Una hoja de maíz bajo el microscopio, decenas de diminutas aberturas que se ensanchan y estrechan y, al mismo tiempo, instrumentos que miden cuánto dióxido de carbono entra y cuánta agua sale. Por primera vez, investigadores deUniversidad de Illinois Urbana-Champaign lograron seguir el comportamiento de los estomas en tiempo real conectándolos directamente a los intercambios gaseosos de la hoja.
El sistema se llama Estomas a la vista y se describe en un estudio publicado en Fisiología vegetal. En la práctica, permite ver esas diminutas «bocas» de las plantas mientras hacen lo que las plantas hacen todo el tiempo: buscar el equilibrio entre el CO2 necesario para la fotosíntesis y el agua que corren el riesgo de perder cada vez que abren la puerta.
El estomas son poros microscópicos presentes en la superficie de las hojas. Cuando se abren, el dióxido de carbono puede ingresar a los tejidos vegetales; al mismo tiempo sale vapor de agua. Luego, la planta debe ajustar continuamente esas aberturas en función de la luz, la temperatura, la humedad y la concentración de CO2. Una negociación microscópica que dura prácticamente todo el día.
Vea los estomas mientras la hoja intercambia gases.
Hasta ahora, los científicos disponían de herramientas muy eficaces para observar los estomas e igualmente precisas para medir la fotosíntesis y la pérdida de agua. Juntar los dos, al mismo tiempo y sobre la misma hoja viva, fue mucho más complicado.
Estomas In-Sight se arma un microscopio muy potente, instrumentos que miden los intercambios de gases y un sistema de inteligencia artificial. La hoja permanece viva mientras los investigadores monitorean la luz, la temperatura, la humedad y el CO2 y observan cómo se abren y cierran los estomas.
Durante la presentación de la investigación, Andrew Leakey, profesor de biología vegetal de la Universidad de Illinois y uno de los autores del estudio, afirmó:
Tradicionalmente hemos tenido que elegir entre ver los estomas o medir su función.
El grupo probó el sistema en el maíz (zea mays)sometiendo las hojas a diferentes condiciones de luz y concentraciones de CO2. De esta manera pudo observar cómo la apertura de los estomas cambiaba físicamente a medida que variaba la fotosíntesis y la transpiración.
El aprendizaje automático sigue docenas de pequeñas aberturas
Mirar los estomas es una cosa. Medirlos uno por uno durante horas es otra. Por ello, los investigadores entrenaron un sistema de aprendizaje automático capaz de reconocer automáticamente poros y células estomáticas en imágenes y calcular sus dimensiones. Las mediciones automáticas del área de los poros mostraron una fuerte correspondencia con las realizadas manualmente por los científicos.
El equipo también encontró que, bajo las condiciones experimentales utilizadas, observar aproximadamente 40 estomas ya nos permitió obtener una buena estimación del comportamiento medio de la porción de hoja analizada.
El interesante pasaje viene inmediatamente después. Utilizando el tamaño, la densidad y la profundidad de los estomas observados al microscopio, los investigadores pudieron estimar la conductancia estomáticaes decir, la facilidad con la que el gas y el vapor de agua atraviesan la superficie de la hoja, obteniendo valores cercanos a los medidos directamente por los instrumentos. Así, el comportamiento de un puñado de poros microscópicos comienza a decir qué está haciendo toda la hoja.
Porque puede ser útil contra la sequía
Cada apertura de los estomas implica un intercambio: entra el CO2 necesario para la fotosíntesis, sale agua. Comprender mejor cómo las diferentes plantas gestionan este equilibrio podría ayudar a los investigadores a identificar rasgos útiles para producir cultivos capaces de hacerlo utilizar el agua de manera más eficienteun objetivo cada vez más importante en la agricultura a medida que las sequías y las olas de calor hacen que la disponibilidad de agua sea menos confiable.
Los mismos autores señalan entre las posibles aplicaciones futuras el estudio de las características genéticas que regulan la forma y el comportamiento de los estomas, para entender qué combinaciones permiten a los cultivos mantener una buena fotosíntesis perdiendo menos agua.
Naturalmente, de aquí podemos pasar al maíz que crece felizmente sin riego. Stomata In-Sight es una herramienta de investigación, probada hasta ahora en condiciones controladas, y se utilizará en otras variedades, especies y condiciones ambientales. Pero nos permite observar mucho más de cerca uno de los mecanismos que deciden cuánta agua consume una planta para crecer.
Una pequeña ventana a la relación entre las plantas y el clima
El comportamiento de los estomas también entra en los modelos que intentan describir cómo responde la vegetación a temperaturas más altas, sequías y aumento de CO2 atmosférico. Hasta ahora, muchos de estos procesos se representan mediante promedios y parámetros derivados de intercambios de hojas completas. Poder observar directamente cómo reaccionan los poros individuales brinda a los investigadores una cantidad mucho más detallada de información para probar en modelos fisiológicos y climáticos.
La Universidad de Illinois ya ha presentado una patente sobre la tecnología. El siguiente paso será utilizarlo para comparar plantas con diferentes anatomías y estrategias y comprender cuáles son capaces de encontrar el mejor compromiso entre carbono y agua. Porque una hoja, vista desde lejos, sigue apareciendo perfectamente quieta. En cambio, bajo el microscopio, pasa su tiempo abriendo y cerrando pequeñas puertas, lidiando continuamente con lo que entra y lo que corre el riesgo de perder.