La memoria fotoprotectora de las algas tiene implicaciones para la productividad de los cultivos
La fluctuación de la luz solar plantea un desafío para las plantas y las algas verdes, que deben ajustar rápidamente sus sistemas fotosintéticos para seguir siendo eficientes en condiciones cambiantes. Para ayudar a esa respuesta existe una especie de rudimentaria memoria que permite a estos organismos reaccionar más rápidamente a los cambios de luz después de fluctuaciones previas.
Los detalles de cómo funciona esta memoria fotoprotectora están saliendo ahora a la luz a través de un estudio dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Los resultados pueden ayudar a los científicos a desarrollar plantas más productivas y mejorar el rendimiento de los cultivos.
"Las nubes que pasan delante del sol pueden provocar grandes saltos en la intensidad de la luz de una planta, pasando muy rápidamente de demasiada luz a poca luz", dijo Graham Fleming, científico senior de la facultad en el Área de Biociencias del Laboratorio de Berkeley y profesor de química en la Universidad de California Berkeley, quien codirigió el estudio con Krishna Niyogi, científico de la facultad en el Área de Biociencias del Laboratorio de Berkeley y profesor de biología vegetal y microbiana en la UC Berkeley.
"La eficiencia de las plantas, y por lo tanto su supervivencia, está relacionada con cómo responden a estas masivas fluctuaciones. Si entendemos cómo mejorar la correspondencia entre la respuesta fotoprotectora de una planta y las fluctuaciones de luz, entonces podremos mejorar su productividad".
La respuesta fotoprotectora en plantas y algas verdes involucra tres moléculas de pigmento que absorben la luz: violaxantina (V), anteraxantina (A) y zeaxantina (Z). En el llamado ciclo VAZ, las fluctuaciones de la luz desencadenan conversiones químicas entre estas moléculas, disipando ráfagas de energía solar y ayudando a regular y proteger las proteínas fotosintética.
Imagen: Ilustración que muestra los procesos incluidos en el modelo basado en el ciclo de la xantofila.
Para comprender cómo responde el ciclo VAZ a la luz fluctuante, los investigadores trabajaron con un alga conocida como Nannochloropsis oceanica, un organismo modelo simple que también tiene aplicaciones en la industria de los biocombustibles. Expusieron a N. oceanica a secuencias irregulares de luz alternada de oscuridad y alta intensidad con intervalos que oscilaban entre uno y 15 minutos.
Utilizando cromatografía líquida de alto rendimiento, los investigadores midieron las diferentes concentraciones de los tres pigmentos a lo largo de las secuencias de luz para determinar las tasas de conversión entre ellos. También probaron la capacidad del alga para disipar la energía luminosa durante las secuencias realizando experimentos de conteo de fotones individuales correlacionados en el tiempo.
Un nuevo modelo de memoria de algas
Informado por los resultados experimentales, el equipo desarrolló un modelo teórico del sistema capaz de predecir su comportamiento en una mayor variedad de condiciones.
"El modelado reúne nuestras ideas sobre la bioquímica y las mediciones cuantitativas en una imagen coherente de lo que está sucediendo, llenando los vacíos a los que no podemos acceder directamente con el experimento", dijo Thomas Fay, investigador postdoctoral en la UC Berkeley y uno de los autores principales del estudio. "Utilizando el modelo, podemos aprender qué componentes de este ciclo VAZ son importantes en la fotoprotección y cómo el sistema puede responder más rápidamente después de exposiciones anteriores".
De estos resultados surgió la idea de que la naturaleza de tres partes del ciclo VAZ es clave para la memoria fotoprotectora del alga. Cuando se enciende una luz brillante, V se convierte en A, que a su vez se convierte en Z, y la molécula es más capaz de disipar la energía luminosa adicional. Cuando la luz se apaga, Z se convierte nuevamente en A y eventualmente en V.
Sin embargo, las distintas conversiones se producen a ritmos diferentes. Cuando la luz brillante se apaga, la conversión de A a V ocurre mucho más lentamente que de Z a A, por lo que si la luz se vuelve a encender repentinamente, el sistema puede invertir la dirección y reponer rápidamente la concentración de Z. Estas diferencias en las tasas de conversión actúan como un amortiguador, ralentizando pasos cruciales y permitiendo que el sistema cambie rápidamente de dirección si es necesario.
Imagen: Audrey Short trabaja con una muestra de algas en el laboratorio de la UC Berkeley. (Crédito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)
"Una planta no sabe qué tipo de condiciones de luz esperar en cualquier momento, por lo que esta memoria significa que durante los períodos de poca luz, cuando están operando de manera más eficiente, todavía están preparadas y listas para la protección si ocurre otro evento de mucha luz y mucho estrés", dijo Audrey Short, estudiante de posgrado de la UC Berkeley en el Área de Biociencias del Laboratorio de Berkeley y coautor principal del estudio.
"La gente imagina que las plantas y las algas son como células solares verdes que absorben pasivamente el sol, pero eso no es del todo cierto", afirma Fleming. "Están reaccionando todo el tiempo, ajustándose constantemente a lo que sucede en su entorno".
Más investigaciones y próximos pasos
El estudio también investigó el ciclo VAZ en variaciones mutadas de N. oceanica que fueron modificadas genéticamente para suprimir la actividad de moléculas clave involucradas en la respuesta fotoprotectora.
Los investigadores midieron el comportamiento de disipación de luz de estas cepas mutantes y compararon los resultados con las predicciones realizadas por el modelo matemático, en el que simularon las mutaciones poniendo a cero la actividad de esas moléculas clave. Para su sorpresa, los investigadores encontraron una concordancia casi perfecta entre los experimentos y las predicciones, lo que les dio una mayor confianza en la validez y solidez de su modelo.
A partir de este trabajo, el equipo de investigación está explorando ahora el comportamiento de un alga diseñada para tener sólo un sistema de dos partes para la respuesta fotoprotectora. Los investigadores también planean ampliar sus investigaciones a las plantas, que son mucho más complejas que las algas y tienen mecanismos adicionales para responder a las fluctuaciones de la luz.
El estudio se ha publicado recientemente en Nature Communications: Kinetics of the xanthophyll cycle and its role in photoprotective memory and response
