Ciencias

Los cambios de humedad en las hojas muertas de helecho determinan un tiempo de dispersión de esporas único en una especie de helecho ampliamente distribuida.

Hoja fértil sembrada del año pasado, junto con una nueva hoja fértil en desarrollo del año en curso. La hoja fértil en desarrollo del año actual eventualmente envejecerá y se verá como la hoja adyacente del año pasado. Crédito: Jacob Suissa

El helecho sensible, llamado así por su sensibilidad a la sequía y las heladas, es una especie común que se encuentra en todo el este de América del Norte y el este de Asia. Es una planta dimórfica porque tiene dos tipos distintos de hojas: una para la fotosíntesis y otra para la reproducción. Si bien la mayoría de las especies de helechos en las regiones templadas producen y dispersan sus esporas en verano, el helecho sensible tiene un tiempo de dispersión de esporas inusual. A principios del verano, producen frondas (u hojas) con esporas muy modificadas, con folíolos que envuelven sus esporangios y esporas. Estas hojas se deterioran con la edad, pero continúan persistiendo sobre el suelo durante el invierno como estructuras maduras muertas. A principios de la primavera, sus folletos se abren para dispersar las esporas. Aunque el tiempo de dispersión de las esporas se ha observado durante más de 120 años, los mecanismos estructurales que impulsan esta fenología han permanecido indefinidos.


En un nuevo estudio publicado en Anales de botánica Jacob Suissa, candidato a doctorado en el Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva y miembro del Arnold Arboretum de la Universidad de Harvard, revela que el momento único de dispersión de las esporas en el helecho sensible, conocido como Onoclea sensibilis, está determinado por una estructura mecanismo de movimiento impulsado por la humedad en las hojas portadoras de esporas.

Cuando comenzó COVID-19, Suiza no tenía acceso a los laboratorios para hacer su trabajo, por lo que realizaba caminatas diarias por el Arnold Arboretum de Harvard. Fue en uno de sus paseos, a finales del invierno con el suelo helado, que se dio cuenta de que una planta verde del verano anterior era ahora una hoja muerta que sobresalía de la nieve. Queriendo saber más, Suissa agarró un puñado de hojas de la planta y se dirigió a casa.

«Empecé a leer de todo», dijo Suissa, «leí periódicos y libros de 1960, luego de 1950 y de 1907 y 1890». Se dio cuenta de que los científicos sabían desde hace mucho tiempo sobre el momento de la dispersión de las esporas en el sensible helecho, pero no pudo encontrar nada sobre el mecanismo que impulsaba esta fenología. Con su trabajo de doctorado en espera, Suiza decidió descubrir cómo este extraño helecho logra esta fenología única.

Grabación de video de la parte inferior de los folletos que se abren mientras se secan y se cierran a medida que ganan humedad. Los folletos se cierran completamente inicialmente a una humedad relativa alta y luego se abren completamente a una humedad relativa baja. Este proceso puede tener lugar en minutos. Crédito: Jacob Suissa

«Comencé a realizar experimentos simples en mi casa con las hojas muertas que recolectaba», dijo Suissa. Colocó algunas de las hojas en el horno a las temperaturas más bajas. Algunos los puso en su congelador y otros en bolsas de plástico con una toalla de papel húmeda.

Suissa descubrió que estos folletos maduros muertos parecían abrirse cuando se secaban y cerrarse de nuevo cuando se introducían en el agua. Aprendió que las hojas esencialmente muertas se mueven en respuesta directa a los cambios de humedad y que es un proceso reversible que puede repetirse cientos de veces. «Estas son estructuras muertas», dijo Suissa, «no es como una Venus atrapamoscas o una planta sensible, donde se produce el movimiento en el tejido vegetal vivo. Sabía que tenía que haber algo estructural que permitiera que este material no vivo se moviera en respuesta». . a los cambios en el estado del agua «.

Pero eso fue todo lo que el estudio pudo llegar sin acceso a equipos de laboratorio. Entonces, Suiza hizo más experimentos en su casa hasta que pudo acceder a equipos de alta tecnología al final del verano. Una vez que los laboratorios volvieron a abrir, colocó las hojas que contenían esporas en cámaras de crecimiento, ajustando la humedad en incrementos del diez por ciento, comenzando con cero por ciento. Tal como había observado en sus experimentos caseros, los folletos se abrían cuando estaban secos y se cerraban cuando estaban húmedos. Suiza repitió este experimento muchas veces con los mismos resultados. Esto produjo una resolución a escala fina que demostró cómo pequeños cambios incrementales en la humedad condujeron a pequeños cambios incrementales en la apertura de las hojas. Con esa confirmación, luego centró su atención en el mecanismo estructural subyacente que impulsa el movimiento.

Suissa cortó la hoja por la mitad y la examinó con un microscopio electrónico de alta potencia. Vio que las celdas estaban construidas de manera diferente en los lados superior e inferior del folleto. Las plantas usan celulosa para construir sus células y la celulosa generalmente se organiza en haces o fibras. Suissa descubrió que en las celdas de la parte superior de la hoja estas fibras estaban orientadas perpendicularmente a la longitud de la celda, mientras que las fibras de las celdas de la parte inferior de la hoja estaban orientadas paralelas a la longitud de la celda. La orientación de estas fibras es muy importante para determinar cómo, o si, una estructura se moverá, porque estas fibras pueden expandirse cuando absorben agua.

Los cambios de humedad en las hojas muertas de helecho determinan un tiempo de dispersión de esporas único en una especie de helecho ampliamente distribuida.

Hojas de helecho muerto que sobresalen de la nieve. Crédito: Jacob Suissa

«Básicamente, debido a que los haces están orientados perpendicularmente a la longitud de la celda en la parte superior del folleto, cuando está hidratado, estas células pueden expandirse como un acordeón», dijo Suissa, «la capa superior de células se expande, pero la capa inferior de las células se expanden. no y esta expansión diferencial conduce al cierre de las valvas cuando están húmedas y abiertas cuando están secas. Curiosamente, esta es la primera vez que se documenta este mecanismo en una hoja entera de helecho «.

El descubrimiento también muestra una evolución convergente, ya que es el mecanismo exacto que se encuentra en las piñas, que también son estructuras muertas cuando están completamente maduras. Si pones una piña completamente madura en el horno, se abrirá. Ponlo en una bolsa de plástico con una toalla de papel húmeda y se cerrará. «Lo que es realmente interesante es que tienes dos estructuras idénticas: una piña y una hoja de helecho, pero el notable tiempo evolutivo que separa a estos dos linajes es enorme. Han evolucionado de forma independiente durante más de 300 millones de años», dijo. Suiza .

Estas estructuras sensibles a la humedad no son exclusivas de los helechos y las piñas. Ocurre en una variedad de plantas con flores como el geranio y el trigo. Aunque el proceso no es único, probablemente evolucionó para regular el tiempo de dispersión de semillas, esporas o frutos.

Las estructuras biológicas sensibles a la humedad también han inspirado a los ingenieros a diseñar materiales que imitan estas maravillas de la ingeniería verde. El aspecto principal del movimiento en estas estructuras es que no requieren importantes aportes de energía para moverse. Esto ha llevado a diseños ecológicos para techos de patio e instalaciones artísticas que se abren y cierran según el clima: se abren cuando están secos y se cierran cuando llueve. Se mueven en respuesta al cambio de humedad, sin necesidad de aporte de energía. Con suerte, trabajos como el de Suiza, que revelan la biología de estas estructuras, pueden ayudar a inspirar a futuros arquitectos e ingenieros a construir estructuras conscientes del clima que requieran poca energía.

Los cambios de humedad en las hojas muertas de helecho determinan un tiempo de dispersión de esporas único en una especie de helecho ampliamente distribuida.

Hoja verde vegetativa o fotosintética de la temporada de crecimiento actual, con hoja senescente (muerta) fértil que persiste del año anterior. Crédito: Jacob Suissa

Suissa es una botánica que se especializa en comprender cómo se construyen las plantas, cómo funcionan y cómo evolucionaron con el tiempo. En particular, se centra en los helechos, un grupo diverso de plantas terrestres con más de 11.000 especies y una larga historia evolutiva. Durante su trabajo de doctorado, se centró en cómo los helechos mueven el agua a través de su sistema vascular. Con su asesor, el profesor Ned Friedman en el Departamento de Biología Organísmica y Evolutiva y director del Arnold Arboretum, está trabajando para descubrir cómo evolucionó el sistema vascular durante más de 400 millones de años de helecho historia evolutiva.

«Al final del día, tiré estas plantas que encontré mientras caminaba en una humedad diferente, las miré bajo el microscopio y descubrí algo nuevo sobre el mundo natural», dijo Suissa.


Las plantas desarrollaron la capacidad de controlar activamente la pérdida de agua antes de lo que se pensaba.


Mas informaciones:
Hojas de helecho que se mueven como piñas: el movimiento impulsado por la humedad de los folíolos fértiles gobierna el tiempo de dispersión de las esporas en una especie de helecho muy extendida. Anales de botánica (2021). DOI: 10,1093 / aob / mcab137

Proporcionado por
Universidad Harvard

Cita: Los cambios de humedad en las hojas muertas de helecho determinan un tiempo de dispersión de esporas único en una especie de helecho generalizada (2021, 30 de noviembre) recuperado el 30 de noviembre de 2021 de https://phys.org/news/2021 -11 -idity-dead-fern- frondas -unique.html

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