Comprender cómo las plantas detienen y reinician el crecimiento puede ayudar a desarrollar cultivos resilientes al clima

Cuando las plantas se enfrentan al frío, a las inundaciones o a la tierra reseca, no pueden huir ni buscar refugio como los animales. En cambio, deben desarrollar formas de superarlos y sobrevivir hasta que mejore el clima.

Algunas plantas hacen esto pausando la productividad hasta que mejore el clima. En nuestra investigación publicada recientemente, descubrimos qué genes controlan el mecanismo de “pausa y reproducción” del crecimiento de las plantas y son fundamentales para la supervivencia de los cultivos canadienses.

Nuestro objetivo es comprender los factores genéticos que controlan el crecimiento para que, en última instancia, puedan utilizarse para mejorar la resiliencia de los cultivos en Canadá y en todo el mundo.

Un clima cambiante significa que los fenómenos meteorológicos extremos son cada vez más comunes. Estos descubrimientos pueden ayudar a crear cultivos genéticamente modificados y resilientes al clima que puedan recuperarse más rápida y eficientemente de las crisis climáticas.

Es más probable que estas plantas completen su ciclo de vida y produzcan alimentos durante la temporada de cosecha, incluso después de sufrir tormentas de nieve, olas de calor o inundaciones.

Cómo reaccionan las plantas al estrés

Para tener una idea de cómo las plantas toleran el estrés, medimos el crecimiento de las raíces bajo una variedad de estreses ambientales que los cultivos canadienses y de relevancia mundial enfrentan comúnmente durante su ciclo de vida. Estos incluyen temperaturas frías, estrés salino y condiciones similares a las de sequía. Para nuestros primeros experimentos utilizamos berro (Arabidopsis thaliana).

Planta de Brachypodium distachion. (Neil Harris/Universidad de Alberta), CC BI-SA

Las raíces son particularmente útiles para este tipo de investigación porque crecen continuamente y responden rápidamente a los cambios ambientales.

Al medir la longitud de las raíces a lo largo del tiempo, pudimos ver cuándo el crecimiento se desaceleró y cuándo continuó. Probamos la longitud de la raíz en un organismo modelo.

Descubrimos que las plantas analizadas detuvieron el crecimiento de las raíces cuando se expusieron al estrés por frío o sal. Cuando se eliminó el estrés y las plantas volvieron a las condiciones normales de crecimiento, el crecimiento de las raíces se reanudó normalmente en aproximadamente 24 horas.

Sin embargo, las plantas no respondieron de la misma manera a cada tipo de estrés. Descubrimos que las plantas pueden recuperarse del estrés osmótico o del estrés por sequía, pero tardan un poco más en hacerlo. A esa dinámica la llamamos “pausa y empuje” porque las plantas necesitan tiempo para salir adelante y recuperarse.

Para probar si ocurre la misma respuesta al estrés en otras especies de plantas, nos asociamos con investigadores del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos. Juntos, repetimos los experimentos utilizando dos pastos silvestres estrechamente relacionados con los cereales principales: brachypodium (Brachipodium distachion) y raigrás anual (Lolium multiflorum).

Los pastos mostraron patrones similares de respuesta al estrés y recuperación. Esto sugiere que el mecanismo que detiene y reinicia el crecimiento puede ser común a muchas especies de plantas.

Determinación de genes de recuperación del estrés.

Observar estas dinámicas es una cosa, pero ¿cómo pueden los científicos entender lo que está sucediendo a nivel genético y molecular?

Un enfoque común es adjuntar un marcador fluorescente a los genes de interés. Los científicos suelen utilizar una proteína verde fluorescente, descubierta originalmente en las medusas, que brilla bajo cierta luz.

Una vez que esta proteína se inserta en el genoma de una planta, los investigadores pueden conectarla a un gen de interés para ver cuándo y dónde ese gen se activa a medida que se ilumina dentro de las células.

Sabíamos que la falta de crecimiento durante el estrés se debía a una reducción en la división celular, por lo que nos centramos en genes asociados con la división celular. Utilizando marcadores fluorescentes, observamos cómo las células vegetales brillaban de manera diferente en respuesta al estrés y en la recuperación del estrés.

Después de contar miles de células durante meses, pudimos ver que ciertos genes estaban presentes en menos células cuando las plantas estaban sometidas a estrés por frío, sequía y sal. Sin embargo, aproximadamente 24 horas después de regresar a las condiciones óptimas de crecimiento, sus números volvieron a la normalidad.

Destacó un gen en particular: la quinasa A;1 dependiente de ciclina (CDKA;1). Este gen ayuda a regular el ciclo celular, un proceso que controla cuándo las células se dividen y crecen. Un gen relacionado llamado CDK1 existe en animales y humanos, donde realiza funciones similares.

Después de realizar múltiples experimentos dirigidos a CDKA;1 en plantas, descubrimos que la inhibición del gen impedía que las plantas se recuperaran del estrés por frío y sal. Esto sugiere que CDKA;1 desempeña un papel vital para ayudar a las plantas a reanudar el crecimiento cuando las condiciones ambientales se estabilizan.

Apoyando la seguridad alimentaria

Un tractor trabajando en una granja en Manotick, Ontario, en julio de 2022. CANADIAN PRESS/Adrian Wild

Nuestro objetivo es ayudar a que los cultivos se recuperen más rápido. No podemos detener las olas de calor ni las tormentas de nieve. Sin embargo, la orientación genética puede ayudar a las plantas a recuperarse de estos eventos y aún producir a tiempo para la cosecha.

Comprender estos genes abre la puerta a nuevos enfoques en el mejoramiento de cultivos. Los investigadores podrían buscar variantes naturales de estos genes que ya existen en las poblaciones de cultivos. Los programas de mejoramiento tradicionales podrían entonces seleccionar variedades que se recuperen más rápidamente del estrés.

Otra opción son las herramientas modernas de edición de genes como CRISPR. Esta herramienta permite a los científicos realizar cambios precisos en el ADN de una planta, incluido el refuerzo o ajuste de genes implicados en la recuperación del estrés.

A medida que avanza nuestra investigación, esperamos modificar la genética de estas variedades de cultivos canadienses y crear nuestras propias líneas editadas con CRISPR que sean más capaces de afrontar un clima cambiante.

La mejora de la recuperación del estrés también podría extenderse a los lugares donde se pueden cultivar los cultivos. Las regiones que actualmente experimentan un clima impredecible o temporadas de crecimiento cortas pueden volverse más adecuadas para la agricultura si los cultivos pueden recuperarse rápidamente del estrés.

Para Canadá, esto podría ayudar a estabilizar la producción en áreas donde la variabilidad climática está aumentando. Para el sistema alimentario mundial, esto podría hacer que los cultivos estén mejor equipados para hacer frente a la incertidumbre ambiental que se espera en las próximas décadas.

Al identificar genes que permiten a las plantas detener el crecimiento durante el estrés y reiniciarlo, estamos comenzando a comprender una estrategia crítica de supervivencia en las plantas. En última instancia, este conocimiento puede ayudar a garantizar que los cultivos sigan produciendo cosechas confiables en un clima cambiante.