Las plantas encuentran luz aprovechando los espacios entre sus células | Revista Quanta

En un estante lleno de macetas de terracota, las hierbas doblan sus tallos hacia la ventana más cercana. En un campo de flores silvestres doradas, las hojas giran con la trayectoria del sol. En un bosque moteado, las enredaderas se entrelazan con los árboles, extendiéndose cada vez más hacia arriba y alejándose de la oscuridad.

Desde la antigüedad, la capacidad de las plantas para orientar sus cuerpos sin ojos hacia la fuente de luz más cercana y brillante (lo que hoy se conoce como fototropismo) ha fascinado a los estudiosos y generado innumerables debates científicos y filosóficos. Y durante los últimos 150 años, los botánicos han desentrañado con éxito muchas de las vías moleculares clave que sustentan la forma en que las plantas perciben la luz y actúan en función de esa información.

Sin embargo, un misterio crítico ha perdurado. Los animales usan los ojos (un órgano complejo de lentes y fotorreceptores) para obtener una imagen detallada del mundo que los rodea, incluida la dirección de la luz. Los biólogos han establecido que las plantas poseen un poderoso conjunto de herramientas moleculares para medir la iluminación. Pero en ausencia de órganos sensoriales físicos obvios como las lentes, ¿cómo determinan las plantas la dirección precisa de donde proviene la luz?

Ahora, un equipo de investigadores europeos ha encontrado una respuesta. En un artículo reciente publicado en Ciencia:, informan que una maleza al borde del camino - Arabidopsis, una de las favoritas de los genetistas vegetales, utiliza los espacios de aire entre sus células para dispersar la luz, modificando la trayectoria de la luz que pasa a través de sus tejidos. De esta manera, los canales de aire crean un gradiente de luz que ayuda a las plántulas a determinar con precisión de dónde proviene la luz.

Al aprovechar los canales de aire para dispersar la luz, las plantas evitan la necesidad de órganos discretos como los ojos en favor de un truco más ingenioso: la capacidad de “ver” con todo el cuerpo.

Un debate profundamente arraigado

Se ha estudiado por qué y cómo las plantas se orientan hacia la luz. el tema de un feroz debate durante más de 2,000 años. Los primeros filósofos griegos sostenían que las plantas, como los animales, eran capaces de sentir y moverse, e incluso de desear e tener inteligencia. Pero pensadores posteriores como Aristóteles afirmaron que las plantas eran pasivas por naturaleza, incapaces de sentir su entorno y mucho menos moverse con él. "Las plantas no tienen sensación ni deseo", escribió en Sobre las plantas. "Estas opiniones debemos repudiarlas por considerarlas erróneas". Durante siglos, los eruditos tendieron a estar de acuerdo con él.

No fue hasta 1658 que el alquimista y filósofo natural Thomas Browne estableció el fototropismo como un hecho al documentar que las plántulas de mostaza que crecían en macetas en un sótano orientaban persistentemente su crecimiento hacia una ventana abierta. Pero durante más de dos siglos después, los biólogos continuaron discutiendo sobre cómo lo hacían las plantas y si respondían a la luz del sol o a su calor.

En 1880, Charles Darwin y su hijo Francis dirigieron experimentos para describir un mecanismo fototrópico que finalmente quedó demostrado. Como se describe en El poder del movimiento en las plantas, la pareja cultivó plántulas (plantas que aún no podían realizar la fotosíntesis y, en cambio, dependían de la energía almacenada de sus semillas) en una habitación oscura. Cuando la luz azul los iluminaba desde una dirección específica, las plantas se acercaban hacia ella. Luego, mientras los Darwin movían la luz por la habitación, siguieron los movimientos correspondientes de las plántulas.

Basándose en sus experimentos, los Darwin sugirieron que las plántulas eran más sensibles a la luz en la punta del brote y que lo que sentían allí conducía a la producción de alguna sustancia que influía en la dirección del crecimiento de la planta. En la década de 1920, los botánicos habían llegado a un cómodo consenso que desarrollaba ese modelo: que las plantas tenían sensores de luz en sus puntas y que producían hormonas (posteriormente identificadas como auxinas) que estimulaban un mayor crecimiento en sus lados sombreados, causando que sus tallos y hojas inclinarse hacia la luz.

Como muchos grandes descubrimientos, éste abrió una nueva pregunta: ¿cómo exactamente podían las plantas sentir la luz en primer lugar? Carecían de cualquier órgano sensorial obvio. Los investigadores empezaron a sospechar que las plantas debían tener capacidades sensoriales sofisticadas.

Los biólogos moleculares tomaron la iniciativa y demostraron que las plantas pueden medir y reaccionar a un espectro de luz mucho más amplio que el que podemos medir con nuestros ojos animales, aunque carecen de un órgano especializado para la percepción. Cinco familias diferentes de fotorreceptores, además de hormonas y vías de señales, trabajan juntas para dictar hasta el nivel celular la dirección en la que una planta construye tejido nuevo, lo que explica cómo los tallos se tuercen, giran y se disparan hacia arriba según sea necesario. Estos fotorreceptores están repartidos por todo el cuerpo de la planta, pero se concentran en gran medida en el tejido interno del tallo, dijo Christian Fankhauser, biólogo vegetal de la Universidad de Lausana en Suiza y autor del nuevo estudio.

Sin embargo, los sensores simples no son suficientes por sí solos para dar a las plantas la capacidad de determinar la dirección de la luz. Para identificar mejor la dirección de una iluminación intensa, una planta necesita poder comparar señales entre diferentes fotorreceptores para que puedan orientar su crecimiento hacia la luz más intensa. Y para ello necesitan que la luz entrante incida sobre sus sensores en un gradiente de más brillante a más tenue.

Los animales han solucionado este problema mediante el desarrollo de los ojos. Un organismo simple, como un gusano planario, se las arregla con “manchas oculares” que simplemente detectan la presencia o ausencia de luz. En ojos de animales más complejos como el nuestro, las características anatómicas como el cristalino luz directa hacia la retina, que está repleto de fotosensores. Luego, el cerebro compara la cantidad de luz que llega a través de la lente curva con la cantidad que se registra en células separadas. Este sistema, que combina la manipulación física de la luz con sensores moleculares, permite la detección de gradientes de brillo y sombras de grano fino, y su resolución en la imagen que llamamos vista.

Pero como las plantas no tienen cerebro, necesitan un sistema pasivo para llegar a las mismas conclusiones. Por eso es importante la capacidad de las plantas para formar gradientes físicos: crean distinciones inherentes entre las células sin necesidad de que la planta haga comparaciones activas.

Así, los botánicos se enfrentaron a un enigma. ¿Fue el fototropismo un proceso totalmente molecular, como algunos sospechaban, o podrían las plantas alterar los rayos de luz para crear un gradiente y dirigir mejor su respuesta? Si esto último fuera cierto, entonces las plantas deben tener estructuras físicas que les permitan enfocar la luz.

Esa estructura finalmente sería identificada en una versión mutante de una maleza al borde del camino que luchaba por encontrar la luz.

El mutante ciego

Thale berro, conocido por la ciencia como Arabidopsis thaliana — no es una planta particularmente atractiva. A esta hierba de 25 centímetros de altura le gustan los terrenos perturbados, los bordes de los campos y los arcenes de las carreteras. Originaria de África y Eurasia, ahora se encuentra en todos los continentes excepto en la Antártida. Desde entonces, los biólogos vegetales lo han adaptado a un estilo de vida científico: su corto ciclo de vida, su pequeño genoma (completamente mapeado en 2000) y la tendencia a producir mutaciones útiles en el laboratorio lo convierten en un excelente organismo modelo para comprender el crecimiento y la genética de las plantas.

Fankhauser ha trabajado con Arabidopsis desde 1995 para estudiar cómo la luz influye en el crecimiento de las plantas. En 2016, su laboratorio examinó los genes de plántulas para encontrar plantas mutantes con respuestas inusuales a la luz. Cultivaron las semillas en una habitación oscura con luces azules para dirigir las plántulas hacia los lados. A partir de ahí, el experimento se desarrolló más o menos como lo hicieron los Darwin hace 150 años: a medida que los investigadores cambiaban la dirección de la luz, las plantas se reorientaban hacia ella.

Sin embargo, una planta mutante tuvo problemas. Si bien no tuvo problemas para detectar la gravedad, parecía incapaz de seguir la luz. En cambio, se inclinaba en todas direcciones, como si estuviera ciego y tanteara en la oscuridad.

Al parecer, algo había salido mal con la capacidad del mutante para sentir la luz. Cuando el equipo examinó la planta, descubrieron que tenía los fotorreceptores típicos, según la bióloga vegetal Martina Legris, postdoctorada en el laboratorio de Fankhauser y coautora del nuevo artículo. Pero cuando el equipo miró el tallo bajo el microscopio, notaron algo extraño.

Lo salvaje Arabidopsis, como la mayoría de las plantas, tiene canales de aire entre sus células. Estas estructuras son como conductos de ventilación tejidos alrededor de los compartimentos celulares sellados y se sabe que desempeñan funciones importantes tanto en la fotosíntesis como en la oxigenación de las células. Pero los canales de aire de la planta mutante se inundaron de agua. El equipo rastreó la mutación del gen. abcg5, que produce una proteína que puede ayudar a impermeabilizar la pared celular para garantizar que los conductos de aire de la planta sean herméticos.

Intrigados, los investigadores intentaron un experimento. Llenaron con agua los conductos de aire intercelulares de plantas no mutantes para ver si esto afectaba su crecimiento. Al igual que los mutantes, estas plantas tuvieron dificultades para determinar de dónde provenía la luz. "Podemos ver que estas plantas son genéticamente normales", dijo Legris. "Lo único que les falta son estos canales de aire".

Los investigadores dedujeron que la planta se orienta hacia la luz mediante un mecanismo basado en el fenómeno de la refracción: la tendencia de la luz a cambiar de dirección al pasar por diferentes medios. Debido a la refracción, explicó Legris, la luz que pasa a través de una superficie normal Arabidopsis se dispersará bajo la superficie del tallo: cada vez que pasa a través de una célula vegetal, que es principalmente agua, y luego a través de un canal de aire, cambia de dirección. Dado que parte de la luz se redirige en el proceso, los canales de aire establecen un gradiente de luz pronunciado a través de diferentes células, que la planta puede utilizar para evaluar la dirección de la luz y luego crecer hacia ella.

Por el contrario, cuando estos canales de aire se llenan de agua, se reduce la dispersión de la luz. Las células vegetales refractan la luz de forma similar a un canal inundado, ya que ambas contienen agua. En lugar de dispersarse, la luz pasa casi directamente a través de las células y los canales inundados hacia lo más profundo del tejido, disminuyendo el gradiente de luz y privando a las plántulas de diferencias en la intensidad de la luz.

Viendo la luz

La investigación sugiere que estos canales de aire desempeñan un papel fundamental a la hora de ayudar a las plantas jóvenes a rastrear la luz. Roger Hangarter, biólogo vegetal de la Universidad de Indiana en Bloomington, que no participó en el nuevo estudio, lo elogió por encontrar una solución inteligente a un problema de larga data. Fankhauser, Legris y sus colegas “muy bien pusieron el clavo en el ataúd sobre la importancia de estos espacios aéreos”, dijo.

La idea ya había surgido antes, señaló Hangarter. En 1984, un equipo de investigadores de la Universidad de York sugirió que canales de aire entre las células vegetales podría ayudar a establecer el gradiente de luz necesario. Pero como el equipo no tenía los fondos para llevar a cabo experimentos costosos, su sugerencia no fue probada.

"Siempre nos resultó desconcertante cómo estas pequeñas, diminutas, casi transparentes, [plantas embrionarias] podían detectar un gradiente", dijo Hangarter. “Realmente nunca le dimos mucho crédito al asunto del espacio aéreo porque estábamos distraídos buscando las moléculas involucradas. Entras en un determinado camino de investigación y te pones las anteojeras”.

El mecanismo del canal de aire se suma a otros ingeniosos dispositivos que las plantas han desarrollado para controlar cómo la luz se mueve a través de ellos. Por ejemplo, la investigación de Hangarter ayudó a establecer que los cloroplastos (los orgánulos celulares que realizan la fotosíntesis) Bailan activamente dentro de las células de las hojas. para mover la luz. Los cloroplastos pueden agruparse con avidez en el centro de la célula para absorber la luz débil o huir hacia los márgenes para permitir que la luz más fuerte penetre más profundamente en los tejidos vegetales.

Por ahora, los nuevos hallazgos sobre los canales de aire se extienden sólo a las plántulas. Si bien estos canales de aire también aparecen en las hojas adultas, donde se ha demostrado que desempeñan un papel en la dispersión y distribución de la luz, nadie ha probado aún si desempeñan un papel en el fototropismo, dijo Legris.

No está claro cuánto tiempo llevan los canales de aire desempeñando este papel. Los fósiles de plantas terrestres primitivas de hace 400 millones de años no muestran raíces ni hojas, pero sí los tejidos centrales de las plantas. espacios de aire intercelulares bastante grandes. Quizás surgieron inicialmente para la aireación de tejidos o el intercambio de gases, dijo Fankhauser, y luego se adaptaron a su papel en el fototropismo. O tal vez las plantas desarrollaron espacios aéreos en los tallos en parte para ayudarles a sentir la luz, y luego los utilizaron para realizar otras funciones.

"Comprender mejor estas estructuras (cómo se construyen, cuál es el mecanismo detrás de ellas) es interesante para los biólogos vegetales más allá de la cuestión de cómo las plantas perciben la dirección de la luz", dijo Fankhauser.

También podría ayudar a exorcizar el fantasma de Aristóteles, que aún persiste en la percepción que la gente tiene de las plantas, afirmó. “Muchas personas tienen la sensación de que las plantas son organismos muy pasivos: no pueden anticipar nada; simplemente hacen lo que les pasa”.

Pero esa idea se basa en nuestras expectativas sobre cómo deberían verse los ojos. Resulta que las plantas han desarrollado una forma de ver con todo su cuerpo, una forma de ver entretejida en los espacios entre sus células. No necesitan nada tan torpe como un par de ojos para seguir la luz.