La forma de crecimiento general de una planta y la disposición de sus partes, o características arquitectónicas, impactan la cantidad de energía solar que llega a las hojas dentro del dosel. Esto, a su vez, afecta la fotosíntesis, que es esencial para el crecimiento de las plantas y la producción de biomasa.

La eficiencia de la fotosíntesis depende en gran medida del nitrógeno limitado disponible para invertir en proteínas responsables de recolectar energía luminosa y convertir esa energía en carbohidratos (carboxilación). La asignación óptima de nitrógeno entre estas dos funciones fotosintéticas es vital para lograr una fotosíntesis eficiente y se conoce como su estrategia de aclimatación fotosintética.

Durante su trabajo doctoral en la Leibniz Universität Hannover, Dr. Yi-Chen Pao dirigió un estudio sobre la coordinación entre la estrategia de aclimatación fotosintética y las características arquitectónicas para maximizar la fotosíntesis del dosel. Este trabajo fue recientemente publicado en la revista in silico Plantas.

Para el primer experimento, los autores emplearon un modelo mecanicista de pepino que fue desarrollado previamente por Pao y sus colegas para investigar la coordinación óptima entre la estrategia de aclimatación fotosintética y las características arquitectónicas. Realizaron simulaciones de plantas con diferentes ángulos de hojas y observaron los patrones de asignación de nitrógeno fotosintético. Los valores de los parámetros utilizados en los modelos se obtuvieron de estudios previos.

Descubrieron que la inversión de nitrógeno en la cosecha de luz era mayor que en la conversión de carbohidratos en condiciones que conducían a una baja penetración de la luz en el dosel. Esto incluyó momentos temprano en el día cuando la exposición acumulada a la luz solar era baja y cuando las hojas estaban más horizontales, lo que resultaba en autosombra.

En un segundo experimento, los autores probaron si se podía observar una coordinación óptima entre la estrategia de aclimatación fotosintética y las características arquitectónicas en variedades de pepino del mundo real. Eligieron dos cultivares contrastantes:

• Aramon tenía hojas más grandes y verticales y
• SC-50 tenía hojas más pequeñas y más horizontales.

Las plantas se cultivaron en condiciones óptimas de invernadero. Durante tres semanas, los investigadores realizaron mediciones de diversas características arquitectónicas de las plantas, como el ángulo de las hojas, el índice de área foliar y el grado de penetración de la luz a través del dosel. Además, midieron la fotosíntesis y el nitrógeno de las hojas, que se utilizaron para calcular las reservas de nitrógeno fotosintético.

El experimento del mundo real confirmó su in silico Hallazgos: la inversión de nitrógeno se dio prioridad a la carboxilación con mucha luz y a la cosecha ligera con poca luz para ambos cultivares. “No sorprende que la simulación predijera con precisión las respuestas del mundo real. Es sorprendente cómo las plantas pueden adaptarse a su entorno y podemos capturarlo utilizando modelos simples”, dijo Pao.

Para determinar si los dos cultivares tenían una coordinación óptima entre las características arquitectónicas y las estrategias de aclimatación fotosintética cuando se cultivaban en un dosel, ejecutaron las simulaciones del modelo nuevamente, esta vez incluyendo parámetros arquitectónicos derivados del experimento del cultivar del mundo real. Los parámetros específicos del cultivar incluyeron la arquitectura (ángulo, tamaño y densidad de la hoja) y la proporción de nitrógeno foliar dividido para la fotosíntesis. La partición teórica óptima del nitrógeno entre la captura de luz y la conversión de carbohidratos se determinó como la combinación que daba como resultado la tasa diaria más alta de fotosíntesis.

La adherencia al óptimo varió a lo largo del espectro de disponibilidad de luz para ambos cultivares, pero SC-50 fue el más cercano al óptimo. “SC-50 tiene hojas horizontales que capturan más luz y una partición del nitrógeno más sensible, lo que le permite satisfacer las necesidades de las hojas expuestas a diferentes niveles de luz. Esta es una estrategia inteligente para coordinar la función con la arquitectura bajo una fuerte competencia de iluminación”, explicó Pao.

La utilización de modelos computacionales jugó un papel fundamental al ofrecer un punto de vista integral sobre la variación genotípica en las estrategias de aclimatación fotosintética, las arquitecturas del dosel y su coordinación óptima en este estudio.

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Yi-Chen Pao, Hartmut Stützel, Tsu-Wei Chen, Coordinación óptima entre la estrategia de aclimatación fotosintética y la arquitectura del dosel en dos cultivares de pepino contrastantes, in silico Plants, Volumen 5, Número 2, 2023, diad014, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad014

Este artículo forma parte del número especial sobre Modelado multiescala de la fotosíntesis