El papel crítico de las reservas

Los árboles y bosques enteros en todo el mundo están amenazados por el aumento de los extremos climáticos y las consiguientes infestaciones de insectos. Como organismos sésiles, los árboles no pueden escapar de las condiciones ambientales amenazadoras y deben adaptar sus procesos metabólicos para hacer frente a las amenazas. De vital importancia para las plantas es la producción de moléculas de azúcar ricas en energía (carbohidratos) mediante la fotosíntesis. Estos compuestos sirven como fuentes de energía y como bloques de construcción básicos para todos los procesos metabólicos. Durante los extremos climáticos, como la sequía prolongada o el calor, la fotosíntesis se ve afectada y los árboles producen menos carbohidratos porque el CO₂ la absorción disminuye y el agua es escasa. La demanda de azúcares ricos en energía no se satisface y las plantas tienen que depender de las reservas almacenadas para mantener los procesos metabólicos vitales. Cuando las reservas se agotan, las plantas pueden morir de hambre o volverse vulnerables a las enfermedades y los ataques de insectos a medida que falla el sistema de defensa.

A pesar de su papel crítico, se asumía hasta ahora que reservas como azúcares solubles, almidón o grasas solo se forman cuando las condiciones fotosintéticas son favorables y su tasa de producción supera la demanda de otras funciones como el crecimiento. “Desde una perspectiva evolutiva que no tiene sentido. Los árboles tienen que sobrevivir durante décadas antes de que puedan reproducirse, y una fuente confiable de reservas rápidamente disponibles juega un papel crucial en la supervivencia de los frecuentes períodos desfavorables”, subraya el Dr. Henrik Hartmann, líder del grupo. en el Instituto Max Planck de Biogeoquímica (BGC) en Jena. “¿Por qué un árbol debería invertir en crecimiento en lugar de asegurar la supervivencia inmediata y futura acumulando más reservas?”

Para investigar la importancia del almacenamiento para la supervivencia de los árboles, el Dr. Jianbei Huang, investigador postdoctoral del grupo de investigación y primer autor del estudio reciente, sometió a los abetos jóvenes a un tratamiento de inanición cultivándolos a niveles muy bajos de CO₂ concentraciones durante varias semanas. Esto le permitió simular tasas fotosintéticas reducidas que ocurren durante los extremos climáticos al estudiar los carbohidratos de las plantas. Inicialmente, los compuestos de almacenamiento fácilmente disponibles disminuyeron como se esperaba, ya que se usaron para el metabolismo y no se pudieron reponer con una reducción de CO₂ suministro. Sorprendentemente, como CO₂ progresó el hambre, los compuestos de almacenamiento se estabilizaron a un nivel constante y los árboles dejaron de crecer. “Cuando la producción fotosintética se volvió demasiado baja para suministrar adecuadamente carbono a todas las funciones, los árboles redujeron su crecimiento y desviaron los recursos disponibles para el almacenamiento”, concluye Huang.

Tres a cinco semanas después del inicio del CO₂ hambre, los investigadores también examinaron la actividad genética de las células vegetales, en particular la expresión de genes que codifican enzimas implicadas en procesos metabólicos. “Descubrimos por primera vez que después de una inanición prolongada se incrementó la producción de enzimas responsables de los compuestos de almacenamiento de acceso rápido”, dice Huang. Por el contrario, la expresión génica de las enzimas implicadas en los procesos de crecimiento, como la producción de celulosa y lignina, se redujo en gran medida, lo que confirma el equilibrio entre el almacenamiento y el crecimiento a nivel molecular.

Aún más sorprendente, se impulsaron las vías metabólicas para la producción de energía alternativa, como se encontró por el aumento de la producción de enzimas responsables de la conversión de moléculas complejas de grasa en carbohidratos ricos en energía. “Parece que las plantas prefieren sacrificar las estructuras prescindibles y, aparentemente, incluso digerirse a sí mismas, en lugar de renunciar a la formación de almacenamiento”, dice Hartmann. “Por lo tanto, la estrategia para la producción y el almacenamiento de energía, al tiempo que se detiene el consumo de energía innecesario para el crecimiento, se implementa de manera consistente durante el CO₂ inanición.”

El tiempo que los árboles pueden sobrevivir a los extremos climáticos con esta estrategia y si los árboles aparentemente sanos ya podrían estar en el modo de emergencia de autodigestión son preguntas de seguimiento que la investigación debe abordar con urgencia. En conjunto, el hallazgo novedoso de que los abetos hambrientos de carbono acumulan reservas da esperanzas de que esta adaptación permita que los bosques se recuperen del estrés climático.

Los estudios previos sobre estrategias de almacenamiento en plantas se limitaron a especies herbáceas de vida corta como Arabidopsis, cubriendo solo unas horas a unos pocos días. Sin embargo, para las plantas de larga vida que tardan décadas en reproducirse y que están continuamente expuestas a cambios de estación y extremos climáticos esporádicos, los hallazgos sobre Arabidopsis pueden ser de poca relevancia. “Por supuesto, los árboles deben seguir una estrategia de almacenamiento que les permita sobrevivir más tiempo que las hierbas bienales”, dice Huang, “¿de qué otra manera han logrado persistir en la Tierra durante casi 400 millones de años?”

“Nuestros hallazgos de colaboración, que incluso bajo estrés extremo (agotamiento del carbono), los abetos todavía pueden almacenar reservas, son nuevos e inesperados”, dice la profesora Nicole van Dam, coautora de iDiv y FSU. “Dan esperanzas de que los árboles forestales severamente estresados ​​puedan utilizar estas reservas para recuperarse”.

Las coníferas, como los abetos estudiados aquí, dominan muchos ecosistemas del hemisferio norte y tienen otras funciones ecológicas muy importantes además de absorber y almacenar el gas de efecto invernadero dióxido de carbono. Sin embargo, muchas especies de coníferas no están adaptadas a las condiciones más cálidas y secas impuestas por el cambio climático y, por lo tanto, están particularmente amenazadas. Su supervivencia y desarrollo forestal general se simulan en modelos de vegetación. Sin embargo, estos se basan en las ideas más antiguas de que el suministro de la fotosíntesis impulsa directamente el crecimiento, ignorando la asignación de azúcares ricos en energía al almacenamiento y las reservas. “Sobre la base de nuestros nuevos hallazgos, estos modelos ahora se pueden diseñar de manera más realista”, enfatiza Hartmann, “y los resultados de modelos más confiables son extremadamente importantes para predecir el futuro de nuestros bosques, especialmente bajo el avance del cambio climático”.

Proporcionado por el Centro Alemán para la Investigación Integrativa de la Biodiversidad