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Resumen
Un impedimento clave para estudiar los mecanismos relacionados con el agua en las plantas es la incapacidad de obtener imágenes no invasivas de los flujos de agua en las células con una alta resolución temporal y espacial. Aquí, informamos de que la microespectroscopia Raman, complementada con la modelización hidrodinámica, puede lograr este objetivo: monitorizar la hidrodinámica dentro de los tejidos de las raíces vivas con una resolución a escala celular y de sub-segundos. Las imágenes Raman de los vasos del xilema que transportan agua en las raíces mutantes de Arabidopsis thaliana revelan que el transporte de agua del xilema es más rápido en los mutantes de la barrera de difusión endodérmica. Además, los escaneos lineales transversales a través de la raíz sugieren que el agua transportada a través del xilema de la raíz no vuelve a entrar en los tejidos exteriores de la raíz ni en el suelo circundante cuando se dirige a los tejidos del brote si las barreras de difusión endodérmicas están intactas, separando así "dos mundos de agua".
Las plantas tienen sed de agua, al igual que nosotros los animales, pero el modo exacto en que la sorben a través de sus tejidos sigue siendo un misterio, ya que el intento de ver lo que ocurre perjudica el proceso.
Aplicando una técnica de imagen suave de forma novedosa, el físico de la Universidad de Nottingham Flavius Pascut y su equipo pudieron observar las entrañas de las plantas mientras bebían en tiempo real.
"Hemos desarrollado una forma de permitirnos observar ese proceso a nivel de células individuales", dijo el electrofisiólogo de la Universidad de Nottingham Kevin Webb. "No sólo podemos ver el agua que sube al interior de la raíz, sino también dónde y cómo se desplaza".
El agua no sólo es esencial para las plantas, sino que también actúa como vehículo para transportar otros nutrientes, minerales e importantes biomoléculas por las estructuras vivas. La eficacia con la que las plantas son capaces de desplazar el preciado líquido puede tener un enorme efecto en su capacidad para tolerar las duras condiciones ambientales.
"Para observar la absorción de agua en las plantas vivas sin dañarlas, hemos aplicado una técnica de microscopía óptica sensible basada en el láser para ver el movimiento del agua dentro de las raíces vivas de forma no invasiva, algo que nunca se había hecho antes", explicó Webb.
Al detectar cómo se dispersan los fotones de luz desde una fuente láser estrecha, la microespectroscopia Raman proporciona imágenes a nivel molecular en tiempo real, en condiciones naturales, sin necesidad de etiquetado molecular.
Esta técnica es tan sensible que puede detectar la masa y la orientación de los enlaces moleculares. Esto significa que se puede proporcionar un contraste utilizando moléculas que destaquen de su entorno: en este caso, el óxido de deuterio, conocido como agua pesada, en lugar del agua normal. El deuterio es un isótopo del hidrógeno que tiene un neutrón además del protón solitario habitual del hidrógeno normal, lo que duplica su masa.
Aunque el agua pesada tiene propiedades ligeramente diferentes, es lo suficientemente similar al agua normal como para no cambiar las cosas fisiológicamente en pequeñas cantidades.
El escáner detectó un pulso del agua pesada a los 80 segundos de exponer las raíces de la planta más estudiada por los investigadores, el berro de mar (Arabidopsis thaliana). Pascut y el equipo alternaron la exposición de la planta en flor al agua normal y al agua pesada para observar cómo el agua nueva se movía por los tejidos de la planta.
Curiosamente, los investigadores sólo detectaron el agua aspirada en la parte interior de las raíces, donde se produce el xilema de los tejidos radiculares que transporta el agua, lo que demuestra que esta captación inicial de agua no se comparte con los tejidos circundantes en su camino desde las raíces al resto de la planta.
Los investigadores creen que esto significa que hay "dos mundos de agua" dentro de la planta y que el segundo sistema de difusión de agua distribuye el agua a estos tejidos exteriores.
Poder observar este proceso nos ayudará a entenderlo y a planificar mejor los cultivos para el tumultuoso futuro al que nos enfrentamos.
"El objetivo es aumentar la productividad alimentaria mundial comprendiendo y utilizando las variedades de plantas con más posibilidades de supervivencia que puedan ser más productivas en cualquier entorno, por seco o húmedo que sea", afirma Webb.
Pascut y su equipo están desarrollando una versión portátil de la tecnología de imagen para permitir estudios de campo más accesibles, y también creen que esta técnica podría utilizarse en dispositivos de control sanitario, aunque nuestras células son mucho más pequeñas que las de las plantas.
Por el momento, sin embargo, "esto promete ayudarnos a abordar cuestiones importantes como: ¿cómo "sienten" las plantas la disponibilidad de agua?", explicó el científico de plantas de la Universidad de Nottingham Malcolm Bennett.
"Las respuestas a esta pregunta son vitales para diseñar futuros cultivos mejor adaptados a los retos a los que nos enfrentamos con el cambio climático y la alteración de los patrones meteorológicos".
Fuentes, créditos y referencias:
Flavius C. Pascut et al, Non-invasive hydrodynamic imaging in plant roots at cellular resolution, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24913-z