Spain
May 24, 2021
La caída en los niveles de pigmentos fotosintéticos de las plantas es parte de un mecanismo que adapta la maquinaria fotosintética para funcionar con menos luz, anticipándose así a un posible futuro en la sombra. / Manuel Rodríguez
New research reveals that a majority of crops plan ahead for a lack of light and modify their growth to acclimatise and prosper.
After detecting the proximity of vegetation, some plants, including most of the crops we eat, can plan for conditions of shade in their surroundings and modify their structure and growth to prosper with less light. This has been verified by a research group of the Plant Molecular and Cellular Biology Institute (IBMCP), mixed centre of the Polytechnic University of Valencia (UPV) and the Spanish National Research Council (CSIC), in collaboration with the Centre for Research on Agricultural Genomics (CRAG) of Barcelona. The researchers observed that the fall in the levels of photosynthetic pigments of the plants is a mechanism that allows them to adapt to living with less light, thus planning ahead for a possible future in the shade. The results have been published in journal Plant Physiology.
Plants use sunlight to transform atmospheric carbon dioxide into food via photosynthesis. Thus, often plants compete with others for access to this key source of energy. In forests or crop fields with high planting density, it is common for some plants to cast a shadow over others, restricting the amount of light they receive. As less light entails less energy, evolution has provided plants with mechanisms to detect the proximity of other plants that may compete for the light even before they cast a shadow over them, and thus respond appropriately.
In order to perform the photosynthesis, plants absorb specific regions of the electromagnetic spectrum, blue and red, and let the far-red pass through or reflect it. Thus, when the sunlight filters through the leaves, it loses blue and red (which is absorbed and used for photosynthesis) and has is strong in far-red. These changes in the quality of the light are a sign that other plants recognise as generated by the proximity of neighbouring plants (and thus of competitors for resources), and use it to trigger a series of responses known as the shade avoidance syndrome (SAS).
Planning ahead of a future in the shade
The most studied response of this syndrome is the elongation of the plant’s stem, which allows it to grow more than neighbouring plants and reach the light sooner. SAS also causes a decrease in the levels of chlorophylls and other pigments created by photosynthesis, but the reason for this response was unknown until now. Now, the team from the IBMCP and the CRAG has discovered that the fall in levels of photosynthetic pigments is part of a mechanism that adapts the photosynthetic machinery to work with less light, thus getting ahead of a possible future in the shade.
The teams led by researchers from the CSIC at the IBMCP, Jaume Martínez García and Manuel Rodríguez Concepción, studied the response to changes in the quality and amount of light from different species of Brassicaceae, a family which includes important crops such as cabbage, cauliflower, broccoli, rapeseed, radish or mustard. Thus, they classified the species in two groups: those that avoid the shade and those that tolerate it. The former grew better at high intensity levels of light and elongated significantly upon sensing the signal of vegetable proximity. Those that tolerate the shade, however, barely elongated with this signal and adapted better to living with little light.
Optimise growth in a sustainable way
Furthermore, they observed that, when the species that avoid the shade were exposed to the signal that notified the proximity of vegetation and the grew with less light, their photosynthetic efficiency was better than that of the plants that had not been previously exposed to this signal. “We observed that this was due not only to a decrease in the levels of photosynthetic pigments, but also to changes in the expression of genes and chloroplast structures linked to photosynthesis,” explains Manuel Rodríguez. Furthermore, the researchers verified that the mutant plants, unable to translate the signal of proximity of other plants, and the species that tolerate the shade did not show this adaptive response.
A majority of the crops that we eat are plant species that like the sun and avoid the shade, which is why knowing how they respond to the signals of proximity offers very valuable information to optimise their growth in a sustainable way. For Jaume Martínez, “being exposed to lights that emulate the signal of proximity could improve the performance of greenhouse crops by growing them with less light, which would save electricity costs.”
Article
Morelli, L., Paulisic, S., Qin, W., Iglesias-Sanchez, A., Roig-Villanova, I., Florez-Sarasa, I., Rodriguez-Concepción, M., Martínez-García, J.F. Light signals generated by vegetation shade facilitate acclimation to low light in shade-avoider plants. Plant Physiology 2021. DOI: https://doi.org/10.1093/plphys/kiab206
Las plantas de cultivo pueden adaptarse a crecer en condiciones de sombra
El estudio, liderado por investigadores del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (CSIC-UPV), permitirá optimizar cultivos en invernaderos, entre otras aplicaciones
Tras detectar la cercanía de vegetación, algunas plantas, entre las que se encuentra la mayoría de los cultivos que comemos, son capaces de anticiparse a condiciones de sombra en su entorno y modificar su estructura y crecimiento para prosperar con menos luz. Lo ha comprobado un grupo de investigación del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat Politècnica de València, en colaboración con el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) de Barcelona. Los investigadores observaron que la caída en los niveles de pigmentos fotosintéticos de las plantas es parte de un mecanismo que les permite adaptarse para vivir con menos luz, anticipándose así a un posible futuro en la sombra. Los resultados se publican en la revista Plant Physiology.
Las plantas usan la luz del sol para transformar el dióxido de carbono atmosférico en alimento mediante la fotosíntesis. Así, a menudo unas plantas compiten con otras por el acceso a esta vital fuente de energía. En bosques o en campos de cultivo con alta densidad de siembra es frecuente que algunas plantas sombreen a otras, restringiendo la cantidad de luz que llega hasta ellas. Dado que menos luz implica menos energía, la evolución ha dotado a las plantas de mecanismos para detectar la cercanía de otras plantas potenciales competidoras por la luz antes incluso de que les hagan sombra, y responder adecuadamente.
Para realizar la fotosíntesis, las plantas absorben regiones concretas del espectro electromagnético, el azul y el rojo, y dejan pasar o reflejan el rojo-lejano. Por tanto, cuando la luz del sol se filtra por las hojas se empobrece en azul y rojo (que se absorbe y utiliza para la fotosíntesis) y se enriquece en rojo-lejano. Estos cambios en la calidad de la luz son la señal que otras plantas reconocen como generada por la cercanía de plantas vecinas (y por tanto de competición por recursos) y utilizan para desencadenar una serie de respuestas conocidas como el síndrome de huida de la sombra (SAS, de sus siglas en inglés).
Anticiparse a un futuro en la sombra
La respuesta más estudiada a este síndrome es el alargamiento del tallo de la planta, que le permite crecer más que las plantas vecinas y llegar antes a la luz. El SAS también causa una disminución en los niveles de clorofilas y otros pigmentos originados en la fotosíntesis, pero hasta ahora se desconocía cual era la razón de esta respuesta. Ahora, un equipo del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP) de Valencia y del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) de Barcelona ha descubierto que la caída en los niveles de pigmentos fotosintéticos es parte de un mecanismo que adapta la maquinaria fotosintética para funcionar con menos luz, anticipándose de esta manera a un posible futuro en la sombra.
Los equipos liderados por los investigadores del CSIC en el IBMCP Jaume Martínez García y Manuel Rodríguez Concepción estudiaron la respuesta a cambios en la calidad y la cantidad de luz de distintas especies de las Brasicáceas, familia que incluye importantes cultivos como col, coliflor, brócoli, colza, rábano o mostaza. Así, clasificaron las especies en dos grupos: las que evitan la sombra y las que la toleran. Las primeras crecieron mejor en intensidades altas de luz y se alargaron mucho al percibir la señal de proximidad vegetal. Las tolerantes a sombra, sin embargo, casi no se alargaron con esta señal y estaban mejor adaptadas a vivir con poca luz.
Optimizar el crecimiento de forma sostenible
Además, observaron que, cuando las especies que evitan la sombra se exponían a la señal que informaba de la proximidad de vegetación y después crecían con menos luz, su eficiencia fotosintética era mejor que la de plantas que no se habían expuesto previamente a esta señal. “Observamos que esto era debido no sólo a una bajada en los niveles de pigmentos fotosintéticos, sino también a cambios en la expresión de genes y estructuras de los cloroplastos relacionados con la fotosíntesis”, explica Manuel Rodríguez. Además, los investigadores comprobaron que plantas mutantes, incapaces de traducir la señal de proximidad de otras plantas, y las especies tolerantes a sombra no mostraron esta respuesta adaptativa.
La mayoría de los cultivos que nos alimentan son especies de plantas a las que les gusta el sol y evitan la sombra, por lo que conocer cómo responden a las señales de proximidad ofrece una información muy valiosa para optimizar su crecimiento de forma sostenible. Para Jaume Martínez, “la exposición a luces que simulan la señal de proximidad podría mejorar el rendimiento de cultivos de invernadero al crecerlos con menor cantidad de luz, lo que ahorraría costes de electricidad”.
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