Al secuenciar su genoma, los científicos se están centrando en los genes y las rutas genéticas que permiten que la jugosa planta de piña prospere en entornos con agua limitada. Los nuevos hallazgos, publicados en la revista Genética de la naturaleza también abre una nueva ventana sobre la complicada historia evolutiva de pastos como el sorgo y el arroz, que comparten un ancestro lejano con la piña.
Los humanos han cultivado piña durante más de 6,000 años, comenzando en el actual suroeste de Brasil y el noreste de Paraguay. Hoy, más de 85 países producen alrededor de 25 millones de toneladas métricas de fruta de piña cada año, con un valor de producción bruto cercano a los $ 9 mil millones.
Al igual que muchas plantas, los antepasados de la piña y los pastos experimentaron múltiples duplicaciones de sus genomas. El seguimiento de los restos de estas "duplicaciones de genoma completo" en diferentes especies de plantas ayuda a los investigadores a rastrear sus historias evolutivas compartidas e independientes.
"Nuestro análisis indica que el genoma de la piña tiene una duplicación del genoma completo menos que las gramíneas que comparten un ancestro con la piña, lo que la convierte en el mejor grupo de comparación para el estudio de genomas de cultivos de cereales", dijo Ray Ming, profesor de biología de plantas de la Universidad de Illinois., que dirigió el esfuerzo de secuenciación del genoma de la piña multiinstitucional. El trabajo descubrió evidencia de dos duplicaciones de genoma completo en la historia de la piña, y validó hallazgos previos de tres de tales duplicaciones en pastos.
La fotosíntesis convierte la energía solar en energía química, permitiendo a las plantas construir los tejidos que sostienen la vida en la Tierra. La piña utiliza un tipo especial de fotosíntesis, llamado metabolismo del ácido crasuláceo, o CAM, que ha evolucionado independientemente en más de 10,000 especies de plantas.La piña es la planta económicamente más valiosa entre esas 10,000 especies, dijo Ming.
La mayoría de las plantas de cultivo usan un tipo diferente de fotosíntesis, llamado C3.
"Las plantas CAM usan solo el 20 por ciento del agua utilizada por las plantas de cultivo C3 típicas, y las plantas CAM pueden crecer en tierras secas y marginales que no son adecuadas para la mayoría de las plantas de cultivo", dijo Ming.
Una mirada más cercana al genoma de la piña reveló que algunos genes que contribuyen a la fotosíntesis CAM están regulados por los genes del reloj circadiano de la planta, que permiten a las plantas diferenciar día y noche y ajustar su metabolismo en consecuencia.
"Esta es la primera vez que los científicos encuentran un vínculo entre los elementos reguladores de los genes de fotosíntesis CAM y la regulación del reloj circadiano", dijo Ming. "Esto tiene sentido, porque la fotosíntesis CAM permite que las plantas cierren los poros de sus hojas durante el día yábralos por la noche. Esto contribuye a la resistencia de la piña en climas cálidos y áridos, ya que la planta pierde muy poca humedad a través de sus hojas durante el día ".
La fotosíntesis CAM le permite a la planta absorber y "fijar dióxido de carbono en moléculas durante la noche, concentrarlo en sus hojas y liberarlo al día siguiente para la fotosíntesis", dijo Ming.
"La sequía es responsable de la mayor parte de la pérdida global de cultivos, por lo que comprender los mecanismos que las plantas han desarrollado para sobrevivir al estrés hídrico es vital para diseñar la tolerancia a la sequía en las especies de cultivos", escribieron los investigadores. "Las plantas CAM pueden mantener sus estomas cerrados duranteel día ... reduciendo en gran medida la pérdida de agua "
La fotosíntesis CAM y C4, que es común entre los pastos, usa muchas de las mismas enzimas para concentrar dióxido de carbono en las hojas de las plantas, informan los investigadores. Otras plantas, como la soya, usan la fotosíntesis C3 menos eficiente, que carece de CO2-mecanismos de concentración de la fotosíntesis C4 y CAM.
El equipo descubrió que la fotosíntesis CAM evolucionó reconfigurando las vías moleculares involucradas en la fotosíntesis C3.
"Todas las plantas contienen los genes necesarios para la fotosíntesis de CAM, y la evolución de CAM simplemente requiere el redireccionamiento de rutas preexistentes", escribieron.
Comprender la evolución de estos diferentes tipos de fotosíntesis ayudará a los científicos en sus esfuerzos por desarrollar variedades de cultivos esenciales más productivas y tolerantes a la sequía, dijo Ming.
Por ejemplo, el Departamento de Energía de EE. UU. Ha financiado un proyecto para explorar los mecanismos genéticos que permiten la fotosíntesis CAM y la tolerancia a la sequía en plantas adaptadas al desierto, con el objetivo de introducir esos rasgos en los posibles cultivos de biocombustibles.
Adaptar los cultivos alimentarios para que sean más tolerantes a la sequía también ayudará a los humanos a adaptarse al cambio climático, dijo Ming.
"Una mayor eficiencia en el uso del agua es un rasgo muy deseable, dada la necesidad de duplicar la producción de alimentos para 2050 en el contexto de un clima cambiante", dijo.
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Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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