Un estudio de la Universidad de Cornell describe un gran avance en la búsqueda de mejorar la fotosíntesis en ciertos cultivos, un paso hacia la adaptación de las plantas a los rápidos cambios climáticos y el aumento de los rendimientos para alimentar a 9 mil millones de personas proyectadas para 2050.
El estudio, "Mejorando la eficiencia de Rubisco al resucitar a sus antepasados en la familia de las solanáceas", publicado el 15 de abril en Avances científicos. La autora principal es Maureen Hanson, profesora Liberty Hyde Bailey de Biología Molecular de Plantas en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. La primera autora Myat Lin es investigadora asociada postdoctoral en el laboratorio de Hanson.
Los autores desarrollaron una técnica computacional para predecir secuencias de genes favorables que hacen que Rubisco sea una enzima vegetal clave para la fotosíntesis. La técnica permitió a los científicos identificar enzimas candidatas prometedoras que podrían modificarse en cultivos modernos y, en última instancia, hacer que la fotosíntesis sea más eficiente yaumentar el rendimiento de los cultivos.
Su método se basó en la historia evolutiva, donde los investigadores predijeron genes Rubisco de hace 20-30 millones de años, cuando el dióxido de carbono CO de la Tierra2 los niveles eran más altos de lo que son hoy y las enzimas Rubisco en las plantas se adaptaron a esos niveles.
Al resucitar la antigua Rubisco, los primeros resultados muestran la promesa de desarrollar enzimas Rubisco más rápidas y eficientes para incorporarlas a los cultivos y ayudarlos a adaptarse a las condiciones futuras cálidas y secas, ya que las actividades humanas aumentan el CO2 que atrapa el calor2 concentraciones de gas en la atmósfera terrestre.
El estudio describe predicciones de 98 enzimas Rubisco en momentos clave en la historia evolutiva de las plantas de la familia Solanaceae, que incluyen tomate, pimiento, patata, berenjena y tabaco. Los investigadores utilizan el tabaco como modelo experimental para sus estudios de Rubisco.
"Pudimos identificar enzimas ancestrales predichas que tienen cualidades superiores en comparación con las enzimas actuales", dijo Hanson. Lin desarrolló la nueva técnica para identificar las enzimas Rubisco antiguas predichas.
Los científicos saben que pueden aumentar el rendimiento de los cultivos al acelerar la fotosíntesis, donde las plantas convierten el CO2, agua y luz en oxígeno y azúcares que las plantas usan como energía y para construir nuevos tejidos.
Durante muchos años, los investigadores se han centrado en Rubisco, una enzima lenta que extrae o fija el carbono del CO2 para crear azúcares. Además de ser lento, Rubisco a veces también cataliza una reacción con el oxígeno del aire; al hacerlo, crea un subproducto tóxico, desperdicia energía y hace que la fotosíntesis sea ineficiente.
El laboratorio de Hanson había intentado previamente usar Rubisco de cianobacterias algas verdeazuladas, que es más rápido pero también reacciona fácilmente con el oxígeno, lo que obligó a los investigadores a tratar de crear microcompartimentos para proteger la enzima del oxígeno, con resultados mixtos.Otros investigadores han tratado de diseñar una Rubisco más óptima haciendo cambios en los aminoácidos de la enzima, aunque se sabía poco acerca de qué cambios conducirían a los resultados deseados.
En este estudio, Lin reconstruyó una filogenia, un diagrama en forma de árbol que muestra la relación evolutiva entre grupos de organismos, de Rubisco, utilizando plantas de solanáceas.
"Al obtener una gran cantidad de secuencias [genéticas] de Rubisco en las plantas existentes, se podría construir un árbol filogenético para determinar qué Rubisco probablemente existió hace 20 o 30 millones de años", dijo Hanson.
La ventaja de identificar posibles secuencias antiguas de Rubisco es que los niveles de dióxido de carbono eran posiblemente de 500 a 800 partes por millón ppm en la atmósfera hace 25 a 50 millones de años. Hoy, el CO atrapa el calor2los niveles están aumentando considerablemente debido a muchas actividades humanas, con mediciones actuales de alrededor de 420 ppm, después de permanecer relativamente constantes por debajo de 300 ppm durante cientos de milenios hasta la década de 1950.
Lin, Hanson y sus colegas luego usaron un sistema experimental desarrollado para el tabaco en el laboratorio de Hanson y descrito en un artículo de Nature Plants de 2020, que emplea la bacteria E. coli para probar en un solo día la eficacia de diferentes versiones de Rubisco. Pruebas similareshecho en plantas toma meses para verificar.
El equipo descubrió que las antiguas enzimas Rubisco predichas a partir de las plantas solanáceas de hoy en día mostraban una promesa real de ser más eficientes.
"Para el próximo paso, queremos reemplazar los genes de la enzima Rubisco existente en el tabaco con estas secuencias ancestrales usando la tecnología CRISPR [edición de genes], y luego medir cómo afecta la producción de biomasa", dijo Hanson. "Ciertamente esperamos que nuestros experimentos demuestren que al adaptar Rubisco a las condiciones actuales, tendremos plantas que darán mayores rendimientos".
Si su método resulta exitoso, estas eficientes secuencias de Rubisco podrían transferirse a cultivos como los tomates, así como a los de otras familias de plantas, como la soja y el arroz.
El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell. Original escrito por Krishna Ramanujan, cortesía de Cornell Chronicle. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
referencia de diario:
Citar esta página:
Visita Nuevo científico for more global science stories >>>