Dando color al oscuro mundo de las raíces


portada de Science 4 dic 2020 b

Raíces entremezcladas de dos plantas diferentes, teñidas con tinte rojo y azul para distinguirlas in situ. El teñido de raíces proporcionó una validación experimental de las predicciones teóricas sobre la respuesta de las plantas a la competencia. Las plantas vecinas desarrollan más raíces localmente cuando un competidor está cerca que cuando crecen solas.

En un artículo publicado hoy en Science, y que ha sido destacado en la portada de esta prestigiosa revista, nos hemos asomado a la vida subterránea de las plantas. En el seno de un equipo internacional de investigación del que hemos formado parte y gracias al liderazgo de Ciro Cabal , un estudiante de doctorado de la Universidad de Princeton, hemos avanzado un conocimiento clave para entender uno de los principales almacenes de carbono: las raíces de las plantas. La investigación utilizó una combinación de modelado y experimentación en invernadero para descubrir si las plantas invierten de manera diferente en raíces cuando crecen solas o cuando crecen junto a un vecino.

¿Cómo almacenan carbono las raíces de las plantas? Para saberlo, cultivamos plantas de pimiento solos y con vecinos, y teñimos las raíces de las plantas (por inyección) para distinguir qué raíces pertenecían a qué planta. Descubrimos que la energía que una planta dedica a sus raíces depende de la proximidad a otras plantas: cuando están juntas, las plantas invierten mucho en sus sistemas de raíces para competir por recursos subterráneos finitos; si están muy separadas, invierten menos. Como aproximadamente un tercio de la biomasa de la vegetación del mundo (y por lo tanto el carbono) se encuentra bajo tierra, este modelo proporciona una herramienta valiosa para predecir la proliferación de raíces en los modelos de carbono del sistema terrestre global.

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Experimento con plantas de pimiento en los invernaderos del Museo Nacional de Ciencias natuarles (CSIC, Madrid). Foto de Ciro Cabal, Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Princeton

“Este estudio fue muy divertido porque combinó aproximaciones diferentes para reconciliar resultados aparentemente contradictorios en la literatura: un experimento inteligente, un nuevo método para observar sistemas de raíces en suelos intactos y una teoría matemática simple”, dice Stephen Pacala, el profesor Frederick D. Petrie de Ecología y Biología Evolutiva (EEB) y el autor principal del artículo.

“Si bien las partes aéreas de las plantas se han estudiado exhaustivamente, incluida la cantidad de carbono que pueden almacenar, sabemos mucho menos acerca de cómo las partes subterráneas, es decir, las raíces, almacenan carbono”, dice Ciro Cabal.

Las plantas producen dos tipos diferentes de raíces: raíces finas que absorben agua y nutrientes del suelo y raíces de transporte gruesas que transportan estas sustancias de regreso al centro de la planta. La “inversión” de la planta en raíces implica tanto el volumen total de raíces producidas como la forma en que estas raíces se distribuyen por el suelo. Una planta podría concentrar todas sus raíces directamente debajo de sus brotes, o podría extender sus raíces horizontalmente para alimentarse en el suelo adyacente, lo que incrementa el riesgo de competir con las raíces de las plantas vecinas.

El modelo del equipo predijo dos resultados potenciales para la inversión de raíces cuando las plantas se encuentran compartiendo suelo. En el primer resultado, las plantas vecinas «cooperan» segregando sus sistemas de raíces para reducir la superposición, lo que lleva a producir menos raíces en general de lo que producirían si fueran solitarias. En el segundo resultado, cuando una planta detecta recursos reducidos en un lado debido a la presencia de un vecino, acorta su sistema de raíces en ese lado pero invierte más en las raíces directamente debajo de su tallo.

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Raíces de de tres plantas de pimiento creciendo juntas y teñidas de diferente color. Foto de Ciro Cabal, Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Princeton

La selección natural predice este segundo escenario, porque cada planta actúa para aumentar su propia aptitud, independientemente de cómo esas acciones afecten a otros individuos. Si las plantas están muy juntas, esta mayor inversión en el volumen de las raíces, a pesar de la segregación de esas raíces, podría resultar en una tragedia de los bienes comunes, por lo que los recursos (en este caso, la humedad y los nutrientes del suelo) se agotan.

Para probar las predicciones del modelo, cultivamos plantas de pimiento en un invernadero tanto individualmente como en parejas. Al final del experimento, teñimos las raíces de las plantas de diferentes colores para que se pudieran ver fácilmente qué raíces pertenecían a qué planta. Luego, calculamos la biomasa total del sistema de raíces de cada planta y la proporción de raíces a brotes, para ver si las plantas cambiaban la cantidad de energía y carbono que depositaban en estructuras subterráneas y aéreas cuando crecían junto a vecinos, y contábamos el  número de semillas producidas por cada planta como medida de aptitud relativa o de eficacia biológica.

Descubrimos que el resultado depende de qué tan cerca estén las plantas entre sí. Si crecen muy juntas, las plantas invierten mucho en sus sistemas de raíces para competir entre sí por recursos subterráneos finitos; si crecen más lejos, invertirán menos en sus sistemas de raíces que una planta solitaria.

No hubo evidencia de un escenario de «tragedia de los comunes«, ya que no hubo diferencia en la biomasa total de raíces o la inversión relativa en raíces en comparación con las estructuras aéreas (incluido el número de semillas producidas por planta) para plantas solitarias frente a aquellas que crecían con vecinos. La tragedia de los [bienes] comunes (en inglés Tragedy of the commons) es un dilema descrito por Garrett Hardin en 1968, y publicado también  en la revista Science.1​ Describe una situación en la cual varios individuos, motivados solo por el interés personal y actuando independiente pero racionalmente, terminan por destruir un recurso compartido limitado (el común) aunque a ninguno de ellos, ya sea como individuos o en conjunto, les convenga que tal destrucción suceda.

Las plantas eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera y lo depositan en sus estructuras, y un tercio de este carbono vegetativo se almacena en las raíces. Comprender cómo cambia la deposición de carbono en diferentes escenarios podría ayudarnos a predecir con mayor precisión la absorción de carbono, lo que a su vez podría ayudar a diseñar estrategias para mitigar el cambio climático. Esta investigación también puede ayudar a optimizar la producción de alimentos, porque para maximizar el rendimiento de los cultivos, es necesario comprender cómo utilizar de manera óptima los recursos subterráneos y no sólo los aéreos.

El articulo original puede leerse aquí: https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1197 

Y aquí se hace una interesante valoración y análisis de los resultados: https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1167

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