Las moléculas espejo revelan el estrés por sequía en los bosques

Los cambios en los ecosistemas pueden predecirse con mayor precisión mediante las emisiones de compuestos quirales

09.09.2022 - Alemania

En todo el mundo, las plantas emiten unos 100 millones de toneladas de monoterpenos a la atmósfera cada año. Estas moléculas orgánicas volátiles incluyen muchas fragancias, como la molécula pineno, conocida por su aroma a pino. Dado que estas moléculas son muy reactivas y pueden formar diminutas partículas de aerosol que pueden convertirse en núcleos de gotas de nubes, las emisiones naturales desempeñan un papel importante en nuestro clima. Por ello, es importante para las predicciones climáticas saber cómo cambiarán las emisiones de monoterpenos a medida que aumenten las temperaturas.

Como ocurre con el pineno, muchos monoterpenos se presentan en dos formas especulares: (+) alfa-pineno y (-) alfa-pineno. Las plantas pueden liberar ambas formas de estas moléculas volátiles directamente después de la biosíntesis o desde los depósitos de almacenamiento de las hojas. Dado que las dos formas quirales o enantioméricas tienen idénticas propiedades físicas y químicas, no suelen considerarse por separado en la modelización atmosférica. Sin embargo, en un nuevo estudio publicado en Nature, investigadores del Instituto Max Planck han demostrado que las dos moléculas espejo se liberan a través de procesos diferentes en la planta y que responden de forma distinta al estrés, especialmente a la sequía.

Tres meses de estrés por sequía en una selva artificial

Los resultados proceden de experimentos realizados en una selva tropical artificial cerrada dentro del complejo Biosfera 2, en Arizona, que se construyó originalmente para crear un ecosistema autosuficiente. Esta instalación permitió a un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Química, la Universidad de Friburgo y la Universidad de Arizona controlar con precisión las condiciones químicas y climáticas del bosque y medir sus respuestas. Durante tres meses, el equipo científico sometió al bosque a un estrés por sequía moderado y luego severo.
Utilizando cromatógrafos de gases, Joseph Byron, estudiante de doctorado en el proyecto de la Escuela de Postgrado Max Planck, determinó las emisiones horarias de alfa-pineno, canfeno, limoneno, terpineno e isopreno. Para determinar cuándo emitían las plantas cada forma quiral, los investigadores utilizaron CO2 marcado isotópicamente para rastrear el carbono fotosintético e introdujeron dióxido de carbono "pesado" (13CO2) en el aire de la biosfera en determinados momentos. Mediante un espectrómetro de masas acoplado al cromatógrafo, el equipo pudo rastrear qué monoterpenos contenían átomos de carbono pesados y cuáles no. Esto reveló qué compuestos etiquetados estaban siendo fabricados y liberados instantáneamente por el ecosistema y qué especies no etiquetadas procedían de reservas de almacenamiento.

El dióxido de carbono pesado permite conocer el metabolismo de las plantas

"Para nuestra sorpresa, muchas moléculas espejo se comportaron de forma diferente bajo el estrés de la sequía", comenta el primer autor del trabajo, Joseph Byron. "Así, el (-) alfa-pineno fue etiquetado, mientras que el (+) alfa-pineno, que medimos simultáneamente, no lo fue". Esto significa que el ecosistema de la selva tropical liberó (-) alfa-pineno directamente después de la síntesis, mientras que la molécula espejo procede de las reservas de la planta.

Una mayor sequía provoca un cambio diurno en las emisiones de monoterpenos

Además, los investigadores descubrieron que, a medida que avanzaba la sequía, no sólo se liberaban más monoterpenos, sino que el máximo de emisiones se desplazaba a las últimas horas de la tarde, y las plantas liberaban más monoterpenos de las reservas de almacenamiento. Y puede haber una razón para ello, sospecha el director del proyecto y científico atmosférico Jonathan Williams: "Sospechamos que la liberación más tardía de monoterpenos aumenta la probabilidad de que se formen nubes sobre el bosque. Cuanto más calienta el día, más aumenta la mezcla vertical del aire, lo que permite que los volátiles reactivos lleguen a las capas más altas del aire, donde tienen más posibilidades de convertirse en partículas de aerosol y, finalmente, en núcleos de condensación de nubes".

El investigador del Max Planck, Williams, concluye a partir de los estudios de Biosphere 2: "Para predecir con exactitud las respuestas de los ecosistemas al estrés, deberíamos medir y modelizar las emisiones de las moléculas quirales por separado en el futuro. Esto es especialmente importante para la selva amazónica, para la que los modelos climáticos predicen más sequías en el futuro." El jefe de grupo del Instituto Max Planck de Química de Maguncia añade: "Me fascina el hecho de que podamos descifrar los procesos fisiológicos internos, impulsados por las enzimas, de la selva mediante la medición de la composición del aire. Esto nos ayudará sin duda a dilucidar los efectos que hemos observado también en la selva real". El equipo de Williams también ha estado investigando en la selva brasileña en el Observatorio de la Torre Alta del Amazonas ATTO.

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Publicación original

Chiral monoterpenes reveal forest emission mechanisms and drought responses; Joseph Byron, Juergen Kreuzwieser, Gemma Purser, Joost van Haren, S. Nemiah Ladd, Laura K. Meredith, Christiane Werner and Jonathan Williams; Nature, 7. September 2022

https://www.quimica.es/noticias/1177611/las-moleculas-espejo-revelan-el-estres-por-sequia-en-los-bosques.html