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Científicos de la Universidad de Nottingham han sido los primeros en el mundo en encontrar una forma de observar cómo las raíces de las plantas absorben y hacen circular el agua a nivel celular, lo que podría ayudar a identificar futuros cultivos resistentes a la sequía y las inundaciones.
La imposibilidad de observar la captación de agua en el interior de las raíces -sin dañar el espécimen- ha sido un escollo clave para los investigadores que tratan de comprender el movimiento de los fluidos en las células y tejidos vegetales vivos.
El Dr. Kevin Webb, director del Grupo de Investigación de Óptica y Fotónica, explica: "Para observar la captación de agua en plantas vivas sin dañarlas, hemos aplicado una técnica de microscopía óptica sensible basada en el láser para ver el movimiento del agua en el interior de las raíces vivas de forma no invasiva, algo que nunca se había hecho antes".
"Fundamentalmente, el proceso por el que las plantas son capaces de prosperar y convertirse en cultivos productivos se basa en lo bien que pueden captar el agua y lo bien que pueden gestionar ese proceso. El agua desempeña un papel esencial como disolvente de nutrientes, minerales y otras biomoléculas en los tejidos vegetales. Hemos desarrollado un método que nos permite observar ese proceso a nivel de células individuales. No sólo podemos ver el agua que sube al interior de la raíz, sino también dónde y cómo se desplaza.
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| Crédito: Universidad de Nottingham |
"Alimentar a la creciente población mundial ya es un problema. El cambio climático está provocando grandes cambios en el patrón y la densidad de las precipitaciones en el planeta, lo que provoca problemas para cultivar en regiones afectadas por inundaciones o sequías. Al seleccionar las plantas que mejor se adaptan al estrés, el objetivo es aumentar la productividad alimentaria mundial mediante la comprensión y el uso de variedades de plantas con las mejores posibilidades de supervivencia que puedan ser más productivas en cualquier entorno, por seco o húmedo que sea".
Cómo funciona
Para el estudio, se realizaron mediciones del transporte de agua en las raíces de Arabidopsis thaliana, que es una "planta modelo" para los científicos, ya que puede ser fácilmente modificada genéticamente para interferir en procesos básicos como la absorción de agua.
Mediante un láser suave, la nueva técnica de obtención de imágenes -basada en la técnica de dispersión Raman, ganadora del Premio Nobel- permitió a los investigadores medir el agua que viaja a través del sistema radicular de Arabidopsis a nivel celular, y ejecutar un modelo matemático para explicarlo y cuantificarlo.
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| Conversión de la luz verde de alta intensidad en longitudes de onda rojas inocuas para la salud, dentro del láser de Titanio:Zafiro. Crédito: Universidad de Nottingham |
Los investigadores utilizaron agua "pesada" (óxido de deuterio o D2O), que contiene un neutrón adicional en el núcleo de cada átomo de hidrógeno. Al escanear un láser en una línea a través de la raíz mientras la planta bebía, fue posible ver cómo el agua "pesada" pasaba por la punta de la raíz.
En Arabidopsis, que había sido modificada genéticamente para comprometer su absorción de agua, estas mediciones -combinadas con el modelo matemático- revelaron una importante barrera de agua dentro de la raíz. Esto confirmó por primera vez que la absorción de agua está restringida en los tejidos centrales de la raíz, dentro de los cuales se encuentran los vasos de agua.
El codirector, Malcolm Bennett, catedrático de Ciencias Vegetales de la Universidad, dijo: "Esta técnica innovadora es un verdadero cambio de juego en la ciencia de las plantas, ya que permite a los investigadores visualizar por primera vez el movimiento del agua a escala celular y de segundos dentro de los tejidos vegetales vivos. Esto promete ayudarnos a abordar cuestiones importantes como la de cómo las plantas "perciben" la disponibilidad de agua. Las respuestas a esta pregunta son vitales para diseñar futuros cultivos mejor adaptados a los retos que nos plantea el cambio climático y la alteración de los patrones meteorológicos".
Los resultados de este estudio, financiado por el Leverhulme Trust, se publican en la revista Nature Communications en un artículo titulado: "Non-invasive hydrodynamic imaging in plant roots at cellular resolution".
Futuras aplicaciones
Durante el desarrollo del método, la investigación se centró inicialmente en las células vegetales, cuyo tamaño es unas 10 veces superior al de las células humanas y, por tanto, más fácil de observar. En la actualidad, el equipo de investigación está trasladando estos mismos métodos a las células humanas para comprender exactamente el mismo tipo de procesos a una escala aún más pequeña.
Al igual que las plantas, hay tejidos en el cuerpo humano que se encargan de manejar el agua, que es crucial para su funcionamiento. Los tejidos transparentes del ojo, por ejemplo, pueden sufrir enfermedades relacionadas con el manejo del líquido, como las cataratas del cristalino, la degeneración macular y el glaucoma. En el futuro, la nueva técnica de imagen Raman podría convertirse en una valiosa herramienta de control y detección en el ámbito sanitario.
Próximos pasos
Los investigadores están trabajando en la búsqueda de una vía comercial para su técnica de imagen Raman hidrodinámica, y acaban de solicitar financiación a cuatro empresas agrícolas del Reino Unido y de la UE para estudiar los trazadores que se desplazan desde las hojas de las plantas hasta las raíces, con el fin de comprender ambas direcciones del transporte de agua. Paralelamente, el equipo está trabajando en versiones portátiles de la tecnología para que los agricultores y los científicos puedan llevar las mediciones del transporte de agua al campo y supervisar el manejo del agua en los cultivos que crecen en entornos locales difíciles.
El equipo de investigación solicita actualmente una subvención de sinergia del Consejo Europeo de Investigación con socios de la UE y el Reino Unido para que el estudio de la captación de agua y la resistencia a la sequía se convierta en una nueva herramienta que ayude a elegir y comprender cómo pueden adaptarse determinados cultivos a las condiciones locales de crecimiento.
Fuentes, créditos y referencias:
“Non-invasive hydrodynamic imaging in plant roots at cellular resolution” by Flavius C. Pascut, Valentin Couvreur, Daniela Dietrich, Nicky Leftley, Guilhem Reyt, Yann Boursiac, Monica Calvo-Polanco, Ilda Casimiro, Christophe Maurel, David E. Salt, Xavier Draye, Darren M. Wells, Malcolm J. Bennett and Kevin F. Webb, 3 August 2021, Nature Communications.
Imágen: Rábano (l) y trigo (r), imágenes directas del agua basadas en la tasa de absorbencia. Crédito: Universidad de Nottingham