El mejoramiento rápido es una tecnología agrícola novedosa que puede crear cultivos mejorados dos veces más rápido como crianza convencional. Este método acorta el tiempo de generación de reproducción al engañar al rígido reloj circadiano de la planta al manipular la duración de la luz y la temperatura.

Si bien el método de reproducción rápida se ha llevado a cabo principalmente bajo luces LED blancas, estudios anteriores han demostrado que la exposición a diferentes calidades de luz también puede promover el crecimiento y desarrollo de las plantas. Sin embargo, se desconoce la calidad óptima de la luz y el fotoperíodo asociado debido a las complejas interacciones entre múltiples fotorreceptores y proteínas que controlan el crecimiento de las plantas.

En un artículo publicado recientemente en in silico Plants, Dr. Mathias Foo, Profesor Asistente en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, y asociados utilizó modelos computacionales de plantas para comprender los efectos de las cualidades y el fotoperíodo en el crecimiento de las plantas.

Las plantas detectan y responden a la luz utilizando receptores, fitocromos y criptocromos, que regulan los componentes internos del reloj circadiano. El reloj genera ritmos biológicos y los exporta a genes regulados aguas abajo para coordinar eventos de desarrollo a lo largo de la vida de la planta.

Los autores utilizaron modelos para identificar los mecanismos moleculares dentro del reloj circadiano que son sensibles a diferentes calidades de luz y afectan el crecimiento de las plantas. Primero, crearon un nuevo modelo incorporando un función de calidad de la luz con un simple modelo de reloj circadiano de la planta.

El modelo de reloj circadiano tiene cuatro grupos de genes con múltiples bucles entrelazados y entradas de luz, lo que le permite responder a una amplia gama de tratamientos de duración de luz/oscuridad. El modelo incluía una variable sensible a la luz llamada proteína P como sustituto de los fitocromos que afectan el reloj circadiano. La proteína P es independiente del color de la luz. Para estudiar el impacto de las luces rojas y azules, los autores reemplazaron la proteína P con una función de calidad de la luz compuesta por tres fotorreceptores, el fitocromo A, el fitocromo B y el criptocromo 1, que son sensibles a la luz roja y azul, respectivamente.

Este estudio se centró en el crecimiento del hipocótilo. El hipocótilo es el tallo de la plántula ubicado sobre la raíz y debajo de las hojas de la semilla. El hipocotilo es la principal parte en crecimiento de una plántula de planta, por lo que sirve como un indicador relevante para relacionar las cualidades de la luz con el crecimiento de la planta.

Los autores incluyeron otro elemento en su modelo. Uno de los procesos de desarrollo controlados por la luz mejor caracterizados es la fotomorfogénesis de las plántulas (en la luz) y la eskotomorfogénesis (en la oscuridad). La fotomorfogénesis se caracteriza por la inhibición de la elongación del hipocótilo y del tallo, la apertura de los cotiledones, la diferenciación de los cloroplastos y la acumulación de clorofila y la expansión de las hojas. Por el contrario, la escotomorfogénesis se caracteriza por hipocotilos largos y tallos alargados, cotiledones cerrados con ganchos apicales, hojas no expandidas y plastidios y cloroplastos indiferenciados. El cambio de skotomorphogenesis a fotomorfogénesis está regulado por el centro de señalización de luz COP1 (complejo de ligasa CONSTITUTIVE PHOTOMORFOGENIC1/SUPPRESSOR OF PHYA-105 E3).

Foo explica la importancia de la inclusión de COP1 en su modelo:

“Recientemente se descubrió que las cascadas de señalización de los fotorreceptores activados por luz roja y azul compiten con los factores de transcripción aguas abajo para unirse a COP1. Esto podría conducir a una mayor elongación del hipocótilo bajo luz roja que azul y roja/azul. Por lo tanto, incluimos COP1 en nuestro modelo que investiga la calidad de la luz. Esta es la primera vez que esta interacción se incluye en un modelo de crecimiento de plantas”.

El nuevo modelo predijo que los receptores de luz roja y azul, fitocromo y criptocromo, se unen competitivamente con COP1 en condiciones de luz mixta (es decir, rojo y azul), lo que da como resultado una mayor elongación del hipocótilo en condiciones de luz roja que en condiciones de luz mixta. Para validar estos resultados, los autores cultivaron plantas de Arabidopsis bajo luz roja, azul o roja/azul durante tres fotoperíodos diferentes durante 10 días y midieron la longitud del hipocótilo. La predicción simulada se confirmó con los datos experimentales.

Foo concluye:

“Nuestro modelo descubrió que la duración y la calidad óptimas de la luz pueden acelerar el crecimiento de las plantas. Este modelo se puede utilizar para ayudar a los expertos a centrarse en un conjunto prometedor de cualidades de luz y combinaciones de fotoperíodos, lo que en última instancia conduce a una reducción drástica del tiempo y los recursos experimentales”.

LEE EL ARTÍCULO:

Miao Lin Pay, Dae Wook Kim, David E Somers, Jae Kyoung Kim, Mathias Foo, Modelado del reloj circadiano de plantas para caracterizar el crecimiento del hipocótilo bajo diferentes condiciones de calidad de luz, in silico Plants, 2022;, diac001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac001