La fotosíntesis es el proceso natural que utilizan las plantas y las algas para capturar la luz del sol y fijar el dióxido de carbono en azúcares ricos en energía que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en el caso de los cultivos, el rendimiento. Las algas desarrollaron mecanismos especializados de concentración de dióxido de carbono CCM para la fotosíntesismucho más eficiente que las plantas. Esta semana, en el diario Actas de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo de la Louisiana State University LSU y la Universidad de York informan un paso inexplicable desde hace mucho tiempo en el MCP de las algas verdes, que es clave para desarrollar un MCP funcional en cultivos alimentarios para aumentar la productividad.
"La mayoría de los cultivos están plagados de fotorrespiración, que ocurre cuando Rubisco, la enzima que impulsa la fotosíntesis, no puede diferenciar entre las moléculas de dióxido de carbono y oxígeno que sostienen la vida que desperdician grandes cantidades de energía de la planta", dijo James Moroney, StrevaAlumni Professor en LSU y miembro de Realizing Increase Photosynthetic Efficiency RIPE. "En última instancia, nuestro objetivo es diseñar un CCM en cultivos para rodear a Rubisco con más dióxido de carbono, lo que lo hace más eficiente y menos propenso a tomar moléculas de oxígeno, un problemase demuestra que empeora a medida que aumentan las temperaturas "
Dirigido por la Universidad de Illinois, RIPE es un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para que sean más productivos al mejorar la fotosíntesis con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de Alimentos y Agricultura FFAR yDepartamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido DFID.
Mientras que el dióxido de carbono se difunde a través de las membranas celulares con relativa facilidad, el bicarbonato HCO3- se difunde aproximadamente 50,000 veces más lentamente debido a su carga negativa. Las algas verdes Chlamydomonas reinhardtii , apodado Chlamy, transporta bicarbonato a través de tres membranas celulares al compartimento que alberga Rubisco, llamado pirenoide, donde el bicarbonato se convierte nuevamente en dióxido de carbono y se fija en azúcar.
"Antes de ahora, no entendíamos cómo el bicarbonato cruzó el tercer umbral para ingresar al pirenoide", dijo Ananya Mukherjee, quien dirigió este trabajo como estudiante graduada en LSU antes de unirse a la Universidad de Nebraska-Lincoln como investigadora postdoctoral ".Durante años, intentamos encontrar el componente faltante, pero resulta que hay tres proteínas de transporte involucradas en este paso, que fueron el eslabón perdido en nuestra comprensión del CCM de Chlamydomonas reinhardtii . "
"Si bien se conocen otras proteínas de transporte, especulamos que estas podrían compartirse con los cultivos más fácilmente porque Chlamy está más estrechamente relacionado con las plantas que otras algas fotosintéticas, como las cianobacterias o las diatomeas", dijo Luke Mackinder, profesor de York quecolaboró con el equipo RIPE en este trabajo con el apoyo del Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas BBSRC y el Leverhulme Trust.
La creación de un MCP funcional en cultivos requerirá tres cosas: un compartimento para almacenar Rubisco, transportadores para llevar bicarbonato al compartimento y anhidrasa carbónica para convertir el bicarbonato en dióxido de carbono.
En un estudio de 2018, los colegas de RIPE en la Universidad Nacional de Australia demostraron que podían agregar un compartimento llamado carboxisoma, que es similar a un pirenoide, en los cultivos. Ahora este estudio completa la lista de posibles proteínas de transporte que podrían transportar bicarbonato desdefuera de la célula a esta estructura de carboxisoma en las células de las hojas de los cultivos.
"Nuestra investigación sugiere que crear un MCP funcional en los cultivos podría ayudar a los cultivos a conservar más agua y podría reducir significativamente el proceso de la fotorrespiración en los cultivos, que empeora a medida que aumentan las temperaturas", dijo Moroney. "El desarrollo del clima-los cultivos resistentes que pueden fotosintetizar de manera más eficiente serán vitales para proteger nuestra seguridad alimentaria ".
Realizando el aumento de la eficiencia fotosintética RIPE está diseñando cultivos de alimentos básicos para convertir de manera más eficiente la energía del sol en alimentos para aumentar de manera sostenible la producción mundial de alimentos, con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de Alimentos y Agricultura, yDepartamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido.
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Louisiana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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