Las plantas son fábricas que producen rendimiento a partir de luz y dióxido de carbono, pero partes de este complejo proceso, llamado fotosíntesis, se ven obstaculizadas por la falta de materias primas y maquinaria. Para optimizar la producción, los científicos de la Universidad de Essex han resuelto dos importantescuellos de botella fotosintéticos para aumentar la productividad de la planta en un 27 por ciento en condiciones de campo del mundo real, según un nuevo estudio publicado en Plantas naturales . Este es el tercer avance del proyecto de investigación Realizing Increased Photosynthetic Efficiency RIPE; sin embargo, también se ha demostrado que este truco fotosintético conserva el agua.
"Como una línea de fábrica, las plantas son tan rápidas como sus máquinas más lentas", dijo Patricia López-Calcagno, investigadora postdoctoral en Essex, quien dirigió este trabajo para el proyecto RIPE. "Hemos identificado algunos pasos que son más lentos,y lo que estamos haciendo es permitir que estas plantas construyan más máquinas para acelerar estos pasos más lentos en la fotosíntesis ".
El proyecto RIPE es un esfuerzo internacional dirigido por la Universidad de Illinois para 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 dióxido de carbono en azúcares que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en última instancia,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.
La productividad de una fábrica disminuye cuando los suministros, los canales de transporte y la maquinaria confiable son limitados. Para averiguar qué limita la fotosíntesis, los investigadores han modelado cada uno de los 170 pasos de este proceso para identificar cómo las plantas podrían fabricar azúcares de manera más eficiente.
En este estudio, el equipo aumentó el crecimiento de los cultivos en un 27 por ciento al resolver 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 la 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 enel fotosistema para que cuelgue, 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 de 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 deestos nutrientes, las algas pueden elegir entre estas dos proteínas de transporte.
Al mismo tiempo, el equipo ha mejorado un cuello de botella fotosintético en el ciclo de Calvin-Benson, donde el dióxido de carbono se fija en azúcares, aumentando la cantidad de una enzima clave llamada SBPase, tomando prestada la maquinaria celular adicional de otraespecies de plantas y cianobacterias.
Al agregar "carretillas elevadoras 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 están usando menos agua para producir más biomasa", dijo la investigadora principal Christine Raines, profesora de la Facultad de Ciencias de la Vida en Essex, donde también se desempeña como Pro-Vicerrectorapara la investigación. "El mecanismo responsable de esta mejora adicional aún no está claro, pero seguimos explorando esto para ayudarnos a comprender por qué y cómo funciona".
Se ha demostrado que estas dos mejoras, cuando se combinan, aumentan la productividad de los cultivos en un 52 por ciento en el invernadero. Más importante aún, este estudio mostró un aumento del 27 por ciento en el crecimiento de los cultivos en las pruebas de campo, que es la verdadera prueba de cualquier cultivomejora: demostrando que estos trucos fotosintéticos pueden impulsar la producción de cultivos en condiciones de cultivo del mundo real.
"Este estudio brinda la oportunidad emocionante de combinar potencialmente tres métodos confirmados e independientes para lograr aumentos del 20 por ciento en la productividad de los cultivos", dijo el director de RIPE, Stephen Long, presidente de la Universidad Ikenberry Endowed de Ciencias de los Cultivos y Biología de las Plantas en el Instituto Carl R. Woesepara Genomic Biology en Illinois. "Nuestro modelo sugiere que unir este avance con dos descubrimientos previos del proyecto RIPE podría resultar en ganancias de rendimiento aditivo que totalizan entre 50 y 60 por ciento en cultivos alimentarios".
primer descubrimiento de RIPE, publicado en ciencia , ayudó a las plantas a adaptarse a las condiciones cambiantes de luz para aumentar los rendimientos hasta en un 20 por ciento. El segundo avance del proyecto, también publicado en ciencia , creó un atajo sobre cómo las plantas lidian con una falla en la fotosíntesis para aumentar la productividad entre un 20 y un 40 por ciento.
A continuación, el equipo planea traducir estos descubrimientos del tabaco, un cultivo modelo utilizado en este estudio como banco de pruebas para mejoras genéticas porque es fácil de diseñar, cultivar y probar, para cultivos alimentarios básicos como la yuca., caupí, maíz, soja y arroz que se necesitan para alimentar a nuestra creciente población este siglo. El proyecto RIPE y sus patrocinadores están comprometidos a garantizar el acceso global y hacer que las tecnologías del proyecto estén disponibles para los agricultores que más las necesitan.
Realizing Increased Photosynthetic Efficiency RIPE tiene como objetivo mejorar la fotosíntesis para equipar a los agricultores de todo el mundo con cultivos de mayor rendimiento para garantizar que todos tengan suficientes alimentos para llevar una vida saludable y productiva. Este proyecto de investigación internacional está patrocinado por la Fundación Bill & Melinda Gates,la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de la Agricultura y la Alimentación FFAR y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido DFID.
RIPE está dirigido por la Universidad de Illinois en asociación con la Universidad Nacional de Australia, la Academia China de Ciencias, la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth, la Universidad de Lancaster, la Universidad Estatal de Luisiana, la Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Essexy el Departamento de Agricultura de EE. UU., Servicio de Investigación Agrícola.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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