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¿Ha oído hablar de calentamiento global y cambio climático? ¿Sabes lo que significan estos términos? Estos términos básicamente implican que la tierra se calienta cada año. Estas temperaturas más altas conducen a patrones climáticos inesperados e inusuales. Uno de estos patrones climáticos extremos son las sequías frecuentes y severas. Las sequías son períodos secos muy largos sin lluvia. ¿Qué significan las sequías severas para las plantas? Bueno, las plantas son sésiles, lo que significa que se quedan en un solo lugar y no pueden moverse como nosotros. No pueden arrancar sus raíces y reubicarse en un lugar sombreado o húmedo. Por lo tanto, las plantas de alguna manera necesitan lidiar con estas condiciones de sequía cada vez mayores, o simplemente morirán. Recuerda, las plantas son nuestro alimento. Comemos plantas crudas o cocidas (¡esas verduras que tu mamá insiste en que comas!) o procesado, como su caja favorita de cereal para el desayuno . Por lo tanto, si las plantas mueren a causa de las sequías, ¡no tendremos suficiente comida para comer!

Si no hay agua alrededor, ¿qué pueden hacer las plantas para sobrevivir? Sorprendentemente, todas las plantas parecen tener una serie de genes para estrategias de defensa contra la sequía codificados en su ADN. Los genes son pequeñas secciones de ADN, como capítulos de un libro. La forma en que usan estos genes determina su capacidad para sobrevivir a la sequía.

Algunas plantas son resistentes a la sequía. Cuando hablamos de plantas resistentes a la sequía, nos referimos a plantas que pueden soportar condiciones secas sin morir. Una planta resistente a la sequía puede sobrevivir a la sequía utilizando tres estrategias de defensa: escapar, evitar o tolerar la pérdida de agua . Las plantas tolerantes a la sequía son bastante raras en la naturaleza y pueden soportar largos períodos sin agua en absoluto. Algunas de las plantas tolerantes a la sequía más espectaculares se llaman plantas de resurrección. Las plantas de resurrección son capaces de sobrevivir largos períodos (¡hasta 3 años!) sin agua. Sin embargo, dales un poco de agua y volverán a la vida en uno o dos días. Otras plantas resistentes a la sequía pueden no ser tan espectaculares, pero también pueden sobrevivir períodos cortos de sequía utilizando técnicas especiales y estrategias de defensa.

Algunas Plantas Tienen Estructuras Especiales Que Las Ayudan a Sobrevivir en Condiciones de Sequía

Algunas plantas son capaces de sobrevivir a las sequías debido a sus estructuras únicas. Estas características estructurales incluyen la armadura externa de las plantas que las protege contra la pérdida de agua, así como herramientas para ayudar a las plantas a absorber y almacenar agua. Las plantas resistentes a la sequía pueden adaptarse especialmente para vivir y sobrevivir en ambientes muy secos. Estas plantas a menudo se ven muy diferentes de las plantas que viven en áreas donde el agua está fácilmente disponible. Las plantas resistentes a la sequía normalmente tienen una «evitación» especial (¡una de las adaptaciones de defensa!) características para asegurar que se pierda menos agua para el medio ambiente o que se absorba y almacene más agua en la planta. Las plantas llamadas suculentas del desierto son un buen ejemplo de plantas que tienen estrategias para evitar la sequía . Las suculentas del desierto tienen hojas carnosas gruesas, que a menudo no se parecen en absoluto a las hojas, y tienen una capa cerosa gruesa para evitar la pérdida de agua. Las suculentas del desierto también tienen extensos sistemas radiculares que buscan agua bajo el suelo seco del desierto (Figura 1). Algunas suculentas tienen raíces especializadas que forman grandes estructuras de bulbo, que en realidad son depósitos subterráneos de agua para la planta. Estas plantas pueden sobrevivir a años de sequía utilizando el agua almacenada en sus bulbos.

La mayor parte del agua que una planta pierde se pierde debido a un proceso natural llamado transpiración. Las plantas tienen pequeños poros (agujeros o aberturas) en la parte inferior de sus hojas, llamados estomas. Las plantas absorberán agua a través de sus raíces y liberarán agua en forma de vapor al aire a través de estos estomas. Para sobrevivir en condiciones de sequía, las plantas necesitan disminuir la transpiración para limitar su pérdida de agua. Algunas plantas que viven en condiciones secas han evolucionado para tener hojas más pequeñas y, por lo tanto, menos estomas. Ejemplos extremos son las plantas con hojas que se asemejan a espinas puntiagudas. Algunas plantas también pueden deshacerse por completo de sus hojas en una sequía, para evitar la pérdida de agua. La regla básica es que menos hojas significan menos pérdida de agua a través de la transpiración. Estas adaptaciones extremas de las hojas también pueden proteger a las plantas de aves y animales hambrientos y sedientos (Figura 1). ¡Ciertamente no le gustaría tener una comida espinosa!

Algunas adaptaciones son bastante inteligentes e implican que las plantas «escapan» de la sequía como semillas (recuerde, el escape es otra estrategia de defensa). Las semillas sobreviven durante los períodos de sequía y germinan (brotan) muy rápidamente, crecen y producen más semillas cuando caen las lluvias. Estas semillas se dispersan y también pueden sobrevivir a condiciones extremas durante largos períodos de tiempo. Mirando de cerca los suelos desérticos, encontrará muchas semillas por ahí, esperando la lluvia antes de germinar de nuevo.

Algunas Plantas también tienen Defensas Internas Contra la Sequía

Además de estructuras especiales, las plantas también tienen defensas internas para protegerlas contra la escasez de agua. Cuando una planta experimenta condiciones de sequía, algunas reacciones ocurrirán rápidamente dentro de la planta para ayudar a la planta con el estrés de la sequía. Estas reacciones que ocurren en la planta a menudo son bastante complejas y sofisticadas. Le daremos algunos ejemplos.

Las plantas Todavía necesitan Realizar la Fotosíntesis Durante la sequía

Las plantas son verdes porque contienen una sustancia química verde llamada clorofila. La clorofila se envasa en estructuras especiales llamadas cloroplastos, que son las fábricas de energía de las plantas. Junto con el agua y el dióxido de carbono (CO2), la clorofila utiliza la luz solar para crear azúcares. Estos azúcares permiten que la planta crezca y florezca. Este es el proceso de fotosíntesis y está vinculado a la disponibilidad de agua.

Cuando no hay mucha agua en el suelo de la planta, el proceso de fotosíntesis ocurrirá de manera un poco diferente y resultará en la acumulación de sustancias químicas dañinas llamadas radicales libres. Esto significa que las plantas necesitan controlar cuidadosamente cómo utilizan la energía del sol. Durante la fotosíntesis, el CO2 debe entrar en la planta a través de sus estomas (los pequeños poros mencionados anteriormente). Pero recuerde, los estomas abiertos significan que el agua se perderá a través de la transpiración. Por lo tanto, la planta se enfrenta al difícil problema de asegurarse de que tenga suficiente agua y también suficiente CO2 para que se produzca la fotosíntesis. Para hacer esto, las plantas usan un «administrador» llamado ácido abscísico (ABA).

Cuando una planta experimenta escasez de agua, el ABA se produce rápidamente y se transporta a los estomas. En los estomas, ABA controla cómo se abren y cierran los estomas manipulando algo llamado presión de turgencia (Figura 2) . La presión de turgencia es la presión aplicada en la pared de la célula vegetal por los fluidos dentro de la célula. Cuanta más agua hay en la celda (más llena está la celda) y mayor es la presión. La gestión de la presión de turgencia proporciona un equilibrio entre la ingesta de CO2 y la pérdida de agua, de modo que puede ocurrir la fotosíntesis. Pero, si el agua sigue siendo limitada en condiciones de sequía, con el tiempo la planta no podrá hacer frente al estrés de la sequía y todo el proceso fotosintético puede dejar de funcionar correctamente. Sin embargo, las plantas resistentes a la sequía han descubierto una manera inteligente de evitar el problema de perder agua durante la fotosíntesis. Solo abren sus estomas durante el frío de la noche para absorber CO2. Luego almacenan este CO2 y lo usan durante el día para la fotosíntesis. De esta manera, pierden menos agua durante el día porque pueden mantener los estomas cerrados, pero pueden seguir creciendo, aunque un poco más lento de lo normal.

Las plantas necesitan Protegerse de los Peligrosos Radicales Libres

En condiciones de sequía, cuando una planta no parece equilibrar adecuadamente la fotosíntesis y la pérdida de agua, la planta tendrá que lidiar con pequeñas moléculas desagradables llamadas radicales libres. Los radicales libres ocurren naturalmente durante la fotosíntesis, pero cuando no hay mucha agua disponible, se forman más radicales libres. Los radicales libres pueden ser muy peligrosos para la célula, ya que pueden dañar el ADN, las membranas celulares, las proteínas y los azúcares (¡todas estas sustancias son esenciales para la supervivencia de una célula)!

Las plantas están acostumbradas a tratar con bajas cantidades de radicales libres. Sin embargo, las plantas tolerantes a la sequía son realmente buenas para lidiar con los radicales libres, porque acumulan sustancias protectoras. Estas sustancias protectoras se denominan eliminadores de radicales libres. La presencia de eliminadores de radicales libres a menudo causa un cambio en el color de la planta. Las plantas a menudo se vuelven rojas o moradas cuando estos carroñeros se acumulan (¿ves las hojas moradas de la planta seca en la Figura 3B?). Los eliminadores de radicales libres se encuentran ampliamente en la naturaleza y son muy buenos para limpiar los radicales libres para proteger a las plantas de sus efectos dañinos.

Las plantas necesitan Controlar la Cantidad de Agua dentro de Sus Células

La ósmosis es un concepto importante en biología. Básicamente, la ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana (como una membrana celular) a un área donde ciertas moléculas (como sales, azúcares y radicales libres) se producen en concentraciones más altas. Al hacerlo, el agua diluirá la concentración de estas moléculas para que la concentración sea igual a ambos lados de la membrana. Ahora piense en lo que le sucede a una planta que sufre la pérdida de agua. No hay suficiente agua para permitir que ocurra la ósmosis, por lo que las moléculas se vuelven súper concentradas dentro de las células de la planta. Esto generalmente no es bueno, especialmente si estas moléculas son radicales libres.

Una vez más, las plantas tolerantes a la sequía tienen algunas estrategias muy interesantes para combatir este problema. A los primeros signos de sequía, las células de estas plantas acumularán un montón de moléculas involucradas en lo que se llama ajuste osmótico (OA) . OA es el cambio en la concentración de solutos en una célula. Esto es como cuando se disuelve el azúcar en agua, donde el azúcar es el soluto. Estas moléculas (solutos) pueden ser azúcares, aminoácidos o pequeñas proteínas. El propósito de estas moléculas es limitar el movimiento del agua fuera de la célula. Lo que hace que estas moléculas de AA sean únicas en tolerancia a la sequía es que cumplen muchas funciones. Las moléculas de OA pueden unirse físicamente al ADN y a las proteínas para protegerlas de los radicales libres. También pueden unirse al agua, evitando que salga de las células de la planta. Estas moléculas de OA también se unen a las membranas, estabilizando la estructura de la planta cuando el agua está restringida.

Las plantas de resurrección son ejemplos perfectos de cómo las plantas tolerantes a la sequía reúnen los conceptos que hemos discutido hasta ahora. Las plantas de resurrección son capaces de sobrevivir a la pérdida completa de agua. Acumulan grandes cantidades de OEA, liberan eliminadores de radicales libres y producen proteínas protectoras especiales para sobrevivir a sequías largas y severas. Hacen todo esto mientras doblan sus hojas y esperan hasta que llueva (Figura 3). El proceso se puede comparar con osos que entran en hibernación.

Los Genes de una Planta Controlan sus Respuestas a la Sequía

Tenga en cuenta que hemos discutido estos procesos utilizados para proteger a las plantas de la sequía de una manera muy simplificada. Observar de cerca estos procesos es en realidad muy complicado. En el nivel básico, estos procesos están regulados por el uso de su código genético, sus genes, por parte de la planta. Las sustancias necesarias para sobrevivir a la sequía se producirán accediendo a este código en el momento adecuado. Este acceso al código genético para ayudar a una planta a sobrevivir a una sequía se denomina respuesta genética de la planta.

Las respuestas genéticas de una planta que experimenta el estrés de una sequía son muy complejas: muchos genes se activan o desactivan. Utilizando tecnologías informáticas avanzadas, los científicos ahora son capaces de identificar la mayoría de los genes que desempeñan un papel en la protección de una planta de la sequía. Esta tecnología ha descubierto que, literalmente, cientos de genes se activan y desactivan, dependiendo de dónde y cuándo se necesiten. No podemos enumerar todos estos genes, ¡porque te aburrirás completamente al final de la primera página! Lo que diremos es que estos genes se dividen principalmente en tres grupos: (1) genes que controlan otros genes importantes para activar y desactivar genes; (2) genes que producen sustancias que ayudan a la protección contra la sequía en la planta; y (3) genes involucrados en la absorción y el transporte de agua.

¿Por qué cree que podría ser importante saber qué genes desempeñan un papel en ayudar a las plantas a evitar o tolerar la sequía? La mayoría de nuestros cultivos no son capaces de sobrevivir a las sequías. ¿Cómo vamos a proteger nuestros cultivos o hacerlos más resistentes a estas sequías? Necesitamos usar el conocimiento de los genes que se activan o desactivan durante condiciones de sequía para producir plantas que sean más resistentes a la sequía.

A lo largo de los años, los científicos de plantas han tenido cierto éxito en la producción de cultivos resistentes a la sequía. Estos cultivos resistentes a la sequía se produjeron principalmente seleccionando y cultivando plantas individuales que sobrevivieron bien en condiciones de sequía. En las últimas décadas, los científicos que trabajan en plantas modificadas genéticamente (GM) también comenzaron a centrarse en la producción de cultivos resistentes a la sequía .

Para producir una planta GM, un nuevo gen (de cualquier fuente!) se inserta en el ADN de la planta. Al insertar este nuevo gen, el científico espera introducir un rasgo nuevo y útil en la planta GM. Imagine poder elegir entre cientos de genes útiles en una planta de resurrección e introducir algunos de ellos en el trigo. Desafortunadamente, solo un puñado de plantas transgénicas resistentes a la sequía (como maíz/maíz y caña de azúcar) se han producido con éxito. Hay que hacer mucho más, incluso convencer al público en general de que las plantas transgénicas no son peligrosas.

Conclusión

Las plantas son realmente vulnerables cuando se trata de escasez de agua. La sequía influirá en el crecimiento, el desarrollo, la productividad y, en última instancia, en su supervivencia. Sin embargo, las plantas tienen algo de protección incorporada contra la sequía. Pueden tener algunas adaptaciones estructurales para evitar o tolerar la deshidratación. También tienen algunas defensas internas que se activan para tratar de limitar la pérdida de agua cuando se dan cuenta de que el agua se está volviendo escasa. Todos estos sistemas de defensa están regulados por los genes de la planta. El conocimiento de estos genes y de cómo están involucrados en la protección de la planta contra la sequía proporciona a la humanidad la esperanza de producir cultivos transgénicos resistentes a la sequía.

Glosario

Sésile: Un organismo que no se puede mover y permanece en un solo lugar, como una planta.

Suculentas: Plantas que tienen hojas y tallos engrosados y carnosos, en los que se puede almacenar agua.Transpiración: Proceso en el que las raíces de las plantas absorben agua y luego liberan vapor de agua a través de los poros (estomas) de las hojas.Estomas: Pequeños agujeros en la superficie inferior de una hoja a través de los cuales el agua y el gas pueden entrar y salir de una planta.

Fotosíntesis: Proceso en el que las plantas utilizan agua, luz y CO2 para producir sus propios alimentos (en forma de azúcares) y liberan oxígeno al aire.

Radicales libres: Moléculas que reaccionarán y dañarán cualquier cosa con la que entren en contacto.

ABA: Una hormona vegetal llamada ácido abscísico que ayuda a cuidar el equilibrio hídrico de las plantas.

Presión de turgencia: La tensión ejercida sobre la pared celular de una planta por los fluidos dentro de la célula. Imagine llenar un globo que ha colocado dentro de un frasco de vidrio. A medida que se llena más el globo, se presiona contra el frasco de vidrio rígido al igual que los fluidos contra la pared celular rígida de la planta.Ósmosis: Mover agua a través de una membrana celular de una célula a la siguiente. ¿Por qué? Para asegurar concentraciones iguales de solutos en ambos lados de la membrana.

Ajuste osmótico: Cambiar la concentración de solutos en una célula vegetal.

Soluto: La sustancia (como el azúcar) que está disolviendo en una solución (como el agua).

Declaración de Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.

Agradecimientos

Las figuras se crearon en la plataforma Mind the Graph (www.mindthegraph.com).

Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., and Pereira, A. 2016. Adaptación de las plantas al estrés por sequía. F1000Res 5 (F1000 Rev de facultad): 1554. doi: 10.12688 / f1000investigación.7678.1

Dimmitt, M. A. 1997. Cómo las plantas se enfrentan al clima desértico. Sonorensis. Vol. 17. Disponible en: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php

Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., y Lam-Son, T. 2014. Respuesta de las plantas al estrés hídrico. Delantero. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086

Blum, A. 2014. Genómica para resistencia a la sequía-llegar a la tierra. Funt. Plant Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018