Descubrimiento Accidental: Cómo un Aroma de una Sustancia Química Inusual Transforma Plántulas en Super Plantas.

'Priming' las plantas mediante la exposición a ciertos productos químicos mientras son semillas puede afectar su crecimiento en etapas posteriores de su vida.

Investigadores han descubierto que el tratamiento de las semillas con gas etileno aumenta tanto su crecimiento como su tolerancia al estrés. Este descubrimiento, que implica una mayor fotosíntesis y producción de carbohidratos en las plantas, ofrece un avance potencial en la mejora de los rendimientos de los cultivos y la resistencia contra factores de estrés ambientales.

Al igual que cualquier otro organismo, las plantas pueden estresarse. Normalmente, son las condiciones como el calor y la sequía las que conducen a este estrés, y cuando están estresadas, las plantas pueden no crecer tanto ni producir tanto. Esto puede ser un problema para los agricultores, por lo que muchos científicos han intentado modificar genéticamente las plantas para que sean más resistentes.

Sin embargo, las plantas modificadas para obtener mayores rendimientos de cultivo tienden a tener una menor tolerancia al estrés porque invierten más energía en el crecimiento que en la protección contra el estrés. De manera similar, mejorar la capacidad de las plantas para sobrevivir al estrés a menudo resulta en plantas que producen menos debido a que invierten más energía en la protección que en el crecimiento. Este dilema dificulta la mejora de la producción de cultivos.

He estado estudiando cómo la hormona vegetal etileno regula el crecimiento y las respuestas al estrés en las plantas. En un estudio publicado en julio de 2023, mi equipo hizo una observación inesperada y emocionante. Descubrimos que cuando las semillas germinan en la oscuridad, como suelen hacerlo bajo tierra, agregar etileno puede aumentar tanto su crecimiento como su tolerancia al estrés.

Las plantas no pueden moverse, por lo que no pueden evitar condiciones ambientales estresantes como el calor y la sequía. Captan una variedad de señales de su entorno, como la luz y la temperatura, que modelan su crecimiento, desarrollo y respuesta a condiciones estresantes. Como parte de este proceso de regulación, las plantas producen diversas hormonas que forman parte de una red reguladora que les permite adaptarse a las condiciones ambientales.

El etileno fue descubierto por primera vez como una hormona gaseosa vegetal hace más de 100 años. Desde entonces, la investigación ha demostrado que todas las plantas terrestres estudiadas producen etileno. Además de controlar el crecimiento y responder al estrés, también está involucrado en otros procesos, como hacer que las hojas cambien de color en otoño y estimular la maduración de las frutas.

Mi equipo se enfoca en cómo las plantas y las bacterias detectan el etileno y cómo interactúa con otras vías hormonales para regular el desarrollo de las plantas. Durante esta investigación, mi grupo hizo un descubrimiento accidental.

Habíamos llevado a cabo un experimento en el que las semillas germinaban en una habitación oscura. La germinación de las semillas es un período crítico en la vida de una planta cuando, en condiciones favorables, la semilla pasa de estar inactiva a convertirse en una plántula.

Para este experimento, expusimos las semillas al gas de etileno durante varios días para ver qué efecto podría tener. Luego, retiramos el etileno. Normalmente, aquí es donde terminaría el experimento. Sin embargo, después de recopilar datos sobre estas plántulas, las trasladamos a un carro de luz. Esto no es algo que hagamos normalmente, pero queríamos hacer crecer las plantas hasta su etapa adulta para obtener semillas para futuros experimentos.

Varios días después de colocar las plántulas bajo luz, algunos miembros del equipo de laboratorio hicieron la observación inesperada y sorprendente de que las plantas expuestas brevemente al etileno eran mucho más grandes. Tenían hojas más grandes y sistemas de raíces más largos y complejos que las plantas que no habían sido expuestas al etileno. Estas plantas continuaron creciendo a un ritmo más rápido durante toda su vida.

La planta de la izquierda no fue previamente expuesta al etileno, mientras que la planta de la derecha sí lo fue. Ambas plantas tienen la misma edad. Crédito: Binder lab, Universidad de Tennessee, Knoxville

Mis colegas y yo queríamos saber si diferentes especies de plantas mostraban estimulación del crecimiento al exponerse al etileno durante la germinación de las semillas. Descubrimos que la respuesta es sí. Probamos los efectos del tratamiento breve de etileno en la germinación de semillas de tomate, pepino, trigo y rúcula: todas crecieron más.

Pero lo que hizo que esta observación fuera inusual y emocionante es que el breve tratamiento con etileno también aumentó la tolerancia a diversos factores de estrés, como el estrés salino, la alta temperatura y la baja oxigenación.

Los efectos a largo plazo sobre el crecimiento y la tolerancia al estrés a partir de una breve exposición a un estímulo se denominan regularmente efectos de anticipación. Se puede pensar en esto de manera similar a preparar una bomba, donde la anticipación ayuda a que la bomba se ponga en marcha más fácil y rápidamente. Se han realizado estudios sobre cómo las plantas crecen después de la preparación en diversas edades y etapas de desarrollo. Pero la preparación de semillas con productos químicos y factores de estrés ha sido probablemente la más estudiada porque es fácil de llevar a cabo y, si tiene éxito, puede ser utilizada por los agricultores.

Desde ese primer experimento, mi grupo de laboratorio ha intentado descubrir qué mecanismos permiten que estas plantas expuestas al etileno crezcan más y toleren más estrés. Hemos encontrado algunas posibles explicaciones.

One is that ethylene priming increases photosynthesis, the process plants use to make sugars from light. Part of photosynthesis includes what is called carbon fixation, where plants take CO₂ from the atmosphere and use the CO₂ molecules as the building blocks to make the sugars.

During photosynthesis and carbon fixation, plants take in sunlight and convert it into the sugars that they use to grow.

My lab group showed that there is a large increase in carbon fixation – which means the plants are taking in much more CO₂ from the atmosphere.

Correlating with the increase in photosynthesis is a large increase in carbohydrate levels throughout the plant. This includes large increases in starch, which is the energy storage molecule in plants, and two sugars, sucrose and glucose, that provide quick energy for the plants.

More of these molecules in the plant has been linked to both increased growth and a better ability for plants to withstand stressful conditions.

Our study shows that environmental conditions during germination can have profound and long-lasting effects on plants that could increase both their size and their stress tolerance at the same time. Understanding the mechanisms for this is more important than ever and could help improve crop production to feed the world’s population.

Written by Brad Binder, Professor of Biochemistry & Cellular and Molecular Biology, University of Tennessee.

Adapted from an article originally published in The Conversation.