Para alimentar a los 9 mil millones de personas proyectadas para 2050, los agricultores necesitan cultivar un 50 % más de alimentos en una cantidad limitada de tierra cultivable. Como resultado, los científicos de plantas están en una carrera contrarreloj para diseñar cultivos con mayores rendimientos mejorandofotosíntesis.
Se sabe que las algas verdeazuladas cianobacterias realizan la fotosíntesis de manera más eficiente que la mayoría de los cultivos, por lo que los investigadores están trabajando para incorporar elementos de las cianobacterias en las plantas de cultivo.
Un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Cornell describe un paso significativo hacia el logro de ese objetivo. "La ausencia de anhidrasa carbónica en los cloroplastos afecta el desarrollo de plantas C3 pero no la fotosíntesis", publicado el 11 de agosto en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Maureen Hanson, profesora de biología molecular de plantas, es la autora principal del artículo. Kevin Hines, ex alumno del laboratorio de Hanson, y Vishal Chaudhari, asociado postdoctoral en el laboratorio de Hanson, son los primeros autores.
Cuando las plantas hacen la fotosíntesis, convierten el dióxido de carbono, el agua y la luz en oxígeno y sacarosa, un azúcar que se utiliza como energía y para construir nuevos tejidos. Durante este proceso, la rubisco, una enzima que se encuentra en todas las plantas, toma carbono inorgánico del aire y "lo arregla" o lo convierte en una forma orgánica que la planta usa para construir tejidos.
Un obstáculo para mejorar la fotosíntesis en los cultivos es que la rubisco reacciona tanto con el dióxido de carbono como con el oxígeno del aire; esta última reacción crea subproductos tóxicos, ralentiza la fotosíntesis y, por lo tanto, reduce los rendimientos. Pero en las cianobacterias, la rubisco está contenida dentro de microcompartimentos llamados carboxisomas queproteger el Rubisco del oxígeno.
El carboxisoma también permite que las cianobacterias concentren el dióxido de carbono para que Rubisco pueda usarlo para una fijación de carbono más rápida, dijo Hanson. "Las plantas de cultivo no tienen carboxisomas, por lo que la idea es finalmente poner todo el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacteriasen plantas de cultivo", agregó.
Para diseñar este sistema para que funcione en plantas de cultivo, los científicos deben eliminar la anhidrasa carbónica, una enzima natural, de los cloroplastos, orgánulos en las células vegetales donde ocurre la fotosíntesis. Esto se debe a que el papel de la anhidrasa es crear un equilibrio entre el CO2 y bicarbonato en células vegetales, al catalizar reacciones en las que CO2 y el agua forma bicarbonato y viceversa. Pero para que el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias funcione en los cultivos, el bicarbonato en el sistema debe alcanzar niveles mucho más altos que los que se encuentran en equilibrio.
"Entonces, en este estudio", dijo Hanson, "hicimos ese paso [de eliminar la anhidrasa] que será necesario para que el carboxisoma funcione".
En el artículo, los autores describen el uso de la tecnología de edición de genes CRISPR/Cas9 para desactivar los genes que expresan dos enzimas de anhidrasa carbónica que están presentes en los cloroplastos. En el pasado, otro grupo de investigación había usado un método diferente para eliminar el 99 % de la"La actividad de la enzima anhidrasa y las plantas crecieron normalmente. Pero cuando Hanson y sus colegas eliminaron el 100 % de la actividad de la enzima, las plantas apenas crecieron. Mostró que las plantas necesitan esta enzima para producir bicarbonato que se usa en las vías para fabricar componentes del tejido de la hoja".", dijo Hanson.
Cuando ponen las plantas en un CO alto2 cámara de crecimiento, reanudaron el crecimiento normal, ya que las altas cantidades de CO2 resultó en una reacción espontánea para formar bicarbonato.
El equipo cree que tienen una solución para eliminar la anhidrasa y aún tener suficiente bicarbonato. En una investigación futura, recientemente financiada por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de tres años y cerca de $ 800,000, planean colocar un transportador de bicarbonato en la membrana del cloroplasto,para importar bicarbonato de otras partes de la célula a los cloroplastos. Además de hacer innecesaria la anhidrasa, se espera que el bicarbonato adicional mejore la fotosíntesis incluso antes de que los carboxisomas puedan convertirse en cloroplastos.
Los experimentos demostraron que la ausencia de anhidrasa carbónica no interfería con la fotosíntesis, al contrario de lo que se pensaba anteriormente.
Un problema potencial es que se sabe que la anhidrasa carbónica que se encuentra en los cloroplastos está involucrada en las vías de defensa de la planta. Sin embargo, los investigadores del grupo de Hanson descubrieron que podían incorporar una versión enzimáticamente inactiva de la anhidrasa carbónica y aun así mantener la defensa de la planta.
"Ahora sabemos que podemos producir una enzima inactiva que no afectará nuestro mecanismo de concentración de carbono, pero permitirá que las plantas de cultivo sean resistentes a los virus", dijo Hanson.
El estudio fue financiado por el Programa de Biología Sintética de la Fundación Nacional de Ciencias.
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.
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