Descubren cómo resolver dificultades en la fotosíntesis para aumentar la productividad de las plantas

El Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, a través de ScienceDaily, anunció que un estudio resolvió dos importantes “cuellos de botella” o dificultades en la fotosíntesis, para aumentar la productividad de las plantas en un 27% en condiciones de campo y conservar el agua.

El estudio, publicado en la revista Nature Plants, consiste en el tercer avance del proyecto de investigación Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE); y según ScienceDaily, resuelve dos limitaciones del proceso de la fotosíntesis, a través de la realización de “trucos” para evitarlas.

El primer truco en la fotosíntesis

Para averiguar qué limita la fotosíntesis; los investigadores modelaron cada uno de los 170 pasos de este proceso para identificar cómo las plantas podrían fabricar azúcares de manera más eficiente.

Ante ello, el equipo de este estudio resolvió dos limitaciones: una en la primera parte de la fotosíntesis; donde las plantas transforman la energía de la luz en energía química; y otra en la segunda parte, donde el dióxido de carbono se fija en azúcares.

Dentro de dos fotosistemas, la luz solar se captura y se convierte en energía química que se puede utilizar para otros procesos de fotosíntesis. Una proteína de transporte llamada plastocianina mueve electrones al fotosistema para impulsar este proceso. Pero la plastocianina tiene una alta afinidad por su proteína aceptora en el fotosistema; por lo que permanece suspendida, sin poder transportar electrones de un lado a otro de manera eficiente.

El equipo abordó este primer cuello de botella ayudando a la plastocianina a compartir la carga con la adición del citocromo c6; una proteína de transporte más eficiente que tiene una función similar en las algas.

La plastocianina requiere cobre y el citocromo requiere hierro para funcionar. Dependiendo de la disponibilidad de estos nutrientes, las algas pueden elegir entre estas dos proteínas de transporte.

La segunda dificultad

Al mismo tiempo, el equipo mejoró un cuello de botella fotosintético en el ciclo de Calvin-Benson, en el que el dióxido de carbono se fija en azúcares; aumentando la cantidad de una enzima clave llamada SBPase, tomando prestada la maquinaria celular adicional de otra especie de planta y cianobacterias.

Al agregar "montacargas celulares" para transportar electrones a los fotosistemas y "maquinaria celular" para el ciclo de Calvin; el equipo también mejoró la eficiencia del uso del agua del cultivo, o la relación entre la biomasa producida y el agua perdida por la planta.

"En nuestras pruebas de campo, descubrimos que estas plantas usan menos agua para producir más biomasa", explicó la investigadora principal Christine Raines, profesora de la Facultad de Ciencias de la Vida en Essex.

Raines agregó que "el mecanismo responsable de esta mejora adicional aún no está claro; pero seguimos explorando esto para ayudarnos a comprender por qué y cómo funciona".

La importancia del estudio

De acuerdo con ScienceDaily, se demostró que estas dos mejoras, cuando se combinan, aumentan la productividad de los cultivos en un 52%.

“Más importante aún, este estudio mostró un aumento del 27% en el crecimiento de los cultivos en las pruebas de campo, lo que demuestra que estos trucos fotosintéticos pueden impulsar la producción de cultivos en condiciones del mundo real”.

"Este estudio brinda la emocionante oportunidad de combinar potencialmente tres métodos confirmados e independientes para lograr aumentos del 20% en la productividad de los cultivos", puntualizó el director de RIPE, Stephen Long, presidente de la Universidad Ikenberry Endowed University of Crop Sciences and Plant Biology en el Carl R. Woese Institute for Genomic Biología en Illinois.

Long añadió que "nuestro modelo sugiere que unir este avance con dos descubrimientos previos del proyecto RIPE podría resultar en ganancias de rendimiento aditivo por un total de entre el 50% y el 60% en cultivos alimentarios".

Aportes de RIPE

El primer descubrimiento de RIPE ayudó a las plantas a adaptarse a las cambiantes condiciones de luz para aumentar los rendimientos hasta en un 20%. El segundo avance del proyecto, también creó un atajo en cómo las plantas lidian con una falla en la fotosíntesis para aumentar la productividad entre un 20% y un 40%, de acuerdo con Science Daily.

Este proyecto de investigación internacional está patrocinado por la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de Estados Unidos para la Investigación Agrícola y Alimentaria (FFAR) y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

El proyecto RIPE, dirigido por la Universidad de Illinois, tiene como fin desarrollar cultivos más productivos mediante la mejora de la fotosíntesis; el proceso natural impulsado por la luz solar que todas las plantas utilizan para fijar el dióxido de carbono en azúcares que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en última instancia, el rendimiento.

RIPE cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de Estados Unidos para la Investigación Agrícola y Alimentaria (FFAR) y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

Además,  está dirigido por la Universidad de Illinois en asociación con la Universidad Nacional de Australia, la Academia de Ciencias de China, la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth, la Universidad de Lancaster, la Universidad Estatal de Louisiana, la Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Essex, y Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Investigación Agrícola.

Revisa el estudio aquí.