Los cambios climáticos como el aumento de temperatura y la concentración de dióxido de carbono (CO₂) en la atmósfera han impulsado el desarrollo de investigaciones destinadas a comprender el efecto de estos cambios en el crecimiento y desarrollo de las plantas, así como en la aparición de enfermedades y plagas.

El aumento de CO₂ atmosférico tiene un efecto en el comportamiento fisiológico de las plantas, ya que éste regula procesos vitales como la fotosíntesis, la respiración, el metabolismo y el comportamiento estomático. El carbono (C) se utiliza como sustrato en la fotosíntesis y puede influir, de una manera diferente, en las plantas con metabolismo fotosintético C3 y C4.

DIFERENCIA ENTRE PLANTAS C3 E C4

La diferencia está relacionada con la fijación de carbono durante la fotosíntesis. La fotosíntesis es un proceso de transformación de la energía luminosa en energía química, a través de la luz solar y la fijación de carbono de la atmósfera, que consta de dos fases. La fase clara o fase fotoquímica tiene como objetivo transformar la energía luminosa en energía química. La fase oscura o fase química, no depende directamente de la luz y existe la producción de carbohidratos a partir de la fijación de CO_2.

De dos formas para fijar el CO₂, en una de ellas la vía comienza con la formación de un compuesto de tres carbonos (ácido 3-fosfoglicérico), siendo las plantas, las que utilizan únicamente este mecanismo "estándar", las llamadas plantas C3. Cerca del 85% de las especies son C3, que incluye el arroz, el trigo, la soya y las especies arbóreas. Las plantas clasificadas como C4 han desarrollado un sistema complementario a la vía C3, donde se produce la formación de un compuesto de cuatro carbonos (ácido oxalacético), siendo este tipo de fijación característica de plantas más adaptadas a ambientes cálidos y soleados, como algunas gramíneas (caña de azúcar, maíz, sorgo, entre otras).

Los estudios sugieren que las plantas C4 responden menos al aumento de CO₂ comparado con las plantas C3, ya que tienen un mecanismo que aumenta la eficiencia fotosintética en la fijación de carbono (TAIZ & ZEIGER, 2004), mientras que para las plantas C3, puede haber un aumento en la tasa fotosintética. El aumento de la fijación C se debe a la supresión de la fotorrespiración y al aumento del suministro del sustrato (POORTER & NAVAS, 2003).

Fotorrespiración: respiración en presencia de luz, donde ocurre la absorción de O₂ y la liberación de CO₂

El efecto beneficioso del aumento de CO₂ se puede anular si va acompañado de un aumento de temperatura, como se observa en plantas C3 como los cultivares de arroz (WALTER et al. 2010) y de soya (RUIZ-VERA et al. 2013). Tal hipótesis puede ocurrir debido al acortamiento del ciclo de desarrollo y al aumento de la respiración del tejido vegetal (TAIZ & ZEIGER, 2004).

Además, niveles excesivos de CO₂ pueden tener una acción tóxica en las plantas, provocando el cierre de estomas, reduciendo el intercambio de gases y, en consecuencia, la tasa fotosintética (GUARDA & CAMPOS, 2014). La exposición a altas concentraciones de CO₂ también puede alterar la demanda nutricional de las plantas por elementos como nitrógeno, entre otros, sin embargo, los resultados varían según la especie estudiada y el nivel nutricional empleado (PÉREZ LÓPEZ et al., 2014).

Las investigaciones recientes sugieren que el aumento en la concentración de CO₂ ha llevado a la producción de plantas con un contenido de carbohidratos superior a la proporción de proteínas y nutrientes, considerados importantes para la nutrición humana y animal. Un meta-análisis con observación de varias especies de plantas mostró que la concentración de minerales totales en el tejido vegetal se redujo alrededor del 8% en respuesta a los altos niveles de CO₂, con 25 minerales como hierro, zinc, potasio y magnesio que tuvieron su concentración reducida (Loladze, 2002). La correlación entre el aumento de CO₂ y la reducción del contenido de nutrientes de los alimentos no ocurre tanto de esta manera, requiriendo estudios que aborden la oferta de CO₂ en relación con los demás factores que regulan el crecimiento y desarrollo vegetal.

INVESTIGACIÓN QUE INVOLUCRA CO₂ Y PLANTAS

            El potencial que tienen las plantas para asimilar el carbono atmosférico hace que los estudios sobre el efecto del aumento de CO₂ en el crecimiento, el desarrollo y el metabolismo sean cada vez más necesarios, ya que dicha respuesta depende de la especie vegetal y de factores bióticos y abióticos. Las cámaras climáticas para el crecimiento vegetal como la TE-4002 son capaces de sumar y controlar la concentración de CO₂ y, al mismo tiempo, simular condiciones de temperatura, humedad e iluminación, volviéndose imprescindible realizar investigaciones con este objetivo, donde es posible obtener la condición deseada y evaluar con precisión el comportamiento de las plantas.

Además, la predicción de que el CO₂ atmosférico aumentará, debido al uso intenso de combustibles fósiles, provoca que el efecto del cambio climático (aumento de CO₂ y temperatura, por ejemplo) se incluya en los programas de mejoramiento genético, que en general implica un largo período de estudio e inversión. Las cámaras de crecimiento con un ambiente controlado para hacer posible la técnica denominada "Speed ​​Breeding" (Reproducción rápida), que es capaz de reducir los ciclos de reproducción y acelerar la adquisición de nuevos cultivares (Ghosh et al., 2018; Watson et al., 2019), optimizando los procesos dentro de un programa de mejoramiento genético.

La cámara climática para el crecimiento de plantas disponible en los modelos TE-4002 (una puerta) y TE-4002 (dos puertas) es un equipo de alta precisión, con control de temperatura, humedad, fotoperiodo y nivel de CO₂ donde sea posible programar fácilmente los parámetros deseados para los experimentos. El equipo cuenta con un sistema de adquisición de datos con muestreo en la recolección de las variables de temperatura y humedad, y permite la recolección a través de una memoria USB. La cámara permite simular las condiciones previstas que se producirán en el futuro, siendo relevante para los avances en el área de investigación y desarrollo.

REFERENCIAS

Guarda, V. Del A; Campos, L. J. M. Bases ecofisiológicas da assimilação de carbono e suas implicações na produção de forragem. Embrapa Pesca e Aquicultura, 2014.

Ghosh S, et. al. Speed breeding in growth chambers and glasshouses for crop breeding and model plant research. Nature Protocols13:2944–2963, 2019.

Loladze, I. (2002) Rising atmospheric CO2 and human nutrition: toward globally imbalanced plant stoichiometry? Trends in Ecology and Evolution 17: 457-46

Pérez-López, et. al. Interacting effects of high light and elevated CO2 on the nutraceutical quality of two differently pigmented Lactuca sativa cultivars (Blonde of Paris Batavia and Oak Leaf). Scientia Horticulturae. 191. 10.1016/j, 2015.

Poorter, H.; Navas, M-L. Plant growth and competition at elevated CO2: on winners, losers and functional groups: Tansley review. New Phytologist. 157. 175 - 198. 10.1046/j.1469-8137, 2003.

Ruiz-Vieira, U. et al. Global warming can negate the expected CO₂ stimulation in photosynthesis and productivity for soybean grown in the Midwestern United States. Plant Physiology, v.162, p. 410-423, 2013.

Streck, N.A. Climate change and agroecosystems: the effect of elevated atmospheric CO2  and temperature on crop growth, development, and yield. Ciência Rural, v.35, n.3, p.730- 740, 2005.

Taiz, L.; Zeiger, E. Fisiologia vegetal. 3.ed. Porto Alegre: Artemed, 2004. 719p.

Walter, L. C. et. Mudança climática e seus efeitos na cultura do arroz. Ciência Rural, v. 40, n. 11, 2010.

Watson A, et. al. Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nature Plants (4) 23–29, 2018.