Un estudio en sorgo reconstruyó en tres dimensiones el sistema de ventilación de las hojas y halló una vía para mejorar la resistencia a la sequía sin limitar la fotosíntesis
Redactor: Camila Herrera R.
Editor: Eduardo Schmitz
Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign utilizaron rayos X de alta resolución para observar el interior de hojas vivas de sorgo y determinar cómo sus poros, espacios de aire, venas y células fotosintéticas trabajan como un sistema integrado. El estudio, publicado en la revista Plant Physiology, aporta información para desarrollar cultivos capaces de conservar agua sin restringir la entrada de dióxido de carbono necesaria para la fotosíntesis.
El trabajo fue dirigido por James Fischer, investigador posdoctoral del laboratorio de Andrew Leakey, profesor de biología vegetal y ciencias de los cultivos. Las imágenes fueron obtenidas en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, en Estados Unidos, donde un haz generado por un acelerador de partículas permitió reconstruir la anatomía interna de las hojas con una precisión difícil de alcanzar mediante microscopios convencionales.
La investigación se concentra en una tensión fisiológica decisiva para la agricultura: las plantas deben abrir pequeños poros llamados estomas para incorporar dióxido de carbono, pero durante ese intercambio también liberan vapor de agua. Según los científicos, por cada molécula de CO₂ que entra por los estomas y puede ser capturada durante la fotosíntesis, entre 300 y 400 moléculas de agua escapan hacia la atmósfera.
El costo hídrico de mantener activa la fotosíntesis
En jornadas cálidas y luminosas, la fotosíntesis puede ser intensa, pero también aumenta la pérdida de agua de las hojas. Este proceso, descrito informalmente como “sudoración de los cultivos”, puede acelerar el agotamiento de las reservas disponibles en el suelo y elevar la vulnerabilidad de las plantas cuando las lluvias son escasas o irregulares.
Los estomas regulan buena parte de ese intercambio. Reducir su número podría limitar la salida de agua, aunque existía la preocupación de que también dificultara el desplazamiento del CO₂ hacia las células donde se realiza la fotosíntesis. El desafío consiste en conseguir plantas más eficientes en el uso del agua sin imponer una reducción equivalente de su actividad fotosintética y su potencial productivo.
Este objetivo coincide con otras líneas de investigación centradas en el comportamiento de los poros foliares. Un estudio reciente sobre la apertura de los estomas y la resistencia del tomate a la sequía mostró que no solo importa cuánta agua utiliza una planta, sino también el momento del día en que regula ese consumo.
La mejora genética de estas características podría complementar las medidas de manejo aplicadas en las explotaciones. Estrategias como el riego eficiente para reducir el consumo de agua actúan desde el sistema productivo, mientras que la modificación de la anatomía foliar busca disminuir la demanda hídrica desde la propia planta.
Una tomografía tridimensional del interior de la hoja
Para estudiar la estructura interna del sorgo, el equipo recurrió a la microtomografía computarizada, conocida como microCT. Su principio es similar al de una tomografía médica: se toman numerosas imágenes de rayos X desde distintos ángulos y luego se combinan para producir una representación tridimensional.
Las estructuras vegetales analizadas son extremadamente pequeñas, por lo que se necesita un haz más intenso y concentrado que el disponible en los equipos clínicos habituales. La Fuente Avanzada de Fotones de Argonne proporcionó esa capacidad y permitió examinar hojas intactas. Posteriormente, herramientas de aprendizaje automático ayudaron a identificar y clasificar sus componentes en los modelos digitales.
El estudio representa la primera descripción detallada de cómo los estomas del sorgo se conectan con los conductos de aire, las venas y los centros fotosintéticos situados debajo de la superficie. Esa visión tridimensional evita algunas limitaciones de los cortes bidimensionales, que pueden mostrar los tejidos de forma parcial sin revelar la continuidad de las rutas internas.
La colaboración también contó con Craig R. Brodersen, profesor de ecología fisiológica vegetal de la Universidad de Yale, y Guillaume Théroux-Rancourt, de la empresa de investigación agronómica Biopterre. Ambos habían trabajado anteriormente en el desarrollo de técnicas de microCT para muestras vegetales.
Menos estomas no bloquearon la circulación del CO₂
Los investigadores compararon plantas de sorgo con diferentes cantidades de estomas. Su hipótesis inicial era que reducir estos poros obligaría al dióxido de carbono a recorrer trayectos más largos y complejos dentro de la hoja, lo que podría disminuir la conductancia interna y limitar el acceso del gas a las células fotosintéticas.
Las imágenes mostraron un ajuste inesperado. En las hojas con menos estomas, los espacios de aire situados debajo de ellos eran más grandes. Esa ampliación compensó la menor cantidad de entradas y permitió mantener una conductancia de CO₂ equivalente dentro del tejido.
El resultado indica que la reducción del número de estomas puede disminuir la pérdida de agua sin provocar necesariamente una caída paralela en la distribución interna del dióxido de carbono. Se trata de una prueba favorable para continuar desarrollando plantas que eviten el estrés hídrico mediante un mejor equilibrio entre transpiración y fotosíntesis.
El hallazgo no significa que una sola modificación resuelva los efectos de la sequía en todos los ambientes. La respuesta final de un cultivo depende también del suelo, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes, la etapa de crecimiento y la intensidad del déficit hídrico. Por ello, la selección de variedades debe integrarse con prácticas de conservación del agua y elección de cultivos adaptadas a cada territorio.
Las dos superficies de la hoja cumplen funciones distintas
El análisis también reveló una distribución particular de los estomas. Los ubicados en la superficie superior de las hojas aparecían sobre las venas, en lugar de situarse entre ellas, donde normalmente habría más espacio para formar conductos que lleven el CO₂ hacia las células fotosintéticas.
Esta disposición sugiere que las caras superior e inferior de la hoja podrían desempeñar funciones diferentes en la incorporación de dióxido de carbono y en el enfriamiento producido por la pérdida de agua. Comprender esa especialización será uno de los próximos pasos del equipo.
Los investigadores deberán establecer qué configuraciones anatómicas funcionan mejor en condiciones agrícolas reales y cómo pueden incorporarse mediante mejoramiento o ingeniería vegetal. La meta es trasladar el conocimiento obtenido con el sorgo a plantas que mantengan su productividad durante episodios de calor y escasez de agua.
La innovación genética, sin embargo, deberá evaluarse junto con la disponibilidad hídrica de cada sistema productivo. Experiencias sobre características vegetales asociadas con una mayor eficiencia en el uso del agua muestran que la respuesta a la sequía puede combinar rasgos de las plantas con decisiones agronómicas y ambientales.
Fuentes referenciales:
Phys.org
Plant Physiology
