Una investigación del IRNASA ayuda a comprender cómo las plantas se defienden frente al estrés lumínico, un proceso fisiológico clave para que la agricultura se enfrente al cambio climático

José Pichel Andrés/DICYT Una investigación del Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Salamanca (IRNASA, instituto propio del CSIC) revela nuevos datos sobre las respuestas de defensa de las plantas al exceso de luz o estrés lumínico en un trabajo publicado por la revista científica Journal of Experimental Botany. Las nuevas condiciones ambientales introducidas por el cambio climático puede hacer que en un futuro no lejano los cultivos pierdan parte de su capacidad de adaptación a situaciones adversas, por eso los científicos tratan de anticiparse y conocer la respuesta de las plantas.

Un exceso de luz afecta a la fotosíntesis, el proceso biológico mediante el cual la energía solar se transforma en energía química para su uso en la asimilación de materia inorgánica y biosíntesis de materia celular, y hace que el oxígeno molecular pueda transformarse en diferentes tipos de especies reactivas de oxígeno que pueden dañar compuestos biológicos esenciales para el crecimiento y desarrollo de organismos vegetales. “Aunque producen un daño, también pueden ser reconocidas por las células vegetales como moléculas que señalizan una situación adversa, de manera que dicha señal activa una respuesta de defensa”, comenta en declaraciones a DiCYT Juan Arellano, investigador del IRNASA y responsable de esta investigación.

La especie reactiva de oxígeno que se forma principalmente por exceso de energía solar es el oxígeno singlete. Por eso, tras años de trabajo en esta línea de investigación, el objetivo de este estudio ha sido analizar, precisamente, las respuestas de defensa que se activan en las células ante la presencia de esta molécula de elevada reactividad química. Toda la investigación se ha realizado en cultivos celulares de Arabidopsis thaliana, planta que sirve de modelo para los investigadores.

La producción de niveles elevados de oxígeno singlete induce en organismos vegetales diversas respuestas de defensa como muerte celular programada, es decir, muerte fisiológica controlada de las células afectadas que evita, por ejemplo, que en situaciones adversas, como las provocadas por patógenos, estos puedan propagarse por el sistema vascular de las plantas. Estudios anteriores de investigadores suizos demostraron que en mutantes de Arabidopsis thaliana, que acumulan un precursor de clorofila que produce oxígeno singlete, se induce muerte celular programada cuando las plántulas pasan de oscuridad a luz. Los científicos del IRNASA han inducido la formación de oxígeno singlete mediante adiciones de agentes químicos que fotogeneran oxígeno singlete, simulando una situación de estrés por luz. En el estudio realizado en el IRNASA se demuestra que la activación de muerte celular programada requiere que las células vegetales tengan cloroplastos funcionales y que la generación de oxígeno singlete se produzca en el interior de dicho orgánulo.

Identificación de genes

“Hemos visto que se activa la respuesta de varios genes, algunos de ellos descritos como marcadores específicos de oxígeno singlete”, señala Juan Arellano. Sin embargo, es muy difícil establecer con exactitud qué marcadores responden de forma exclusiva a la producción de esta especie reactiva de oxígeno. La búsqueda de estos genes puede ser muy importante para el futuro.

“De cara al cambio climático tenemos que ir buscando los cultivos que se adapten mejor a la sequía, el incremento de temperaturas y otros factores que están ligados a la formación de especies reactivas de oxígeno”, afirma el investigador del IRNASA. “Si somos capaces de establecer una lista de genes que pueda utilizarse para identificar cultivos que se adaptan mejor a situaciones adversas, podremos seleccionar aquellas variedades que nos resulten de mayor interés desde un punto de vista agronómico o bioenergético”, agrega.

Para conseguirlo, el primer paso es analizar estos mecanismos de defensa en Arabidopsis thaliana, caracterizarlos y tratar de extrapolar todo este conocimiento a cultivos de interés agronómico o bioenergético. La ventaja de la planta modelo es que ya se conoce su genoma, mientras que el de otras plantas aún no está secuenciado en su totalidad. En cualquier caso, este trabajo será de utilidad para que otros investigadores contribuyan a garantizar una agricultura sostenible con futuro, que no sólo se enfrenta al cambio climático, sino también a suministrar alimentos suficientes a una población mundial en constante crecimiento.

Por parte española, también han participado en el estudio los grupos de investigación de Óscar Lorenzo, del Instituto Hispanoluso de Investigaciones Agrarias (CIALE) de la Universidad de Salamanca; José Luis Revuelta, del Departamento de Microbiología y Genética de la Universidad de Salamanca; y Francisco García García, del Centro de Investigación Príncipe Felipe de Valencia. Además, han colaborado las Universidades Dublín (Irlanda) y la Universidad de Surrey (Reino Unido).

Programmed cell death activated by Rose Bengal in Arabidopsis thaliana cell suspension cultures requires functional chloroplasts Gutiérrez J, González-Pérez S, García-García F, Daly CT, Lorenzo O, Revuelta JL, McCabe PF, Arellano JB. Journal of Experimental Botany, 2014. DOI: 10.1093/jxb/eru151