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Aunque no podamos oírlo, las plantas emiten y absorben gases constantemente a través de millones de pequeñas bocas situadas en la superficie de sus hojas y tallos.
Con solo abrirse y cerrarse, estos poros (llamados estomas en el lenguaje botánico) cumplen funciones cruciales en la planta, ya que permiten la entrada de dióxido de carbono (CO2 ) para el proceso de fotosíntesis impulsado por la energía solar, a través del cual las plantas producen su propio alimento (así como el oxígeno que respiramos).
Cuando están abiertos, los estomas también permiten que se escape el vapor de agua, enfriando las hojas expuestas al sol y creando la tracción física que empuja el agua hacia arriba a través de la planta desde las raíces.
Pero en un mundo más cálido y con sequías más frecuentes, los estomas también pueden ser un inconveniente, lo que obliga a las plantas a buscar un equilibrio: mantener los estomas abiertos y producir azúcares, o cerrarlos para ahorrar agua. Por eso, cada vez son más los investigadores interesados en estudiar los estomas y descubrir formas de manipularlos y desarrollar cultivos más resistentes.
“El agua es la principal limitación para la producción de cultivos a nivel mundial”, afirmó el fisiólogo vegetal Andrew Leakey, de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, en una reunión de 2025 de la Sociedad de Biología Experimental, en la que se presentaron un número sorprendente de ponencias sobre los estomas. “Es una cuestión muy relevante hoy en día que solo cobrará más importancia a medida que avance el cambio climático”.
En una estructura estomática típica, dos células oclusivas con forma de frijol o mancuerna rodean un poro. Dependiendo de las condiciones ambientales, como la cantidad de agua en la planta, las células oclusivas se contraen para cerrar el poro o se hinchan para abrirlo, permitiendo la entrada y salida de vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno.
Aunque la fotosíntesis requiere que esos poros se abran, existe una gran variabilidad en la cantidad de agua que se pierde en el proceso. Uno de los cultivos más eficientes es el sorgo, un cereal adaptado a la sequía que se originó en África y es muy popular en las zonas tropicales y subtropicales. Un estudio de 2024 descubrió que, en muchas plantas de sorgo, los estomas se mueven rápidamente, abriéndose solo el tiempo necesario para dejar entrar el CO2 necesario para la fotosíntesis y cerrándose inmediatamente después. “Nunca había visto una relación tan estrecha en ninguna de las especies que he estudiado”, afirmó la coautora del estudio Tracy Lawson, que ahora también trabaja en Illinois Urbana-Champaign. Ella espera que desentrañar el mecanismo que subyace a esta precisa coordinación pueda inspirar esfuerzos para mejorar los cultivos más sedientos.
Algunos científicos se mostraron inicialmente optimistas al pensar que los niveles más altos de CO₂ en el aire —las cantidades han aumentado de 280 partes por millón a 422 partes por millón desde la Revolución Industrial— podrían significar que las plantas perderían menos agua, ya que no tendrían que abrir tanto sus estomas para obtener suficiente CO₂. A partir de 2004, Leakey y sus colegas se propusieron comprobarlo. Rodearon parcelas de un campo de soya con una red de tuberías controladas por computadora que expulsaban CO₂ adicional, imitando eficazmente una atmósfera con entre 550 y 585 partes por millón de este gas.
Tras ocho años de cultivo de soya en estas condiciones —en ocasiones utilizando toldos retráctiles para crear sequías artificiales—, los investigadores descubrieron que las plantas de soya mantenían efectivamente sus estomas abiertos durante menos tiempo en respuesta a los niveles más altos de CO₂. También aumentaron la eficiencia hídrica y las tasas de fotosíntesis. En los años más lluviosos, esto supuso un aumento del 20 % al 25 % en el rendimiento de la soya.
Pero había un inconveniente: cuando las plantas se exponían a condiciones de sequía, “los beneficios del alto nivel de CO₂ podían reducirse a nada”, afirmó Leakey. Esto se debe a que, con niveles elevados de CO₂, las plantas crecían mucho más al principio de la temporada —y luego necesitaban más agua—. Esto sugiere que no podemos contar con el aumento del CO₂ para mejorar la eficiencia hídrica, ya que las sequías son cada vez más frecuentes.
Una forma aparentemente sencilla de ayudar a las plantas a conservar el agua podría ser reducir el número de estomas en las hojas. Esto se ha conseguido en varios cultivos aumentando la actividad de un gen llamado EPF1 que regula el número de estomas que se desarrollan. La señal genética más fuerte resultante da lugar a cultivos con menos estomas —y una mayor eficiencia en el uso del agua—.
Por su parte, el laboratorio de Leakey dio a conocer el año pasado que la modificación de un gen EPF redujo el número de estomas en el sorgo entre un 30% y un 60 %. Eso fue suficiente para reducir la pérdida de agua entre un 30% y un 34 % sin limitar la tasa de fotosíntesis o el crecimiento de las plantas.
Sin embargo, en la caña de azúcar, el equipo descubrió que no podía reducir el número de estomas de forma tan drástica. Al igual que en el sorgo, los estomas restantes se abrieron más —y, en el caso de la caña de azúcar, dado que todavía había suficientes estomas, la dilatación adicional eliminó cualquier ahorro de agua—. En un análisis de seguimiento de investigaciones publicadas sobre 10 especies de plantas diferentes, entre ellas el trigo y el maíz, Leakey y sus colegas observaron que se trataba de un fenómeno generalizado. Aunque la reducción del número de estomas casi siempre permitía ahorrar algo de agua, el ahorro era menor de lo esperado.
Modificar los genes EPF también puede tener efectos no deseados. Las plantas de sorgo que se modificaron para tener menos estomas, por ejemplo, también tenían flores mucho más pequeñas y subdesarrolladas y producían significativamente menos semillas, presumiblemente porque los genes también intervienen en estos procesos. Leakey y su equipo están trabajando ahora para realizar modificaciones más precisas que afecten a la actividad de los genes solo durante el desarrollo temprano de las hojas.
El equipo también utiliza cada vez más la inteligencia artificial para acelerar el descubrimiento de genes prometedores que modificar y para evaluar nuevas variantes de cultivos modificados genéticamente en el laboratorio y en el campo.
Esto puede marcar una gran diferencia. Para un experimento con sorgo publicado en 2021, el equipo de Leakey cultivó 869 variantes genéticas del cultivo en ensayos de campo durante dos años. “Había 4.000 muestras de hojas con casi 3 millones de estomas, que contamos”, recuerda. En el pasado, ese recuento se hacía manualmente, pintando las hojas con esmalte de uñas, despegándolo y contando las marcas dejadas por los estomas bajo el microscopio. “La gente en mi laboratorio no disfruta mucho hacer eso miles de veces”, afirma.
En su lugar, su equipo utiliza un método llamado tomografía óptica en el que “solo hay que coger un trozo de hoja congelada, pegarlo con cinta adhesiva de doble cara a un portaobjetos de microscopio y, en aproximadamente un minuto, se puede escanear la superficie”. A continuación, una herramienta de aprendizaje automático cuenta los estomas.
En otro avance, el equipo de Leakey ha desarrollado un sistema que les permite observar los estomas bajo el microscopio mientras miden los gases que pasan a través de ellos. Además, los investigadores están trabajando en formas de utilizar drones para monitorizar el crecimiento y la temperatura de las hojas de las plantas en los campos a una escala antes inimaginable. Esto permite evaluar mucho más rápidamente nuevas variantes genéticas en muchos entornos diferentes y en diversas condiciones.
Este conocimiento puede utilizarse en modelos que permiten a los investigadores y, potencialmente, a los criadores predecir cómo la manipulación de los genes afectará a la apertura y el cierre de los estomas, afirma el ecofisiólogo François Tardieu, del Instituto Nacional de Investigación Agrícola de Francia, especializado en maíz. Tardieu ha demostrado que una mayor apertura de los estomas predice un mejor rendimiento en condiciones favorables —pero, lo que es más importante, un menor rendimiento en condiciones adversas, como el calor o la sequía—.
Esto puede tener importantes implicaciones, según Tardieu. Las empresas de mejora genética tienden a centrarse en medir el rendimiento —y, aunque hasta ahora esto ha sido muy eficaz, la selección basada en el rendimiento puede ser demasiado lenta y reactiva para seguir el ritmo del aumento de los periodos de calor y sequía—. “Si queremos prepararnos para el cambio climático, quizá tengamos que cambiar nuestros métodos”, afirma.
Además de realizar experimentos a escala mucho mayor, eso podría significar centrarse en lo que hacen las plantas cuando no les prestamos atención, por ejemplo, por la noche. Es entonces cuando la fisióloga vegetal Lorna McAusland, de la Universidad de Nottingham, Inglaterra, suele pasear por sus campos de ensayo. “Nuestras noches se están calentando aproximadamente 1,4 veces más rápido que las temperaturas diurnas”, afirmó, “debido al aumento de la cobertura nubosa. Y para los cultivos, las noches más cálidas pueden significar menores rendimientos”. En el caso del arroz, por ejemplo, los científicos han descubierto que, por cada aumento de 1 grado Celsius durante la noche, los rendimientos disminuyen un 10 %. Estas tendencias también se han documentado en cultivos como el trigo.
Para estudiar la reacción de los estomas a estas tendencias, McAusland y su equipo calentaron sus campos con luz infrarroja. (Esto no estuvo exento de riesgos: “De hecho, me quemé el pelo en el campo”, recuerda). A continuación, midieron los gases que pasaban por los poros durante la noche en 12 variedades de trigo. Los científicos descubrieron que las variedades que abrían más los estomas por la noche tendían a mantener su rendimiento en comparación con las que los cerraban.
La investigación de McAusland subraya la importancia de que los cultivadores sepan cómo funcionan los estomas en los cultivos que seleccionan, tanto por la noche como durante el día. Las plantas no solo utilizan los estomas abiertos por la noche para refrescarse; ella tiene pruebas de que los utilizan para absorber el agua condensada de sus propias hojas, lo que puede ser cada vez más importante ante el empeoramiento de las sequías. “Antes de que esta característica se elimine mediante la selección”, afirma, “tenemos que averiguar por qué lo hacen”.
Artículo traducido por Debbie Ponchner
*Este artículo fue publicado, originalmente, en Knowable en Español.
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Por Tim Vernimmen / Knowable en Español
