plantas experimentales crecieron con mayor rapidez durante las noches frescas y más lentamente durante los días cálidos.
Sin embargo, la respuesta no fue lineal. Los pulsos cálidos durante una noche fresca provocaron el crecimiento más rápido observado, mientras que los pulsos fríos aplicados durante un día cálido produjeron el crecimiento más lento.
Las temperaturas bajas suprimieron inicialmente el engrosamiento de las paredes celulares, pero los periodos fríos prolongados terminaron favoreciéndolo. Con las temperaturas cálidas ocurrió el patrón inverso: una activación inicial seguida por una respuesta retardada que frenaba el proceso.
Estos resultados muestran que no basta con conocer la temperatura media. La duración, el momento del día y la secuencia de los cambios térmicos pueden alterar la manera en que se construyen los tejidos de la planta.
Un mecanismo activa y luego frena el crecimiento
Didier Gonze, investigador de la Universidad Libre de Bruselas, en Bélgica, desarrolló un modelo matemático para interpretar el comportamiento observado.
El equipo describió el sistema como un circuito anticipatorio incoherente. En este tipo de mecanismo, una misma señal puede activar directamente un proceso y, al mismo tiempo, poner en marcha una respuesta retardada que posteriormente lo limita.
La temperatura cálida puede estimular inicialmente el crecimiento del tallo, pero también activar una vía que lo reduce después de cierto tiempo. Las temperaturas frías pueden producir el comportamiento contrario.
Este equilibrio permite que la planta responda a cambios breves sin mantener indefinidamente la misma velocidad de crecimiento. También podría ayudarla a ajustar la inversión de carbono y energía destinada a sus tejidos estructurales.
Las paredes celulares sostienen el rendimiento y la cosecha
Las paredes secundarias contienen celulosa y otros componentes que proporcionan rigidez. Su formación influye en la resistencia de los tallos frente al viento, la lluvia y el peso de las espigas o mazorcas.
Un tallo débil puede aumentar el riesgo de acame, fenómeno en el que la planta se inclina o cae antes de la cosecha. El acame dificulta el trabajo de las máquinas y puede provocar pérdidas de rendimiento y calidad.
Las paredes celulares también determinan características de los residuos agrícolas y de los forrajes, como su resistencia, contenido de fibra y facilidad de descomposición.
Por ello, comprender cómo la temperatura regula su formación puede resultar útil para el mejoramiento de cultivos, aunque el estudio actual se concentra en el mecanismo biológico básico y no presenta todavía una aplicación agronómica directa.
Las noches más cálidas plantean nuevas preguntas
Las temperaturas nocturnas están aumentando en muchas regiones agrícolas. Este cambio puede ser especialmente relevante para las gramíneas si parte de su crecimiento estructural se organiza durante la noche.
El estudio no determina todavía cómo responderán el maíz, el trigo o el arroz en condiciones de campo ni permite calcular cambios futuros de rendimiento. Los autores consideran que sus resultados proporcionan una base para investigar esas preguntas.
El arroz ya enfrenta riesgos asociados con el calor nocturno. Los programas orientados a desarrollar arroz tolerante a temperaturas elevadas buscan evitar pérdidas de producción y calidad provocadas por noches cada vez más cálidas.
La nueva investigación sugiere que el calentamiento nocturno podría afectar no solo la respiración, la floración o el llenado del grano, sino también los mecanismos que construyen las paredes de los tallos.
La dependencia de pocos cereales aumenta la importancia del hallazgo
La alimentación mundial depende en gran medida de un número reducido de cultivos. El predominio de maíz, trigo y arroz permite producir grandes cantidades de alimento, pero también concentra los riesgos frente al calor, las sequías, las inundaciones, las plagas y las enfermedades.
En algunas regiones, estos tres cereales representan una proporción especialmente elevada del suministro alimentario. La dependencia de trigo, arroz y maíz en los sistemas alimentarios ha impulsado llamados a diversificar la agricultura mediante especies locales y cultivos adaptados a condiciones difíciles.
La diversificación puede reducir parte de la vulnerabilidad, pero los principales cereales seguirán siendo esenciales durante las próximas décadas. Mejorar su adaptación requiere conocer con precisión cómo perciben el ambiente y organizan su crecimiento.
El conocimiento también puede aplicarse a pastos forrajeros
La familia de las gramíneas incluye numerosos pastos utilizados directamente por bovinos, ovinos y otros animales. Su crecimiento determina la cantidad de forraje disponible y la capacidad de recuperación de las pasturas después del pastoreo.
El manejo de pastizales depende de la temperatura, la humedad del suelo, la fertilidad y el tiempo de descanso. Las gramíneas sometidas a estrés reducen su productividad y pueden ser desplazadas por especies menos deseables.
La investigación sobre manejo de pastos y pastoreo rotativo muestra que conservar residuos vegetales y evitar una presión excesiva ayuda a moderar la temperatura del suelo, reducir la evaporación y mantener la capacidad productiva.
Conocer mejor el ritmo térmico de crecimiento podría contribuir en el futuro a ajustar los periodos de pastoreo y recuperación, aunque serán necesarios experimentos específicos con especies forrajeras y condiciones de campo.
Un punto de partida para nuevas variedades
La capacidad de observar la activación de un gen dentro de un tallo vivo proporciona una herramienta para estudiar cómo diferentes variedades responden a ciclos de temperatura.
Los investigadores podrían comparar genotipos, identificar mecanismos de tolerancia y analizar si algunas plantas conservan mejor la formación de paredes celulares durante noches cálidas o cambios térmicos extremos.
Esta información podría incorporarse a programas de mejoramiento convencional o a otras herramientas genéticas. Sin embargo, cualquier aplicación requerirá comprobar primero si las respuestas observadas en Brachypodium distachyon se mantienen en cultivos comerciales.
El trabajo tampoco establece que la luz sea irrelevante para todos los procesos de las gramíneas. La fotosíntesis, la floración y otras funciones continúan vinculadas con la radiación y la duración del día. El hallazgo se refiere específicamente al ritmo de crecimiento del tallo y al engrosamiento de sus paredes celulares.
Observar crecer la hierba deja de ser un asunto trivial
La investigación muestra que uno de los grupos vegetales más importantes para la humanidad sigue conservando mecanismos poco conocidos.
Las gramíneas proporcionan gran parte de las calorías consumidas directamente por las personas y de las destinadas a la alimentación ganadera, pero sus tallos no siguen el patrón luminoso observado en muchas otras plantas.
La temperatura activa su crecimiento y desencadena al mismo tiempo respuestas retardadas que pueden frenarlo. Los pulsos cálidos y fríos producen efectos diferentes dependiendo de la hora y de cuánto tiempo se mantienen.
Ante un clima con noches más cálidas y episodios térmicos más variables, entender estos mecanismos será necesario para evaluar la estabilidad futura de cereales y pasturas que sostienen buena parte del sistema alimentario mundial.
Fuente(s) referenciales
