Un pequeño grupo de plantas conocidas como "plantas de resurrección" puede sobrevivir meses o incluso años sin agua. El equipo de investigación de la Escuela de Graduados de Ciencias Agrícolas de la Universidad de Kobe, dirigido por la profesora Dra. Roumiana Tsenkova, en colaboración con un grupo de investigación de Agrobioinstitute enSofía, Bulgaria, dirigida por el profesor Dr. Dimitar Djilianov, dio un importante paso adelante para comprender cómo lo hacen.
Utilizando un enfoque pionero de aquaphotomics y una forma de monitoreo completamente no destructiva, todos los procesos de secado y posterior rehidratación de una de esas plantas - Haberlea rhodopensis - se compararon con los mismos procesos para su pariente sin resurrección. Los resultados mostraron que durante el secado, la planta de resurrección realiza una reestructuración fina del agua en sus hojas, preparándose para el período seco mediante la acumulación de dímeros moleculares de agua y moléculas de aguacon 4 enlaces de hidrógeno, mientras disminuye drásticamente las moléculas de agua libre. Se cree que esta regulación de la estructura del agua es el mecanismo de cómo la planta preserva sus tejidos contra los daños inducidos por la deshidratación, y le permite sobrevivir en estado seco.la estructura es importante para la preservación de las plantas durante el estrés por sequía abre una nueva dirección para la bioingeniería y la mejora de la capacidad de tolerancia a la sequía de las plantas. El artículo de investigación fue publicado en la edición en línea de Informes científicos .
La vida y el agua están intrínsecamente unidas. Sin embargo, entre las criaturas vivientes hay algunos organismos capaces de sobrevivir largos períodos sin agua. Se les llama organismos anhidrobióticos. Entre estos, un pequeño grupo de plantas conocidas como "plantas de resurrección" pueden sobrevivirlargos períodos con tejidos vegetativos casi completamente desecados y se recuperan rápida y completamente cuando el agua está disponible nuevamente. Recientemente se han hecho enormes progresos en varios niveles para arrojar luz sobre los mecanismos detrás de la tolerancia a la desecación de las plantas de resurrección. Comprender este fenómeno puede ayudarnos a usar genética dirigidamodificaciones para producir plantas de cultivo capaces de tolerar la deshidratación y adaptarse mejor a los cambios climáticos, además de una mejor comprensión del papel del agua en la vida.
Está bien establecido que las plantas de resurrección tienen una serie de adaptaciones y mecanismos que les ayudan a hacer frente a los efectos de la deshidratación; todos los esfuerzos de estas adaptaciones están dirigidos a proteger la integridad de las estructuras celulares y la protección contra el estrés oxidativo.Hasta ahora no se prestó atención al papel del agua, como socio durante la desecación y la recuperación después de un estrés severo. Y sin embargo, todos estos organismos, a pesar de producir diferentes compuestos protectores, tienen una cosa en común: el agua.matriz molecular compleja hecha de un número definido de diferentes estructuras moleculares del agua que están siendo moldeadas constantemente por otros componentes biomoléculas e influencias ambientales.
En esta investigación, los equipos de la profesora Dra. Roumiana Tsenkova y la profesora Dra. Djilianov estudiaron una de las plantas de resurrección - Haberlea rhodopensis . Esta planta, junto con alrededor de 350 especies de plantas en la Tierra, tiene la capacidad de sobrevivir a períodos muy largos de deshidratación extrema, y luego, rápidamente, solo unas horas después del riego, se recupera milagrosamente a su estado de vida normal completamente funcional.
Usando luz infrarroja cercana, de una manera completamente no destructiva, monitorearon los procesos de desecación y rehidratación de Haberlea rhodopensis planta y sus especies de plantas relativas sin resurrección Deinostigma eberhardtii .
La espectroscopía de infrarrojo cercano y el novedoso enfoque "Aquaphotomics" desarrollado por el Prof. Tsenkova proporcionaron información sobre los cambios estructurales de las moléculas de agua en las hojas de las plantas y cómo cambian durante la deshidratación y la rehidratación. Y por primera vez se observó queestructura del agua en las dos plantas, que son botánicamente muy similares, de hecho es drásticamente diferente.
Las mediciones simples del contenido de agua de las hojas revelaron que Haberlea rhodopensis fácilmente y muy rápidamente reduce el contenido de agua a solo 13%, como si supiera que puede sobrevivir sin él. Deinostigma eberhardtii por otro lado, se esforzó durante toda la deshidratación para mantener el agua hasta el punto en que finalmente perdió la batalla que es alrededor del 35% del contenido de agua, después de lo cual no puede recuperarse. Sin embargo, cuando la estructura deSe examinaron las moléculas de agua durante la deshidratación, mostró marcadas diferencias entre las plantas
cuando Haberlea rhodopensis estaba perdiendo agua, mantenía el número de ciertas especies moleculares de agua - moléculas de agua libres, dímeros de agua, trímeros y más moléculas de agua unidas por hidrógeno - en las mismas proporciones. Si bien el número de estas moléculas disminuyó, su relación se mantuvoconstante, lo que sugiere esfuerzos orquestados por la planta para mantener el agua en un cierto estado. Tal capacidad no se observó en Deinostigma eberhardtii , y las proporciones de especies de agua en las hojas fluctuaron aleatoriamente.
Se observaron diferencias drásticas de la estructura del agua en las hojas cuando ambas plantas estaban completamente secas. En esta fase final Haberlea rhodopensis moléculas de agua libre radicalmente disminuidas que son muy importantes para todos los procesos metabólicos, y dímeros de agua acumulados y moléculas de agua con 4 enlaces de hidrógeno. Deinostigma eberhardtii en contraste, nunca mostró una transformación radical de la estructura del agua. Hasta el último momento, incluso en el estado completamente seco, todavía tenía muchas moléculas de agua libres, pero ahora estaba involucrado en procesos de despojo y descomposición.
durante la rehidratación Haberlea rhodopensis mostró la misma dinámica orquestada de reorganización de la estructura del agua, al realizar cambios incrementales ordenados de la mayoría de las especies de agua.
Esta investigación mostró por primera vez que la estructura del agua, no su contenido, es lo que importa para la supervivencia del organismo. Cuando las personas piensan en la vida, a menudo asociamos características dinámicas con los procesos en los sistemas vivos. Y, sin embargo,en esta planta peculiar, en ausencia de signos visibles de metabolismo continuo, lograr una estructura específica del agua fue su herramienta de supervivencia.
Como resultado, el estudio realizado por el profesor Tsenkova arroja algo de luz sobre lo que puede ser la característica más fundamental de un sistema vivo: es la organización estructural, más que la dinámica, lo que está en su núcleo. Y la estructuradel agua está conformada por las numerosas sustancias producidas en las células, que pueden ser azúcares, aminoácidos u otras biomoléculas, pero su objetivo final es lograr un cierto estado de la estructura molecular del agua que permita la preservación de los tejidos y la prevención de daños.
perspectivas futuras
Esta investigación pionera se suma a nuestra creciente comprensión de los mecanismos por los cuales algunos organismos logran su notable tolerancia a la deshidratación extrema. Descubrió un nuevo objetivo para la modificación con el fin de lograr una mejor tolerancia a la sequía en las plantas, que obviamente se puede lograr usando diferentesestrategias azúcares, aminoácidos, proteínas, etc. siempre y cuando ejerzan tal influencia sobre la estructura molecular del agua que conduzca a la disminución de las moléculas de agua libres y al aumento del agua ligada al hidrógeno. El método de espectroscopía de infrarrojo cercano aquaphotomics permite un método directo, no destructivoconocimiento de los procesos vivos y la estructura y dinámica del agua en tiempo real y es una herramienta nueva y valiosa para estudiar no solo el estrés abiótico y biótico en las plantas, sino muchos otros fenómenos en los sistemas vivos.
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Materiales proporcionado por Universidad de Kobe . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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