¿Qué tan bien pueden sobrevivir las semillas en el espacio?

Pase muchos meses conectado a la EEI y vea qué tan bien crece. Imagen vía NASA.

Gina Riggio, Universidad de Arkansas

¿Algún día colonizaremos el espacio? ¿Visitarán nuestros niños otros planetas? Para lograr objetivos como estos, necesitaremos resolver un desafío crucial: cómo alimentarnos durante largos períodos fuera de la Tierra.

Un viaje a Marte llevaría meses, y explorar las profundidades de la galaxia llevaría aún más tiempo. La provisión de alimentos nutritivos para los viajeros es un obstáculo significativo. Si bien el almacenamiento de alimentos es una opción, almacenar lo suficiente como para durar muchos meses reduce el peso y las limitaciones de espacio en las naves espaciales, y las misiones podrían durar fácilmente más que la vida útil de los alimentos. Cultivar alimentos en el espacio será esencial.

Esencial, y no necesariamente fácil. Las condiciones en el vacío del espacio son bastante duras en comparación con la Tierra. Las semillas en el espacio deben ser capaces de soportar grandes dosis de radiación ultravioleta y cósmica, baja presión y microgravedad.

Lo creas o no, los primeros viajeros espaciales fueron semillas. En 1946, la NASA lanzó un cohete V-2 con semillas de maíz para observar cómo se verían afectados por la radiación. Desde entonces, la comunidad científica ha aprendido mucho sobre los efectos del ambiente espacial en la germinación de semillas, el metabolismo, la genética, la bioquímica e incluso la producción de semillas.

Los astrobiólogos David Tepfer y Sydney Leach investigaron recientemente cómo las semillas volverían a la Tierra después de pasar largos períodos en la Estación Espacial Internacional. Los experimentos que llevaron a cabo en las misiones EXPOSE fueron mucho más largos que muchos otros experimentos de semillas ISS, y colocaron las semillas en el exterior de la estación, en el espacio muerto, en lugar de en el interior. El objetivo era comprender no solo los efectos de la exposición a la radiación a largo plazo, sino también un poco sobre los mecanismos moleculares de esos efectos.

Las semillas tienen algunas defensas

Las semillas poseen un par de rasgos notables que Tepfer y Leach plantearon como hipótesis les darían a estos "viajeros espaciales modelo" una oportunidad de lucha.

Las semillas protegen sus interiores importantes con una capa externa de semillas fuerte. Imagen vía LadyofHats.

Primero, contienen múltiples copias de genes importantes, lo que los científicos llaman redundancia. La redundancia genética es común en las plantas con flores, especialmente en productos alimenticios como la sandía sin semillas y las fresas. Si una copia genética está dañada, todavía hay otra disponible para hacer el trabajo.

En segundo lugar, las capas de semillas contienen químicos llamados flavonoides que actúan como protectores solares, protegiendo el ADN de la semilla del daño de la luz ultravioleta (UV). En la Tierra, la atmósfera de nuestro planeta filtra algo de luz UV dañina antes de que pueda alcanzarnos. Pero en el espacio, no hay atmósfera protectora.

¿Serían suficientes estas características especiales para permitir que las semillas sobrevivan o incluso prosperen? Para averiguarlo, Tepfer y Leach llevaron a cabo una serie de experimentos, tanto fuera de la Estación Espacial Internacional como de regreso en la Tierra, con tabaco, Arabidopsis (una planta con flores comúnmente utilizada en investigación) y semillas de morning glory.

El experimento EXPOSE-R adjunto al exterior de la Estación Espacial Internacional. Imagen vía NASA.

Bombardeado con energía

Su experimento EXPOSE-E voló a la Estación Espacial Internacional (EEI) en 2008 y duró 558 días poco menos de dos años.

Almacenaron las semillas en una sola capa en el exterior de la EEI detrás de un tipo especial de vidrio que deja entrar la radiación ultravioleta solo a longitudes de onda entre 110 y 400 nanómetros. El ADN absorbe fácilmente la radiación UV en este rango de longitud de onda. Un segundo conjunto idéntico de semillas estaba en la EEI, pero protegido completamente de la radiación UV. El propósito de este diseño experimental fue observar los efectos de la radiación UV por separado de otros tipos de radiación como los rayos cósmicos que están en todas partes en el espacio.

Tepfer y Leach eligieron semillas de tabaco y Arabidopsis para EXPOSE-E porque ambos tienen un genoma redundante y, por lo tanto, buenas probabilidades de supervivencia. También incluyeron una variedad de tabaco genéticamente modificada con un gen de resistencia a los antibióticos agregado; el plan era probar luego este gen en bacterias y determinar si había algún daño. Además de la Arapidopsis normal, enviaron dos cepas genéticamente modificadas de la planta que contenían productos químicos protectores contra los rayos UV bajos y ausentes en su capa de semillas. También enviaron ADN purificado y flavonoides purificados. Esto les dio a los investigadores una amplia gama de escenarios para comprender los efectos del espacio en las semillas.

Una segunda misión de la ISS llamada EXPOSE-R incluyó solo los tres tipos de semillas de Arabidopsis . Estos recibieron un poco más del doble de la dosis de luz ultravioleta debido al mayor tiempo de experimento, 682 días. Por último, los investigadores realizaron un experimento en el laboratorio que expuso las semillas de Arabidopsis, tabaco y gloria de la mañana a dosis muy altas de luz ultravioleta durante solo un mes.

Después de todas estas condiciones de exposición, era hora de ver qué tan bien podían crecer las semillas.

El experimento Expose-R estaba equipado con tres bandejas que contenían una variedad de muestras biológicas, incluidas las semillas. Imagen vía NASA.

¿Qué cosecharían los investigadores?

Cuando las semillas regresaron a la Tierra, los investigadores midieron sus tasas de germinación, es decir, qué tan rápido emergió la raíz de la cubierta de la semilla.

Las semillas que habían sido protegidas en el laboratorio fueron las mejores, con más del 90 por ciento de ellas germinando. Luego vinieron las semillas que habían estado expuestas a la radiación UV durante un mes en el laboratorio, con más del 80 por ciento de germinación.

Para las semillas que viajan al espacio, más del 60 por ciento de las semillas protegidas germinaron. Solo el 3 por ciento del espacio de semillas expuestas a los rayos UV lo hizo.

Las 11 plantas de Arabidopsis que crecieron tanto del tipo salvaje como de semillas genéticamente modificadas no sobrevivieron una vez plantadas en el suelo. Sin embargo, las plantas de tabaco mostraron un crecimiento reducido, pero esa tasa de crecimiento se recuperó en las generaciones posteriores. El tabaco tiene una capa de semillas mucho más fuerte y un genoma más redundante, lo que puede explicar su aparente ventaja de supervivencia.

Cuando los investigadores conectaron el gen de resistencia a los antibióticos a las bacterias, descubrieron que todavía era funcional después de su viaje al espacio. Ese hallazgo sugiere que no es el daño genético lo que hace que estas semillas sean menos viables. Tepfer y Leach atribuyeron la tasa de germinación reducida al daño a otras moléculas en la semilla además del ADN, como las proteínas. Un genoma redundante o mecanismos de reparación de ADN incorporados no iban a superar ese daño, explicando aún más por qué las plantas de Arabidopsis no sobrevivieron al trasplante.

En los experimentos en tierra, los investigadores descubrieron que el daño por radiación depende de la dosis: cuanta más radiación reciban las semillas, peor será su tasa de germinación.

Estos descubrimientos podrían informar direcciones futuras para la investigación en agricultura espacial. Los científicos pueden considerar que las semillas genéticamente modificadas tienen una protección adicional para la maquinaria celular crítica para la síntesis de proteínas, como los ribosomas. La investigación futura también necesitará explorar más a fondo cómo las semillas almacenadas en el espacio germinan en microgravedad, en lugar de en la Tierra.

A medida que los investigadores se suman al conocimiento de cómo el espacio afecta a las plantas y sus semillas, podemos continuar haciendo los pasos necesarios para producir alimentos en el espacio. Será un paso crucial hacia colonias sostenibles que puedan sobrevivir más allá de los cómodos confines de la biosfera de la Tierra.

Gina Riggio, Ph.D. Estudiante en Biología Celular y Molecular, Universidad de Arkansas

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.