Este avance coincide con el descubrimiento de un misterio centenario sobre la comunicación de las plantas: señalan el estrés mediante mecanismos de presión negativa.
¿Imagina si una planta en el campo de un agricultor pudiera alertarlo de que necesita agua? ¿O podría el propio agricultor avisar a las plantas que se avecina un tiempo seco, incitando así a los cultivos a conservar agua? Puede parecer inusual, pero los investigadores del Centro de Investigación en Sistemas Programables de Plantas (CROPPS) han dado un paso importante hacia el desarrollo de la comunicación bidireccional con las plantas.
El Centro de Investigación en Sistemas Programables de Plantas (CROPPS) opera desde 2021 y es un centro de investigación interdisciplinario para el desarrollo de sistemas de comunicación bidireccional con plantas. El programa está dirigido por la Universidad de Cornell con socios de la Universidad de Illinois, la Universidad de Urbana-Champaign, la Universidad de Arizona, el Instituto Boyce Thompson, la Universidad Estatal de Colorado y la Universidad de Tuskegee.
Un nuevo estudio publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias ha resuelto un misterio centenario sobre cómo las plantas envían señales internas de estrés. Al comprender cómo funcionan los sistemas de comunicación de las plantas, el equipo puede comenzar a utilizar estas señales para crear plantas que puedan comunicarse con las personas y entre sí, y estar programadas para responder a factores estresantes específicos.
La solución está en la presión negativa que existe en el sistema vascular de la planta, necesaria para retener el agua dentro de los tallos, raíces y hojas cuando está seca. Los factores estresantes modifican el equilibrio de presión dentro de la planta, lo que desencadena el movimiento en el fluido vegetal, que puede transportar señales mecánicas y químicas por toda la planta para contrarrestar el factor estresante y restablecer el equilibrio.
“Estamos intentando desarrollar conocimientos fundamentales sobre cómo se produce la comunicación en las plantas. Nuestra estructura proporciona una perspectiva mecanicista sobre qué mueve las señales de un lugar a otro y explica cómo se propagan las señales mecánicas y químicas”, afirmó Vesna Bacheva, primera autora y becaria postdoctoral de CROPPS.
Bacheva trabaja en los laboratorios de los coautores Abe Struck (clase de 1995), profesor de Ingeniería química y biomolecular Gordon L. Dibble (clase de 1950) en la Facultad de Ingeniería de Cornell, y Margaret Frank, profesora adjunta de biología vegetal en la Escuela de Ciencias Vegetales Integrativas de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de Cornell.
«Este es un paso adelante muy importante en un campo que sorprendentemente apenas está comenzando en términos de verdadera comprensión mecanicista», dijo Struck.
Hace más de un siglo, los científicos comenzaron a preguntarse cómo las plantas pueden transmitir señales de una parte de la planta a otra para desencadenar una respuesta a los factores estresantes. Los científicos han planteado la hipótesis de que las plantas pueden utilizar hormonas o sustancias químicas para comunicarse, mientras que otros han sugerido que utilizan señales mecánicas.
Bacheva y sus colegas desarrollaron un modelo predictivo y un marco unificado que explica cómo se transmiten las señales mecánicas y químicas a través de las plantas cuando los factores estresantes provocan cambios de presión.
El sistema vascular de las plantas está formado por un sistema de tubos que se encuentran sometidos a presión y ejercen presión sobre los tejidos elásticos. Cuando una planta sufre lesiones, como cuando una oruga muerde una hoja, se produce un cambio de presión que puede desencadenar reacciones descendentes acopladas.
Los investigadores sugieren que los cambios de presión pueden provocar un flujo masivo de agua a través de la planta, que transporta sustancias químicas liberadas por las células en el sitio de la herida al resto de la planta. Una hipótesis es que dichos productos químicos podrían causar la producción de un ácido tóxico que repele a los insectos.
Los cambios de presión también pueden provocar que los canales mecanosensibles ubicados alrededor de la vasculatura se abran y liberen calcio u otros iones que tienen efectos posteriores. El flujo de calcio puede entonces desencadenar potencialmente la expresión de genes que forman parte de la respuesta de defensa.
«Estamos tratando de desarrollar plantas reporteras que nos dirán qué están experimentando en este momento», dijo Bacheva. Estos incluyen plantas pigmentadas que cambian de color o plantas fluorescentes que se iluminan cuando necesitan agua. El objetivo final es tener una comunicación bidireccional para que no solo la planta reportera pueda comunicar que necesita agua, sino que el agricultor también pueda comunicar a la planta que puede estar seca durante muchos días y la planta necesita usar el agua de manera más eficiente.
“Estamos en la etapa de CROPPS donde estamos explorando simultáneamente la biología molecular, la biofísica, el diseño de ingeniería y la integración en la realidad agronómica con conceptos y tecnologías completamente nuevos”, dijo Struck.
Fuente: Universidad de Cornell. Autor: Krishna Ramanujan.
En la foto de portada, Vesna Bacheva, investigadora de CROPPS, prueba parte de un sistema prototipo diseñado para detectar respuestas al estrés en una planta reportera codificada por genes. Fuente: Universidad de Cornell.
