Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Los investigadores desarrollan una ecuación que ayuda a explicar el crecimiento de las plantas

Los investigadores desarrollan una ecuación que ayuda a explicar el crecimiento de las plantas
Una sección transversal de un micrómetro de espesor de una hoja de roble vivo de California (Quercus agrifolia). Los biólogos de plantas utilizan imágenes como estas para «levantar el capó» de la hoja para identificar y medir células y tejidos, etiquetados en esta imagen. La capa cerosa en el exterior de la hoja se llama cutícula superior e inferior (UC y LC, respectivamente); debajo de la cutícula está la epidermis superior e inferior, o piel de la hoja (UE y LE). La fotosíntesis ocurre en las células del mesófilo central esponjoso y en empalizada (SP y PA, respectivamente). Las venas (V) para el transporte de agua y azúcar están envueltas en un anillo de células conocido como la vaina del haz (BS) que se extiende desde la epidermis hasta la epidermis (extensiones de la vaina del haz; BSE). Las células medidas en la sección transversal se pueden modelar matemáticamente en 3-D como cilindros, cápsulas o esferas. Crédito:

Es raro en biología que un solo rasgo pueda responder preguntas que abarcan varios campos de investigación. 

Uno de esos rasgos es la «masa foliar por área» de la biología vegetal, una medida simple que se calcula pesando una hoja seca y dividiéndola por su área fresca original. 


por la Universidad de California, Los Ángeles


La masa foliar por área, o LMA, que se ha medido en miles de estudios, se utiliza en casi todos los campos de la biología vegetal para hacer predicciones de muchos procesos y propiedades, como las tasas de fotosíntesis de las hojas, el contenido de nitrógeno y las preferencias ambientales de las plantas.

Sin embargo, a pesar de la simplicidad de la medición del área de masa foliar y su valor para predecir tantos aspectos de la biología vegetal , la relación del área de masa foliar con la estructura de la hoja (las células y tejidos que componen una hoja, y su número y dimensiones) no se ha determinado previamente.

Los investigadores de UCLA han desarrollado una ecuación matemática para el área de la masa de las hojas que ayudará a determinar qué impulsa el comportamiento de las plantas en función de sus células.

La investigación, que tiene importantes implicaciones a medida que las plantas se adaptan a un ambiente cálido, es publicada en línea por Ecology Letters , una prestigiosa revista en el campo de la ecología.

«La gran diversidad de hojas en tamaño, forma y color es deslumbrante y, sin embargo, no es nada en comparación con la diversidad de células y tejidos en su interior», dijo Lawren Sack, profesor de ecología y biología evolutiva y autor principal del estudio. «Sin embargo, nos han faltado ecuaciones para relacionar esta diversidad interna con el comportamiento general de las hojas de una manera exacta».

Grace John, estudiante de doctorado en ecología y biología evolutiva de UCLA y autora principal del estudio, realizó un estudio detallado de la anatomía de 11 especies que crecían en los terrenos de UCLA que incluían especies icónicas de muchos ecosistemas, como el toyon o hollywood, y una especie de té de Japón. Midió secciones transversales para los tamaños y números de células de los diferentes tejidos de las hojas y tiñó hojas enteras para medir los tejidos de las venas. Luego, el equipo desarrolló un enfoque teórico basado en principios geométricos para derivar una ecuación para el área de masa foliar, teniendo en cuenta las dimensiones y el número de células de cada tipo en la hoja.

La estrategia de los biólogos fue crear una poderosa ecuación matemática que predice el área de la masa de la hoja a partir de las estructuras internas de la hoja. Esta ecuación fue capaz de predecir el área de masa foliar de las diversas hojas con extrema precisión.

El equipo, que colaboró ​​con investigadores de España, Alemania y Australia, también utilizó el enfoque matemático para explicar la diferencia entre las hojas de hoja perenne y las de hoja caduca en su dureza.

«Si agarras una hoja de un arbusto de hoja perenne de California y un árbol de sicómoro de hoja caduca, puedes sentir la diferencia en dureza, pero es más difícil explicar por qué», dijo John. «Con nuestro enfoque, mostramos que las hojas de hoja perenne tienden a ser más duras y viven más porque tienen células más grandes y densas».

«Las implicaciones de este tipo de ecuaciones son enormes», dijo Sack. Debido a que un área de masa foliar más baja generalmente conduce a un mayor crecimiento y productividad de las plantas, y un área de masa foliar más alta puede contribuir a la tolerancia al estrés, este enfoque puede resolver cómo las diferencias en los rasgos celulares entre las especies afectan la productividad y la tolerancia al estrés ambiental dado el cambio climático.

«Es difícil exagerar la importancia de la LMA en la biología vegetal; es como el tamaño del cuerpo en la ecología animal, la simetría facial para la psicología de la atracción y la velocidad de carrera para los receptores de la NFL», dijo John. «LMA ha sido realmente la variable ‘súper’ para comprender la economía, la productividad y el funcionamiento de la planta».

Sack describió el enfoque como un cambio de juego para diseñar cultivos con mayor productividad o mayor tolerancia al estrés.

«Nuestro objetivo es marcar el comienzo de una nueva era en la ciencia de la economía de las hojas fusionando la anatomía de las plantas con las matemáticas y la ecología de una manera única», dijo.


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