Cómo las plantas ajustan su fotosíntesis a los cambios de luz
La fotosíntesis es el proceso central mediante el cual las plantas acumulan biomasa utilizando luz, agua y dióxido de carbono del aire.
Una comprensión detallada de este proceso permite modificarlo y, por tanto, optimizarlo, por ejemplo, con vistas a aumentar la producción de alimentos o la tolerancia al estrés.
El grupo de investigación dirigido por la profesora Dra. Ute Armbruster del Instituto de Fotosíntesis Molecular de HHU está examinando este proceso desde diversas perspectivas. Junto con un equipo de investigación interdisciplinario, el grupo presenta ahora sus hallazgos sobre los procesos implicados en las reacciones de las plantas a diferentes condiciones de luz en una publicación actual en Nature Communications.
En el trabajo participaron el Instituto Max Planck de Fisiología Molecular Vegetal de Golm y grupos de investigación de las universidades de Bergen (Noruega), Bochum, Münster y Potsdam.
La fotosíntesis consta de dos pasos o “módulos”. En primer lugar, en la llamada reacción impulsada por la luz, la energía luminosa se convierte en energía química , que la planta puede utilizar en forma de moléculas ATP y NADPH. Luego, esta energía se utiliza para fijar el dióxido de carbono del aire en biomasa mediante la “reacción de fijación de carbono“.
Las plantas viven en condiciones de luz que a menudo cambian rápidamente. Para hacer un uso óptimo de esta luz, los módulos deben estar estrechamente sincronizados. En particular, hasta la fecha se han realizado pocas investigaciones científicas sobre esta sincronización.
Si hay demasiado brillo, la planta no puede convertir toda la energía luminosa; Esta es una situación potencialmente dañina. Para que el exceso de energía luminosa no cause daños, lo que puede provocar, por ejemplo, la formación de especies de oxígeno altamente reactivas , la planta activa un mecanismo de protección : el llamado enfriamiento dependiente de la energía (abreviado: “qE” ) garantiza que el exceso de energía se descargue en forma de calor.
De investigaciones anteriores se sabe que qE es desactivado más rápidamente por el “antiportador 3 del intercambio de tilacoide K+” (KEA3) en la sombra. Sin embargo, el proceso sigue siendo tan lento en general que la energía luminosa utilizable se pierde cuando disminuye el brillo.
Por primera vez, el equipo de investigación ha identificado un mecanismo molecular mediante el cual los dos módulos de fotosíntesis sincronizan sus actividades a través de KEA3. Para lograrlo, los investigadores utilizaron simulaciones por computadora y diversos enfoques experimentales, incluidos biosensores.
En primer lugar, el valor del pH del medio que rodea la membrana tilacoide reacciona de forma muy dinámica a los cambios de luz. En segundo lugar, la estructura y, por tanto, la actividad de KEA3 cambia según el valor del pH. Sin embargo, esto sólo ocurre cuando KEA3 también se ha unido a ATP y NADPH. En exceso de luz, esto hace que KEA3 se inactive, permitiendo así que qE esté activo. Después de una transición repentina a la sombra, KEA3 se activa, lo que regula positivamente las reacciones de la fotosíntesis impulsadas por la luz.
El profesor Armbruster dijo: “Gracias a nuestro trabajo, ahora entendemos por primera vez cómo los dos módulos funcionales de la fotosíntesis se comunican entre sí a través de KEA3. Es importante saber esto con miras a desarrollar estrategias para mejorar la fotosíntesis en el campo, en para aumentar el rendimiento de los cultivos a largo plazo”.
Más información: Michał Uflewski et al, El antiportador de protones tilacoides KEA3 regula la fotosíntesis en respuesta al estado energético del cloroplasto, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47151-5
