Los estomas son poros exclusivos de las plantas y se encuentran en la epidermis de la mayoría de los tejidos aéreos. Los estomas actúan como guardianes para permitir la entrada de dióxido de carbono (CO₂) en la hoja para la fotosíntesis a expensas de la pérdida de vapor de agua por transpiración. La apertura y el cierre de los estomas están controlados por células protectoras, que se hinchan y encogen a medida que los iones entran y salen de ellas, respectivamente (Figura 1).

Durante la apertura del estoma, solutos osmóticamente activos se acumulan dentro de las células protectoras que aumentan la concentración de solutos, lo que resulta en una mayor presión osmótica dentro de la célula. Este desequilibrio de solutos entre el interior y el exterior de la membrana plasmática debe equilibrarse con el flujo de agua hacia la célula que eventualmente provoca cambios en la presión de turgencia. Un aumento en la presión de turgencia fuerza a la membrana plasmática contra la pared celular, lo que da como resultado el agrandamiento de las células protectoras que finalmente se arquean hacia afuera y hacen que se abra el poro estomático. A medida que los solutos salen de las células protectoras, el volumen celular disminuye, lo que hace que el poro se cierre. Turgencia de la celda protectora y cambios de volumen en respuesta a diversas condiciones ambientales, como el CO atmosférico₂ concentración, luz y disponibilidad de agua. Las células de guardia son excelentes sistemas modelo para estudiar el transporte de iones y diseccionar los vínculos moleculares entre la fisiología de las plantas y el medio ambiente.

Hay muchos estudios que investigan la interacción entre los estomas y el medio ambiente, pero la mayoría de ellos se centran en una señal ambiental individual que a menudo tampoco varía a lo largo del día, como la intensidad de la luz o la temperatura. En la naturaleza, las plantas enfrentan efectos multifacéticos y acumulativos del cambio climático que a menudo combinan señales ambientales contradictorias, como altas intensidades de luz y sequías. Por lo tanto, las plantas tienen que coordinar la mecánica molecular de los estomas para asegurar su crecimiento y desempeño bajo un escenario ambiental determinado. De manera similar, las plantas necesitan decodificar las señales complicadas que surgen de las condiciones ambientales que fluctúan a lo largo del día, como cuando las nubes pasan por encima o cuando las plantas vecinas les dan sombra. En tal caso, la maquinaria fotosintética se ajusta rápidamente a las condiciones de luz, mientras que las respuestas de los estomas generalmente se retrasan, ya sea haciendo que la fotosíntesis sea menos eficiente o permitiendo una pérdida excesiva de agua. La respuesta más lenta de los estomas a las fluctuaciones de luz afecta el crecimiento y la productividad de las plantas.

El riego de cultivos representa aproximadamente el 70 % del uso de agua dulce en el planeta, y su uso se ha expandido a tasas insostenibles durante las últimas tres décadas. Los científicos han estado tratando de encontrar formas de hacer que las plantas crezcan con menos agua maximizando la eficiencia del uso del agua, exprimiendo la cantidad máxima de carbono fijado por unidad de agua utilizada. La reducción del número de estomas da como resultado una menor pérdida de agua. Sin embargo, tales intentos pueden realizarse a expensas de la reducción de CO₂ absorción y, por lo tanto, reducción de la eficiencia en el uso del agua. Desde un punto de vista agronómico, este enfoque impacta negativamente en la ganancia de rendimiento, haciéndolo no sostenible. Además, este enfoque será beneficioso solo bajo ciertos escenarios ambientales de duración prolongada, por ejemplo, períodos de sequía persistentes, que a menudo no son necesariamente una imagen real de lo que se encuentra en el campo.

Para evitar este acoplamiento inherente de CO₂ absorción y pérdida de vapor de agua, Papanatsiou et al. (2019) utilizaron la optogenética para introducir un K activado por luz azul sintético⁺ canal de iones, llamado BLINK, en las células protectoras de la pequeña planta de mostaza Arabidopsis. Optogenética es una técnica bien establecida que se utiliza en las neurociencias para manipular la actividad de los canales iónicos y modular la transmisión de señales nerviosas mediante el uso de un estímulo de luz. Los autores plantearon la hipótesis de que mediante el uso de la optogenética podrían modular el transporte de iones en las células protectoras de los estomas para sincronizar mejor los movimientos de los estomas en respuesta a las condiciones de luz fluctuantes y, como consecuencia, mejorar el rendimiento de la planta (Figura 2).

Los autores demostraron que la expresión de BLINK en las células guarda de Arabidopsis introdujo una K⁺ flujo a través de la membrana de las células protectoras bajo tratamientos con luz azul. El K adicional⁺ El flujo provocado por la presencia de BLINK resultó en cambios más rápidos en la apertura y cierre de los estomas en respuesta a la luz. De hecho, los estomas que expresan la proteína BLINK requirieron aproximadamente la mitad del tiempo para alcanzar una respuesta de estado estable bajo el nuevo régimen de luz en comparación con las plantas de control. En efecto, BLINK actuó como un interruptor de luz que sincronizaba los movimientos estomáticos con la luz incidente. Para explorar más a fondo el potencial del enfoque BLINK, los autores cultivaron plantas en diversas condiciones de luz y puntuaron el crecimiento de las plantas y la producción de biomasa. Las plantas que expresan la proteína BLINK mostraron un mejor rendimiento, especialmente en condiciones fluctuantes que requieren ajustes rápidos en los movimientos de los estomas. De hecho, las plantas que expresan BLINK tenían rosetas significativamente más grandes y mostraron una duplicación en la acumulación de biomasa seca en comparación con las plantas de control. Lo que es más importante, los mismos efectos también fueron evidentes cuando las plantas crecieron en condiciones de limitación de agua.

El estudio de Papanatsiou et al. (2019) aboga por el uso de la optogenética para manipular el transporte de iones en las células vegetales. El transporte de iones es la fuerza impulsora de los cambios en la presión de turgencia que subyacen a muchos procesos de las plantas, como los movimientos estomáticos y la morfogénesis. Por lo tanto, la aplicación de herramientas optogenéticas similares a BLINK tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento de la planta. Lo que es más importante, la investigación destaca la influencia del comportamiento de los estomas en la fisiología de la planta y su impacto en la productividad de la planta. La manipulación de la cinética de las respuestas de los estomas se ha discutido a menudo como una estrategia prometedora para hacer coincidir el comportamiento de los estomas con la eficiencia del uso del agua. Este estudio valida tales propuestas y destaca la eficacia de la estrategia BLINK para equilibrar el equilibrio entre la fotosíntesis y la transpiración y para mejorar el rendimiento de la planta en condiciones de luz, típicas del crecimiento al aire libre. El desafío ahora radica en si los resultados presentados en el estudio de Papanatsiou et al. se puede traducir a cultivos. Los estomas de la mayoría de los principales cultivos siguen las mismas reglas moleculares que los del organismo modelo de la planta Arabidopsis. Por lo tanto, los autores argumentaron a favor de BLINK o herramientas optogenéticas similares como una estrategia eficaz para mejorar la productividad de los cultivos en condiciones de luz fluctuantes, que a menudo se encuentran en entornos agrícolas.

Sobre María Papanatsiou

Mi interés por la investigación biológica me llevó a la Universidad de Glasgow, donde completé mis estudios universitarios en Genética. Continué mis estudios de posgrado en biología molecular, celular y de sistemas y obtuve mi doctorado en la Universidad de Glasgow en 2014. Mi trabajo de doctorado se centró en la interacción entre el comportamiento estomático, la fisiología vegetal y el medio ambiente. Luego me mudé para unirme al grupo del Prof. Nagy en la Universidad de Edimburgo, donde amplié mis habilidades en el área de la fotobiología. Este trabajo investigó la base molecular de la transducción de señales a través del receptor de luz roja, el fitocromo B. Posteriormente, regresé a Glasgow para trabajar con Profesor Blatt y en colaboración con Prof. Christie, donde utilicé herramientas optogenéticas para modular el transporte de iones en los estomas para optimizar la fisiología, el crecimiento y el uso del agua de las plantas. Actualmente soy trabajando como investigador postdoctoral  con  Profesor Amtmann con el objetivo de decodificar las respuestas fisiológicas de las plantas a escenarios ambientales complejos, utilizando Arabidopsis y plantas de soja. A lo largo de mi carrera académica, me ha apasionado comunicación de la ciencia y he participado y organizado varias actividades de divulgación. He contribuido con comentarios sobre los últimos avances en la ciencia de las plantas y soy el editor de redes sociales de la revista científica. Planta, célula y medio ambiente.