Se cultivaron plantas de pimiento en un invernadero en el Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) en Madrid para investigar cómo difería su comportamiento bajo tierra cuando se plantaban solas frente a las de un vecino. Crédito:Ciro Cabal, Universidad de Princeton
Es posible que haya observado plantas que compiten por la luz del sol, la forma en que se estiran hacia arriba y hacia afuera para bloquear el acceso de los demás a los rayos del sol, pero fuera de la vista, otro tipo de competencia está ocurriendo bajo tierra. De la misma manera que puede cambiar la forma en que busca bocadillos gratis en la sala de descanso cuando sus colegas están presentes, las plantas cambian el uso de los recursos subterráneos cuando se plantan junto a otras plantas.
En un artículo publicado hoy en Science , un equipo internacional de investigadores dirigido por el estudiante graduado de Princeton Ciro Cabal arroja luz sobre la vida subterránea de las plantas. Su investigación utilizó una combinación de modelado y un experimento de invernadero para descubrir si las plantas se invierten de manera diferente en las estructuras de las raíces cuando se plantan solas que cuando se plantan junto a un vecino.
"Este estudio fue muy divertido porque combinó varios tipos diferentes de dulces mentales para reconciliar resultados aparentemente contradictorios en la literatura:un experimento inteligente, un nuevo método para observar sistemas de raíces en suelos intactos y teoría matemática simple", dijo 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 ampliamente, incluida la cantidad de carbono que pueden almacenar, sabemos mucho menos sobre cómo las partes subterráneas, es decir, las raíces, almacenan carbono”, dijo Cabal, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Pacala. "Dado que alrededor de un tercio de la biomasa vegetal del mundo, por lo tanto, el carbono, se encuentra bajo tierra, nuestro modelo proporciona una herramienta valiosa para predecir la proliferación de raíces en los modelos globales del sistema terrestre".
¿Cómo almacenan carbono las raíces de las plantas? Los investigadores de Princeton descubrieron que la energía que una planta dedica a sus raíces depende de la proximidad con otras plantas:cuando están muy juntas, las plantas invierten mucho en sus sistemas de raíces para competir por recursos subterráneos finitos; si están muy separados, invierten menos. Dado que aproximadamente un tercio de la biomasa vegetal (y el carbono) del mundo se encuentra bajo tierra, este modelo proporciona una herramienta valiosa para predecir la proliferación de raíces en los modelos globales del sistema terrestre. Las plantas de pimiento se cultivaron en un invernadero en el Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) en Madrid para investigar cómo difería su comportamiento bajo tierra cuando se plantaban solas o junto a un vecino. Las raíces de las plantas de pimiento vecinas se tiñeron de diferentes colores (por inyección) para distinguir qué raíces pertenecían a qué planta. Crédito:Ciro Cabal, Universidad de Princeton
Las plantas producen dos tipos diferentes de raíces:raíces finas que absorben agua y nutrientes del suelo y raíces transportadoras gruesas que transportan estas sustancias de regreso al centro de la planta. La “inversión” de las plantas en raíces involucra tanto el volumen total de raíces producidas como la forma en que estas raíces se distribuyen por todo el suelo. Una planta podría concentrar todas sus raíces directamente debajo de sus brotes, o podría extender sus raíces horizontalmente para buscar alimento en el suelo adyacente, lo que corre el riesgo de competir con las raíces de las plantas vecinas.
El modelo del equipo predijo dos resultados potenciales para la inversión en raíces cuando las plantas se encuentran compartiendo suelo. En el primer resultado, las plantas vecinas "cooperan" al segregar sus sistemas de raíces para reducir la superposición, lo que lleva a producir menos raíces en general de lo que producirían si estuvieran solas. En el segundo resultado, cuando una planta siente recursos reducidos en un lado debido a la presencia de un vecino, acorta su sistema de raíces en ese lado pero invierte más en raíces directamente debajo de su tallo.
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 volumen de raíces, a pesar de la segregación de esas raíces, podría resultar en una tragedia de los bienes comunes, en la que se agotarían los recursos (en este caso, la humedad y los nutrientes del suelo).
Para probar las predicciones del modelo, los investigadores cultivaron plantas de pimiento en un invernadero tanto individualmente como en parejas. Al final del experimento, tiñeron las raíces de las plantas de diferentes colores para que pudieran ver fácilmente qué raíces pertenecían a qué planta. Luego, calcularon 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 se plantaban junto a plantas vecinas, y contaron la cantidad de semillas producidas por cada planta como medida de aptitud relativa.
El equipo descubrió que el resultado depende de qué tan cerca estén un par de plantas entre sí. Si se plantan muy juntas, es más probable que las plantas inviertan mucho en sus sistemas de raíces para tratar de competir entre sí por los recursos subterráneos finitos; si se plantan más separadas, es probable que inviertan menos en sus sistemas de raíces que una planta solitaria.
Específicamente, descubrieron que cuando se plantaban cerca de otros, las plantas de pimiento aumentaban la inversión en raíces a nivel local y reducían cuánto estiraban sus raíces horizontalmente, para reducir la superposición con los vecinos. 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 (incluida la cantidad de semillas producidas por planta) para plantas solitarias versus cohabitantes .
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 podría ayudar a optimizar la producción de alimentos, porque para maximizar el rendimiento de los cultivos, es útil comprender cómo utilizar de manera óptima los recursos subterráneos (y superficiales).
Referencia:“La segregación explotadora de las raíces de las plantas” por Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares y Stephen W. Pacala, 4 de diciembre de 2020, Science .
DOI:10.1126/ciencia.aba9877
Los otros coautores del artículo son Ricardo Martínez-García, ex becario postdoctoral en EEB que ahora es profesor en el Instituto Sudamericano de Investigaciones Fundamentales; Aurora de Castro, que trabajó en el proyecto como parte de una tesis de grado del Departamento de Biogeografía y Cambio Global del Museo Nacional de Ciencias Naturales de España; y Fernando Valladares, profesor asociado del Departamento de Biología, Geología, Física y Química Inorgánica de la Universidad Rey Juan Carlos e investigador del Departamento de Biogeografía y Cambio Global del Museo Nacional de Ciencias Naturales de España.
"La segregación explotadora de las raíces de las plantas", de Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares y Stephen W. Pacala, aparece en la edición del 4 de diciembre de Science (DOI:10.1126/ciencia.aba9877). Este trabajo fue apoyado por la beca May Fellowship de la Universidad de Princeton en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva; la Fundación Gordon y Betty Moore (subvención GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (subvención Serra-1911-31200); la Fundación de Investigación de São Paulo (beca ICTP-SAIFR 2016/01343-7); el Programa Jóvenes Pesquisadores en Centros Emergentes (2019/24433-0); la Fundación Simons; el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España (beca COMEDIAS CGL2017-83170-R); y la Iniciativa de Mitigación de Carbono del Instituto Ambiental de Princeton.
