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Fotomorfogénesis, hermana de la fotosíntesis

por | Nov 1, 2023 | blogs, Luces de cultivo | 0 Comentarios

Introducción

La fotosíntesis suele ser el tema central cuando se habla de las plantas y la luz, pero hay algo más. En este artículo, le invitamos a explorar la mitad menos conocida de la narrativa – Fotomorfogénesis – «Foto» se refiere a la luz, y «morfogénesis» se refiere al cambio y al crecimiento.

En un artículo anterior(aquí), nos adentramos en los fundamentos de la fotosíntesis, analizando cómo las plantas aprovechan la energía luminosa para crear azúcares destinados a necesidades metabólicas posteriores, como el crecimiento.

Pero, ¿qué pone en marcha ese crecimiento? La respuesta está en otra faceta de la influencia de la luz: La fotomorfogénesis. Le daremos una visión a vista de pájaro con suficiente detalle para entender el Qué, Dónde, Cómo y Por qué de la Fotomorfogénesis.

Imagen del producto MK350N Premium

Fig 1 Foto de Paul Green en Unsplash

Por qué las plantas necesitan crecer y cambiar

El crecimiento de las plantas o los cambios morfológicos son esenciales para su supervivencia. Dos razones principales impulsan esta necesidad:

  • Supervivencia: las plantas deben crecer y ampliar su alcance para captar la luz vital para la fotosíntesis, lo que permite la producción de azúcares necesarios para su existencia.
  • Reproducción: La floración y la fructificación garantizan la supervivencia de las especies vegetales, un proceso estrechamente ligado a la disponibilidad de luz.

Ambas necesidades fundamentales dependen del papel de la luz como factor crítico.

 

Horticultura de interior

Fig 2 Foto de Josie Weiss en Unsplash

El fotorreceptor: recibir luz para crecer

Las células vegetales poseen una molécula única llamada fotorreceptor, que se encarga de recibir la energía luminosa que pone en marcha el crecimiento y los cambios morfológicos. Exploremos los tres tipos principales de fotorreceptores:

  • Fitocromos: Estos fotorreceptores desencadenan las transiciones estacionales de las plantas, influyendo en la germinación de las semillas, el crecimiento, la floración y la fructificación.
  • Criptocromos: Responsables de regular el crecimiento, estos fotorreceptores garantizan que las plantas no se extiendan en exceso y mantengan una forma eficiente para sobrevivir.
  • Fototropinas: Estos fotorreceptores guían el crecimiento del tallo de la planta hacia las fuentes de luz disponibles.

Figura 3 (Albert Melu en Unsplash)

¿Dónde están estos fotorreceptores?

Para comprenderlo mejor, precisemos la localización de los fotorreceptores. Están diseminados por las células vegetales, habitando el citoplasma celular, los espacios dentro de la célula.

Fig 4 – Los fotorreceptores residen en el citoplasma de la célula.

(fotografía de la planta de la izquierda, de Albert Melu; fotografía de la célula de la planta del centro, de Kristian Peters)

Cómo perciben las plantas los cambios estacionales: el papel de los fitocromos

A medida que cambian las estaciones, notará un estallido de vida, sobre todo del invierno a la primavera. Las semillas germinan, los brotes surgen, los tallos se extienden, las hojas se despliegan y las plantas maduras florecen y dan fruto. Pero, ¿cómo sincronizan las plantas sus acciones con las estaciones? La respuesta está en los fitocromos.

La molécula del fitocromo

Los fitocromos son simples moléculas, grupos de átomos ensamblados en una estructura molecular tridimensional. Existen en dos estados: Pr y Pfr. Cuando se expone a la luz roja (620-750 nm), un fitocromo pasa del estado Pr al estado Pfr. Si un fitocromo en estado Pfr absorbe luz roja lejana (700-800nm), vuelve a su estado Pr.

Cómo percibe el fitocromo las estaciones.

Durante las horas diurnas hay más luz roja, lo que provoca la conversión de Pr en Pfr. Al caer la noche, los fitocromos Pfr vuelven a degradarse de forma natural en Pr. En consecuencia, la relación Pr-Pfr fluctúa durante un día de 24 horas, volviendo al equilibrio al caer la noche.

Sin embargo, en primavera y verano, las horas de luz diurna más largas dan lugar a una relación Pr-Pfr más baja, que se mantiene durante varios días y alcanza un umbral que desencadena la fotomorfogénesis.

En los meses de invierno, con días más cortos, hay menos luz roja y aumenta la relación Pr-Pfr, lo que inhibe la fotomorfogénesis.

Esta relación suele representarse en forma de porcentaje (Fig.6), pero nosotros nos referiremos a ella como relación Pr-Pfr.

Consulte otro artículo sobre el PSS (estado fotoestacionario del fitocromo) aquí.

Molécula de fitocromo
Fitocromos, Pr y Pfr molecular

Fig 5 – El fitocromo es una molécula que cambia de forma tras absorber la luz.

Cálculo del fitocromo PSS

Figura 6 – El estado del fitocromo se basa en un porcentaje de relación de sus dos formas

El crecimiento del tallo es la división celular

El alargamiento del tallo, la expansión de las hojas, la floración y el desarrollo de los frutos se manifiestan mediante la división celular, que en última instancia está controlada por el material genético del ADN en el núcleo de la célula vegetal.

El núcleo recibe de forma rutinaria señales ambientales y eventos de señalización (por ejemplo, la actividad de los fitocromos) para determinar si es necesaria alguna acción, como la división celular. Cuando detecta que las condiciones están maduras para la división celular, el núcleo desencadena el«ciclo celular«, que es el proceso de división celular.

Aparte de los estados del fitocromo, es necesario comprobar otras condiciones ambientales antes de que se produzca la división celular:

  • Temperatura
  • Humedad
  • Disponibilidad de nutrientes y agua
  • Actividad hormonal (sí, las plantas también tienen hormonas)
  • Actividad enzimática (relacionada con la actividad hormonal)
  • Interacción con otros fotorreceptores

Esto significa que aunque la actividad del fitocromo favorezca la división celular, podría no desencadenar la fotomorfogénesis debido, por ejemplo, a temperaturas extremadamente frías. Es un proceso muy orquestado y estrictamente controlado.

Fig 7 – El núcleo de la célula vegetal controla todas las funciones de la división celular.

Figura 8 – La 4ª etapa del ciclo celular es la división celular (Mitosis) – por Ali Zifan (wikipedia-CCBY-SA 4.0)

Fitocromos y semillas germinadas

Fig 9 – De la semilla al brote

De la semilla al brote

Las semillas responderán a los cambios de luz estacionales: con luz solar intensa y días largos, hay mucha luz roja, la relación Pr/Pfr es baja y las condiciones para la germinación son favorables.

Sin embargo, muchas veces, las semillas pueden caer en zonas sombreadas bajo el dosel, donde la luz roja es menor y la luz roja lejana es mayor. Esto ocurre porque las hojas del dosel absorben la luz roja pero permiten que la luz roja lejana se transmita a través de la hoja.

Esta desproporción de la luz roja lejana por debajo del dosel conduce a un nivel Pr más alto, lo que indica malas condiciones de iluminación. En lugar de intentar brotar y alcanzar la luz, las semillas inhiben la germinación. Es un mecanismo de supervivencia, para no malgastar recursos y permanecer inactivo hasta que lleguen mejores condiciones.

De brote a planta

Cuando un brote se transforma en una auténtica planta, seguirá los mismos patrones estacionales de espera de días más largos y más luz roja.

Si una planta se encuentra en una zona sombreada o bajo el dosel, percibe más luz roja lejana (Pr/Pfr más alto), pero contrariamente a la latencia de las semillas, la planta intentará alcanzar la luz mediante el alargamiento del tallo y la expansión de las hojas.

Existe un segundo tipo de fotorreceptores denominados fototropinas, que reaccionan con la luz azul y UV-A. Se considera principalmente que dirige la planta para que se incline hacia la luz. Se encuentran sobre todo en las puntas de las ramas. Las fitotropinas pueden percibir si la luz ilumina un lado y no el otro y, en consecuencia, se inclinan hacia la luz.

Figura 10 – Bajo el dosel, en condiciones de poca luz, las plantas responden a la luz roja lejana con el alargamiento del tallo y la expansión de las hojas.

Original Plant Images by Freepik

Las plantas saben cuándo dejar de crecer: Los criptocromos

Las plantas no pueden crecer eternamente, por lo que existe un mecanismo para inhibir el crecimiento.

A medida que una planta se extiende por encima de la cubierta, las hojas encuentran todo el espectro de la luz solar, incluida la luz azul (400-500 nm) y la UV-A (320-400 nm). En esta fase, entran en juego los criptocromos. Estos fotorreceptores absorben estas longitudes de onda de luz pero actúan inhibiendo el crecimiento de tallos y hojas.

Esta inhibición tiene un propósito: una altura excesiva puede hacer que las plantas sean más vulnerables a los efectos del viento y la gravedad, al tiempo que dificulta la absorción eficaz de nutrientes y agua. Es una adaptación de supervivencia para tratar de permanecer corto y compacto.

Fig 11 – Después de que una planta supere el dosel La luz azul y UV-A activará los criptocromos para inhibir el crecimiento.

Original Plant Images by Freepik

De la planta a la flor

El proceso de floración y fructificación es prácticamente el mismo. Los días más largos con mayor luz roja provocan la transformación de Pr en Pfr, reduciendo la relación Pr/Pfr y favoreciendo la floración.

Algunas plantas se clasifican como plantas de día largo y florecen cuando los días son más largos con una relación Pr/Pfr más baja. Por el contrario, las plantas de día corto florecen cuando los días son más cortos, y la relación Pr/Pfr se mantiene más alta. Esto significa que ciertas plantas, como la Poinsettia, florecen normalmente durante los meses de invierno.

Figura 12 – Foto de ameenfahmy en Unsplash

De la planta al fruto

El trayecto de la planta al fruto varía entre los distintos árboles y plantas frutales. Por ejemplo, los manzanos son sensibles a la duración del día y a la actividad del fitocromo, que influye en la fructificación.

En cambio, las plantas de día neutro, como el limonero, inician la fructificación en función de factores como la regulación hormonal, la temperatura, las precipitaciones o la humedad del suelo. En climas templados, los limoneros pueden dar fruto todo el año, a pesar de los cambios de luz estacionales.

Fig 13 – Foto de Zoe Schaeffer en Unsplash

Relación entre fotosíntesis y fotomorfogénesis

La fotomorfogénesis conlleva muchas actividades, todas las cuales requieren energía. ¿De dónde procede esta energía? Procede del azúcar, que es el subproducto de la fotosíntesis.

La fotosíntesis se basa en la fotomorfogénesis para crecer y alcanzar la luz, de modo que las hojas puedan absorberla para producir azúcar. La fotomorfogénesis depende de la fotosíntesis para proporcionar los azúcares necesarios para alimentar todas sus actividades.

 

Alineación del color de la luz LED y la fotosíntesis

Figura 14 – La fotosíntesis y la fotomorfogénesis comparten una relación simbiótica

Aplicaciones prácticas de la comprensión de la fotomorfogénesis

Los cultivadores especializados de interior de primer nivel y las organizaciones de investigación siguen empleando técnicas de iluminación para mejorar las estrategias de crecimiento de las plantas. Utilizan iluminación LED dinámica y medidores PAR espectrales para manipular y medir la iluminación roja, roja lejana y azul, aprovechando la información de la fotomorfogénesis para mejorar la calidad, la cantidad y la puntualidad de sus productos.

Alineación del color de la luz LED y la fotosíntesis

Fig 15 – Los medidores de PAR espectral miden la luz relacionada con la fotomorfogénesis.

Resumen

Acabamos de repasar los fundamentos de la fotomorfogénesis, desde la luz hasta la activación del fitocromo en el citoplasma, la división celular en el núcleo y, por último, el crecimiento y el cambio de las plantas: eso es la fotomorfogénesis.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que las vías reales de señalización de la luz, las reacciones químicas, la actividad hormonal y enzimática y la expresión genética siguen estando estrechamente entrelazadas y son muy complejas.

También hay que tener en cuenta que las especies vegetales varían y tienen su idiosincrasia evolutiva.

Pero esperábamos dar a los agricultores un paso adelante con una visión a vista de pájaro de este fascinante aspecto evolutivo de la biomecánica de las plantas y fomentar nuevas estrategias de cultivo con luz para mejorar la calidad y la puntualidad de sus productos.

Figura 16 – Fotomorfogénesis

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