Optimización de la hidratación de las hojas a través de la intensidad de la luz y las proporciones de color

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Investigadores de la Universidad Hebrea revelaron la intrincada conexión entre las condiciones de luz, la relación entre la luz azul (BL) y la luz roja (RL) y la conductancia hidráulica de la hoja (Kleaf) en diferentes áreas del dosel. El estudio muestra que la luz no solo afecta directamente a la fotosíntesis, sino que también afecta indirectamente a las demandas de agua y a la conductancia hidráulica.

El reciente estudio dirigido por el Prof. Menachem Moshelion de la Facultad de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente de la Universidad Hebrea junto con la Dra. Yael Grunwald y el Dr. Adi Yaara del mismo Instituto, han revelado la intrincada relación entre las condiciones de luz, en particular la relación entre la luz azul (BL) y la luz roja (RL). y se ha revelado la conductancia hidráulica de la hoja (Kleaf) en varias áreas del dosel.

El dosel de las plantas, esencialmente la capa superior de vegetación de una planta, desempeña un papel crucial en la intercepción de la luz y la fotosíntesis, actuando como la conexión vital entre las plantas y su entorno, está fuertemente influenciado por factores como la intensidad y la calidad de la luz, lo que afecta profundamente a la fotosíntesis, un proceso fundamental en el crecimiento de las plantas.
Esta investigación revela cómo estas variaciones de luz afectan todos los aspectos de la conductancia hidráulica y gaseosa de la planta.

Este estudio se centra en cómo el equilibrio de la luz azul y roja en estas áreas brillantes ayuda a controlar el flujo de agua dentro de las hojas de las plantas. Lo hace afectando la permeabilidad al agua de las células cercanas al tejido vascular de la planta (el sistema de transporte de agua de la planta), que satisface la alta demanda de agua.
Por otro lado, en las zonas sombreadas, donde hay menos luz, las plantas tienen menores necesidades hídricas.
Estas hojas sombreadas son más eficientes en el uso del agua porque pierden menos agua a través de la transpiración, y aún apoyan la fotosíntesis (un proceso fundamental) para el crecimiento de las plantas debido a la presencia de luz roja.

Esta investigación explora los intrincados mecanismos a través de los cuales las plantas se adaptan a diversos entornos, ofreciendo información crucial para optimizar los enfoques agrícolas, especialmente en regiones donde la gestión del agua es crítica, y profundizar nuestra comprensión de la fisiología vegetal.

Por el contrario, las áreas sombreadas del dosel interior experimentan una menor intensidad de luz, una menor demanda de agua y una disminución del transporte de agua de las hojas debido a la menor intensidad y la inducción de BL. Curiosamente, a pesar de estas diferencias, las hojas sombreadas exhiben una mayor eficiencia en el uso del agua en comparación con sus contrapartes en el dosel superior. Esta mayor eficiencia se atribuye a la disminución de la transpiración y los requisitos de enfriamiento en las áreas sombreadas, mientras que la presencia de RL apoya la fotosíntesis.

El estudio esclarece sobre la interacción dinámica entre las condiciones de luz, las demandas de agua y la conductancia hidráulica dentro de diferentes regiones del dosel, ofreciendo información valiosa sobre las estrategias adaptativas que emplean las plantas para prosperar en diferentes entornos.

Los hallazgos de esta investigación no solo contribuyen a nuestra comprensión de la fisiología vegetal, sino que también tienen aplicaciones potenciales en la optimización de las prácticas agrícolas, especialmente en áreas donde el manejo del agua es crucial para la productividad de los cultivos.

Influencia de la luz en las propiedades iónico-osmohidráulicas de las plantas y la homeostasis del agua. El impacto del espectro luminoso completo sobre el transporte de iones y agua de las plantas es ampliamente reconocido. El espectro de luz afecta la conductancia hidráulica en múltiples niveles, desde células individuales hasta todo el organismo. El lado izquierdo de los paneles a-c (fondo sombreado en azul) describe los procesos que ocurren cuando una planta se expone tanto a la luz roja (RL) como a la luz azul (BL), iniciando la vía de transducción de señales de luz azul (BLSTP), que es crucial. para regular la permeabilidad al agua dentro de (a) células de la vaina del haz vascular (BSC). En estas células, la BL es detectada por las fototropinas PHOT1 y PHOT2, mediadas por la quinasa BLUS1. Esta activación desencadena la bomba de protones H+ATPasa-AHA2, lo que provoca la hiperpolarización de las membranas plasmáticas de las BSC y la acidificación (pH c. 5,6) de la savia del xilema. Como resultado, aumentan el coeficiente de permeabilidad osmótica de la membrana de las BSC (Pf) y la conductancia hidráulica radial de la hoja (b) (Kleaf). (c) Se encuentra un BLSTP similar en las células protectoras (GC), en las que la hiperpolarización de la membrana y la acidificación apoplásica conducen a la acumulación de iones y agua, lo que hace que los estomas se abran aumentando la conductancia estomática (gs). Esto, junto con Kleaf, favorece altas tasas de transpiración. A pesar de la menor proporción de BL (en comparación con RL) en la luz solar total, su impacto en la hidráulica de la planta es significativo. En ausencia de BL, descrito en el lado derecho de los paneles a-c (fondo rojo), se observan despolarización y alcalinización apoplásica tanto en BSC como en GC, lo que lleva a una disminución de Pf y Kleaf, así como a un cierre de estomas y una transpiración reducida, aunque con un menor impacto reductor en la fotosíntesis foliar. A nivel de toda la planta (d), BL (áreas en la figura con fondo azul) contribuye al mayor transporte de agua hacia los bordes del dosel, donde la temperatura y el déficit de presión de vapor (VPD) son significativamente mayores. Este mecanismo permite un mayor aporte del agua imprescindible para los procesos de transpiración y enfriamiento de estas zonas. Las hojas sombreadas (fondo rojo) reciben considerablemente menos BL. Sin embargo, dado que esas hojas transpiran menos y están expuestas a menos calor y VPD, la presencia reducida de BL mejora su eficiencia en el uso del agua (WUE). Tenga en cuenta que las áreas de fondo rojo de la figura están sombreadas en rojo con fines ilustrativos, pero el espectro de luz que llega a la planta normalmente incluiría otras longitudes de onda, como el rojo lejano y el verde, así como proporciones BL : RL más bajas como se describió anteriormente.
Influencia de la luz en las propiedades iónico-osmohidráulicas de las plantas y la homeostasis del agua. El impacto del espectro luminoso completo sobre el transporte de iones y agua de las plantas es ampliamente reconocido. El espectro de luz afecta la conductancia hidráulica en múltiples niveles, desde células individuales hasta todo el organismo. El lado izquierdo de los paneles a-c (fondo sombreado en azul) describe los procesos que ocurren cuando una planta se expone tanto a la luz roja (RL) como a la luz azul (BL), iniciando la vía de transducción de señales de luz azul (BLSTP), que es crucial. para regular la permeabilidad al agua dentro de (a) células de la vaina del haz vascular (BSC). En estas células, la BL es detectada por las fototropinas PHOT1 y PHOT2, mediadas por la quinasa BLUS1. Esta activación desencadena la bomba de protones H+ATPasa-AHA2, lo que provoca la hiperpolarización de las membranas plasmáticas de las BSC y la acidificación (pH c. 5,6) de la savia del xilema. Como resultado, aumentan el coeficiente de permeabilidad osmótica de la membrana de las BSC (Pf) y la conductancia hidráulica radial de la hoja (b) (Kleaf). (c) Se encuentra un BLSTP similar en las células protectoras (GC), en las que la hiperpolarización de la membrana y la acidificación apoplásica conducen a la acumulación de iones y agua, lo que hace que los estomas se abran aumentando la conductancia estomática (gs). Esto, junto con Kleaf, favorece altas tasas de transpiración. A pesar de la menor proporción de BL (en comparación con RL) en la luz solar total, su impacto en la hidráulica de la planta es significativo. En ausencia de BL, descrito en el lado derecho de los paneles a-c (fondo rojo), se observan despolarización y alcalinización apoplásica tanto en BSC como en GC, lo que lleva a una disminución de Pf y Kleaf, así como a un cierre de estomas y una transpiración reducida, aunque con un menor impacto reductor en la fotosíntesis foliar. A nivel de toda la planta (d), BL (áreas en la figura con fondo azul) contribuye al mayor transporte de agua hacia los bordes del dosel, donde la temperatura y el déficit de presión de vapor (VPD) son significativamente mayores. Este mecanismo permite un mayor aporte del agua imprescindible para los procesos de transpiración y enfriamiento de estas zonas. Las hojas sombreadas (fondo rojo) reciben considerablemente menos BL. Sin embargo, dado que esas hojas transpiran menos y están expuestas a menos calor y VPD, la presencia reducida de BL mejora su eficiencia en el uso del agua (WUE). Tenga en cuenta que las áreas de fondo rojo de la figura están sombreadas en rojo con fines ilustrativos, pero el espectro de luz que llega a la planta normalmente incluiría otras longitudes de onda, como el rojo lejano y el verde, así como proporciones BL : RL más bajas como se describió anteriormente.

El artículo de investigación titulado “Illuminating plant water dynamics: the role of light in leaf hydraulic regulation”, ya está disponible en New Phytologist.

Investigadores
Yael Grunwald1,2, Adi Yaaran1, Menachem Moshelion1.

*Este trabajo pionero tiene sus raíces en las excepcionales tesis doctorales de dos jóvenes científicos, la Dra. Yael Grunwald y el Dr. Adi Yaaran.
Su investigación doctoral sentó las bases para los modelos discutidos en los artículos resultantes de sus estudios de doctorado, que se publicaron en revistas de jerarquía como Plant Cell, Plant Physiology, New Phytologist y The Plant Journal.
Este récord de publicación refleja la alta consideración que su trabajo tiene dentro de la comunidad científica.
Sus logros son particularmente notables, teniendo en cuenta las responsabilidades adicionales que asumieron como madres jóvenes durante su viaje de investigación.
Equilibrar la vida familiar con las exigencias de la investigación científica avanzada es una hazaña impresionante, que subraya su dedicación y resiliencia en sus respectivos campos.

Instituciones
1) Instituto de Ciencias Vegetales y Genética en la Agricultura, Facultad de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, Universidad Hebrea de Jerusalem.

2) Puesto actual: Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales del Instituto Weizmann de Ciencias.

Agradecimientos
A la Prof. Nava Moran, a la Dra. Tanmayee Torne Shrivastava y al Dr. Sanbon Chaka Gosa por sus perspicaces contribuciones en la configuración de la teoría BLSTP del BSC. Su experiencia y aportes han sido invaluables en este esfuerzo. Esta investigación fue apoyada por la beca N° 1043/20 de la Fundación de Ciencias de Israel (ISF).