Al estudiar variedades de tomate que producen frutos en temporadas de crecimiento excepcionalmente calurosas, los biólogos de la Universidad de Brown identificaron la fase del ciclo de crecimiento en la que los tomates son más vulnerables al calor extremo, así como los mecanismos moleculares que hacen que las plantas sean más tolerantes al calor.
El descubrimiento, detallado en un estudio en Biología actualpodrían informar una estrategia clave para proteger el suministro de alimentos frente a la inestabilidad climática, dijeron los investigadores. La productividad agrícola es particularmente vulnerable al cambio climático, señaló el estudio, y se predice que el aumento de las temperaturas reducirá el rendimiento de los cultivos entre un 2,5% y un 16% por cada grado Celsius adicional de calentamiento estacional.
Los científicos tomaron algunas lecciones de la evolución para experimentar la mejor manera de acelerar el proceso de adaptación de las variedades de plantas de tomate, explicó el autor del estudio Sorel V. Yimga Ouonkap, investigador asociado en biología molecular, biología celular y bioquímica en Brown. Se necesitaría mucho tiempo para esperar a que la evolución elimine las variedades de tomate vulnerables como Heinz en favor de aquellas que pueden soportar el calor extremo, un proceso que también podría poner en peligro las cualidades que hacen que los cultivos vulnerables sean comercialmente deseables.
«Estamos tratando de descubrir la termorregulación a nivel molecular y celular, e identificar qué y dónde necesitamos mejorar para poder enfocarnos en los cultivares de plantas comerciales y conservar todo sobre ellos, excepto este aspecto que los hace vulnerables a calor extremo», afirmó Ouonkap. «Con el tiempo, se pueden empezar a acumular diferentes mecanismos de resistencia a medida que las condiciones de crecimiento siguen cambiando».
Comprender la termotolerancia, o la capacidad de una planta para soportar temperaturas extremas, es una estrategia prometedora para abordar la adaptación climática, dijo el autor del estudio Mark Johnson, profesor de biología en Brown.
«Imagínese si pudiera hacer que un tomate Heinz fuera más resistente al estrés térmico sin afectar el perfil de sabor o la forma en que la gente experimenta el tomate», dijo Johnson. «Eso sería una gran ventaja».
Reproducción vegetal: un área propicia para la investigación
La fase de reproducción de las plantas ha sido el foco de investigación en el laboratorio de Johnson durante muchos años. Si bien la literatura científica incluye estudios sobre cómo el estrés por calor afecta el crecimiento de las plantas en general, o el desarrollo de estructuras reproductivas clave, hubo una ausencia de trabajos que examinaran específicamente lo que sucede después de que el polen llega al estigma durante la reproducción de las plantas, dijo Johnson.
Para el proyecto de tesis de Ouonkap, se centró en la fase de crecimiento del tubo polínico del ciclo reproductivo de las plantas. Estudió diferentes cultivares de plantas de tomate conocidas por su capacidad para producir frutos en temporadas de crecimiento excepcionalmente calurosas. Las variedades de tomate del estudio eran nativas de Filipinas, Rusia y México y todas se cultivaron en el Plant Environment Center de Brown.
En colaboración con científicos de la Universidad de Arizona, Ouonkap estudió cómo el estrés por calor afecta la capacidad del polen para crecer en la flor de la planta de tomate. Se centró en cómo cambia la expresión genética cuando el polen de tomate producido por plantas que crecen en condiciones óptimas de invernadero se exponen a altas temperaturas cuando se cultivan en una placa de Petri.
Los socios del equipo en Arizona descubrieron que la exposición a altas temperaturas únicamente durante la fase de crecimiento del tubo polínico limita la producción de frutos y semillas de manera más significativa en cultivares de tomate que eran sensibles al calor que en aquellos que eran tolerantes al calor. Es importante destacar que Ouonkap descubrió que los tubos polínicos de la variedad de tomate Tamaulipas, conocida por ser tolerante al calor, han mejorado el crecimiento bajo altas temperaturas. Su análisis molecular del tubo polínico de estos tomates permitió al equipo de investigación identificar los mecanismos asociados con la termotolerancia.
Los tomates son un organismo ideal para este tipo de investigación, dijeron los investigadores. La capacidad de diferentes variedades para adaptarse a una variedad de climas extremos ofrece a los científicos información sobre cómo varían las especies en sus respuestas a las condiciones ambientales. Los tomates también son un cultivo comercial importante en países de todo el mundo, desde el Mediterráneo hasta Egipto, Turquía y California, algunos de los cuales se encuentran entre los más vulnerables a las condiciones de calor extremo.
Una vez identificados los mecanismos moleculares correctos, el siguiente paso sería determinar técnicas específicas para permitir el crecimiento del tomate en diferentes climas. En un escenario hipotético, los científicos podrían desarrollar una pequeña molécula que podría preparar el polen de las plantas para que pueda resistir una ola de calor, explicó Johnson.
«Cuando el pronóstico del tiempo mostraba dos semanas de altas temperaturas durante la fase de crecimiento del tubo polínico, el agricultor aplicaba a las plantas un producto que cambiaría la expresión genética para que el polen fuera resistente al calor», dijo.
Si bien ese tipo de manipulación aún está lejos en el futuro, los investigadores dijeron que esta área de investigación está lista para ser explorada.
Este proyecto fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (IOS-1939255) con el apoyo adicional del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (2020-67013-30907, 2024-67012-41882) y los Institutos Nacionales de Salud ( 5R35GM139609, PI AEL).
