Speed ​​Breeding es una tecnología agrícola novedosa que puede producir cosechas mejoradas dos veces más rápido que la reproducción tradicional. Este método acorta el tiempo de generación de cría al engañar al rígido reloj circadiano de la planta al manipular la duración de la luz y la temperatura.

Si bien el método de reproducción rápida se realizó principalmente con luz LED blanca, estudios anteriores han demostrado que la exposición a diferentes calidades de luz también puede impulsar el crecimiento y el desarrollo de las plantas. Sin embargo, se desconoce la calidad de luz óptima y el fotoperíodo asociado debido a las complejas interacciones entre múltiples fotorreceptores y proteínas que controlan el crecimiento de las plantas.

En un artículo reciente en en silico plantas, Dra. Mathias Foo, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Warwick, y sus colaboradores utilizaron el modelado computacional de plantas para comprender los efectos de los grados y los períodos de luz en el crecimiento de las plantas.

Las plantas detectan y responden a la luz utilizando receptores, fitocromos y criptocromos, que regulan los componentes del reloj circadiano interno. El reloj genera ritmos biológicos y los exporta a genes regulados aguas abajo para coordinar eventos de desarrollo a lo largo de la vida de la planta.

Los autores utilizaron modelos para identificar los mecanismos moleculares dentro del reloj circadiano que son sensibles a diferentes calidades de luz y afectan el crecimiento de las plantas. Primero, crearon un nuevo modelo al incorporar una función de calidad de la luz en un modelo simple de un reloj circadiano vegetal.

El modelo de reloj circadiano tiene cuatro conjuntos de genes con múltiples bucles entrelazados y entradas de luz, lo que le permite responder a una variedad de tratamientos de duración de luz/oscuridad. El modelo incluía una variable sensible a la luz llamada proteína P como sustituto de los fitocromos, que afectan el reloj circadiano. La proteína P es independiente del color de la luz. Para estudiar los efectos de la luz roja y azul, los autores reemplazaron la proteína P con una función de calidad de la luz compuesta por tres fotorreceptores, fitocromo A, fitocromo B y criptocromo 1, que son sensibles a la luz roja y azul, respectivamente.

Este estudio se centró en el crecimiento del hipocótilo. El hipocótilo es el tallo de la plántula ubicado sobre la raíz y debajo de las hojas de la semilla. El hipocotilo es la parte de crecimiento más importante de una plántula de planta, por lo que sirve como un indicador relevante de la relación entre la calidad de la luz y el crecimiento de la planta.

Los autores incluyeron otro elemento en su modelo. Uno de los procesos de desarrollo impulsados ​​por la luz mejor caracterizados es la fotomorfogénesis (en la luz) y la escotomorfogénesis (en la oscuridad) de las plántulas. La fotomorfogénesis se caracteriza por la inhibición de la elongación del hipocótilo y del tallo, la apertura del cotiledón, la diferenciación del cloroplasto y la acumulación de clorofila y la expansión de la hoja. Por el contrario, la escotomorfogénesis se caracteriza por hipocotilos largos y tallos alargados, cotiledones cerrados con ganchos apicales, hojas no expandidas y plástidos y cloroplastos indiferenciados. El cambio de escotomorfogénesis a fotomorfogénesis está regulado por el centro de señalización de luz COP1 (complejo de ligasa CONSTITUTIVE PHOTOMORFOGENIC1/SUPPRESSOR OF PHYA-105 E3).

Foo explica la importancia de incluir la COP1 en su modelo:

“Recientemente, se descubrió que las cascadas de señalización de los fotorreceptores activados por luz roja y azul compiten con los factores de transcripción aguas abajo para unirse a COP1. Esto podría conducir a una mayor elongación del hipocótilo bajo luz roja que azul y roja/azul. Por lo tanto, incluimos COP1 en nuestro modelo para estudiar la calidad de la luz. Esta es la primera vez que esta interacción se incluye en un modelo de crecimiento de plantas”.

El nuevo modelo predijo que los receptores de luz roja y azul, fitocromo y criptocromo, se unen competitivamente a COP1 en condiciones de luz mixta (es decir, rojo y azul), lo que da como resultado una mayor elongación del hipocótilo en condiciones de luz roja que en condiciones de luz mixta. Para validar estos resultados, los autores cultivaron plantas de Arabidopsis bajo luz roja, azul o roja/azul durante tres fotoperíodos diferentes durante 10 días y midieron la longitud del hipocótilo. La predicción simulada se confirmó con los datos experimentales.

Foo concluye:

“Nuestro modelo descubrió que la calidad y la duración óptimas de la luz pueden acelerar el crecimiento de las plantas. Este modelo se puede utilizar para ayudar a los expertos a centrarse en combinaciones prometedoras específicas de calidades de luz y fotoperíodos, lo que en última instancia da como resultado una reducción drástica del tiempo y los recursos experimentales”.

LEER EL ARTÍCULO:

Miao Lin Pay, Dae Wook Kim, David E Somers, Jae Kyoung Kim, Mathias Foo, Modelado del reloj circadiano de la planta para caracterizar el crecimiento del hipocótilo bajo diferentes condiciones de calidad de luz, plantas in silico2022;, diac001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac001