La madera de los árboles, una historia de peso y equilibrio

Si algo nos maravilla de las plantas es su crecimiento: un día plantas una semilla y, si los cuidados son adecuados, en nada te encuentras con toda una estructura vegetal que va directa hacia la luz del sol. Este crecimiento en las plantas está definido de dos formas: el llamado crecimiento primario y el secundario. El primero de los dos, el primario, si me permitís la redundancia, se caracteriza por el crecimiento en longitud tanto de la raíz como del tallo, y es consecuencia de la actividad de los respectivos meristemos, los tejidos responsables del crecimiento vegetal: el radicular elonga la raíz y lleva las siglas RAM (root apical meristem), y el apical hace lo propio con el tallo, y se llama SAM (shoot apical meristem).

Los meristemos los forman células madre desdiferenciadas con una alta tasa de división. Estas células dan lugar a los diferentes tejidos de la planta. Y aquí nos podemos preguntar: ¿cómo saben las células qué tejido deben originar? Muy fácil, o no tanto: la identidad celular la determina una combinación entre el contenido hormonal y la posición dentro del órgano. Las principales hormonas que intervienen en el crecimiento primario son, por un lado, las auxinas, encargadas de la división celular, y por otro las citoquininas, necesarias para la expansión de las células.

Con esta información ya estamos familiarizados con cómo las plantas crecen en longitud, así que ahora toca hablar del crecimiento secundario, el que da grosor tanto a los tallos como a las raíces, porque hace que el radio de estos órganos aumente. Un crecimiento importante y necesario para sostener los tallos mientras estos crecen en longitud buscando la luz. Y para que esta elongación secundaria tenga lugar, hace falta la actividad de lo que se conoce como cámbium vascular. La pregunta es obligada: ¿qué es eso del cámbium? Pues otro tejido meristemático, este con la peculiaridad de que da lugar a los tejidos vasculares encargados de transportar agua y nutrientes a todos los órganos de la planta. Así, cuando el cámbium está activo, produce estos tejidos: el xilema y el floema.

¿Y cómo activamos este cámbium? Con unas de las hormonas de las que hablábamos antes, las auxinas, que son indispensables. Se acumulan hasta un máximo y entonces se activa el cámbium, que produce más xilema, dando lugar a la formación de madera; por tanto, el tallo crece en grosor y le da estabilidad a la planta para que pueda seguir creciendo en altura y sea resistente a diversos estreses mecánicos, como pueda ser el viento.

El crecimiento secundario

Una vez familiarizados con los sistemas de crecimiento de las plantas, hay que empezar a poner en valor la importancia del estudio del crecimiento secundario. Por un lado, la madera tiene un papel muy importante como secuestrador de $CO_2$, dado que es uno de los mayores sumideros de carbono terrestre después de los océanos. Estos absorben entre el 25 y el 30% del $CO_2$ emitido por las actividades humanas cada año; después este carbono se disuelve en el agua donde es absorbido por los organismos fotosintéticos marinos, como el fitoplancton, y es empleado para la fotosíntesis. Como la fotosíntesis es un proceso que comparten muchos organismos, entre ellos las plantas, también los árboles capturan $CO_2$ de la atmósfera cuando la realizan, y lo transforman en biomasa que se almacena en forma de celulosa y lignina en la madera. No es difícil hacer la relación: tener plantas y árboles alrededor nos puede ayudar a reducir el $CO_2$ ambiental.

Y por otro lado, estudiar el crecimiento secundario tiene un gran interés industrial, ambiental y forestal, dado que la madera se emplea para materiales de construcción o en la fabricación del papel, entre otros. Así pues, la gestión forestal que favorece la plantación, crecimiento y recolección de árboles puede maximizar la captura de $CO_2$; por eso es tan importante plantar nuevos árboles después de la tala, es la forma de mantener el ciclo de la captura activa del carbono.

Demostrar una hipótesis

Aunque tal vez no nos habíamos parado a pensarlo, ha quedado clara la importancia del proceso de la formación de madera, pero ahora nos trasladamos al laboratorio para estudiarlo y entenderlo con detalle. En ciencia, solemos emplear organismos como modelo de estudio, y en biología de plantas el organismo modelo es Arabidopsis thaliana, debido a sus propiedades biológicas. Esta planta es de crecimiento rápido, tiene un tamaño reducido, produce muchas semillas y tiene facilidad para generar mutantes; todas ellas características que nos van a ayudar en nuestros trabajos. Y concretamente en nuestro estudio, aunque Arabidopsis es una hierba anual, la usamos para estudiar el crecimiento secundario, dado que en la base del tallo floral encontramos el cámbium y, por lo tanto, hay crecimiento en grosor.

Entonces, ya nos podemos poner con nuestra hipótesis: que el propio peso del tallo puede estimular el crecimiento radial en las plantas; y con el modelo que vamos a estudiar, un sistema nuevo y sencillo que simula el efecto del factor en cuestión, el peso, sobre el crecimiento, sin afectar a otros parámetros relacionados con él. Y el material es muy sencillo: añadimos clips a las ramas de los tallos, como si fueran las bolas de los árboles de navidad. Así, logramos generar una acumulación de peso que simula la ganancia de peso natural del tallo de una planta adulta. ¿Y qué hemos observado? Que añadiendo este peso tienen un 60% más de crecimiento secundario.

El siguiente paso para entender mejor lo que estaba pasando fue decapitar el tallo, eliminando así el meristemo apical y, con él, la producción de auxinas. ¿Y a que no adivináis qué pasa cuando tratamos a las plantas decapitadas? Bueno, tal vez lo habéis acertado: que no responden al tratamiento de peso. Por lo tanto, con este experimento tan simple hemos descubierto que las auxinas juegan un papel importante en la respuesta al peso.

Una cuestión genética

Entonces, para saber más sobre la contribución de las auxinas en todo este proceso, caracterizamos la respuesta al tratamiento de mutantes que tienen el sistema de transporte de auxinas alterado. En concreto, estudiamos unos transportadores llamados PIN, que son una familia de 7 proteínas. Sorprendentemente, de los 7 transportadores, solo el mutante de la proteína 3, PIN3, no respondió al tratamiento de peso. Este resultado nos indica que este tercer transportador puede tener un papel relevante en el crecimiento secundario inducido por peso.

Por tanto, nos centramos en la función de PIN3 en este proceso y lo estudiamos desde un punto de vista más celular. Añadimos una etiqueta fluorescente a PIN3 para observar la localización de la proteína en condiciones normales y si había algún cambio cuando añadíamos el peso. Y sí, descubrimos que al aumentar el peso sobre el tallo, PIN3 cambia de posición dentro de las células: no se concentra en la base de la célula, sino que se expande hacia los laterales, como si la planta estuviera «recalculando» su arquitectura.

Hay que tener presente que el peso puede generar un efecto de compresión que pueden captar las proteínas de membrana como PIN3. Este cambio en la distribución del transportador genera una redistribución radial del flujo de auxinas que llega al cámbium. Así, si recordamos, al generar un máximo de auxinas se activa el cámbium produciendo más tejido vascular que refuerza el tallo. Es como si PIN3 tradujera el peso en una orden para construir.

Ante este descubrimiento, era necesario comprobar que este mecanismo no es exclusivo de Arabidopsis, así que trasladamos los experimentos a árboles, y elegimos para el estudio el chopo (Populus tremula x tremuloides). Mediante técnicas de edición genética CRISPR, generamos árboles mutantes para PIN3 y observamos que tampoco respondían al peso. Por tanto, el papel de PIN3 se conserva en especies leñosas, sugiriendo una función evolutiva en angiospermas.

Esto nos lleva a pensar que la proteína PIN3 podría ser la clave para diseñar plantas que se adapten mejor a su entorno físico, soporten mejor el peso de los frutos o, incluso, sean más resistentes en ambientes urbanos. PIN3 podría convertirse en una diana biotecnológica para mejorar la estabilidad estructural de especies agrícolas y forestales.

Durante años, los profesionales de la botánica hemos observado cómo los tallos de las plantas iban aumentando el diámetro a medida que crecían. Con este estudio, hemos dado un paso adelante hacia la comprensión de la arquitectura vegetal donde la coordinación entre crecimiento longitudinal y radial es esencial para la supervivencia de las plantas. Nuestro estudio revela que PIN3 actúa como un traductor molecular entre el propio peso de la planta y su capacidad para reforzarse. En otras palabras, PIN3 permite que la planta «sienta» su propio peso y genere una respuesta en consecuencia.