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Genes asociados a una mejor fotosíntesis podrían duplicar el rendimiento en cultivos

Científicos de la Universidad de Wageningen, Holanda, han encontrado una variación genética natural para la fotosíntesis en plantas y la están desenmarañando hasta el nivel del ADN. Como resultado, debería ser posible desarrollar cultivos que utilicen la fotosíntesis de manera más efectiva en el futuro, aumentando su rendimiento y permitiéndoles capturar más CO2 del aire en el suelo. Esto representa un gran paso en el largo camino para resolver los desafíos mundiales de la alimentación y lograr las metas del acuerdo climático de París.

Liderados por Mark Aarts y Jeremy Harbinson, un equipo de científicos ha demostrado que Arabidopsis thaliana (una planta modelo común de investigación) tiene varios genes implicados en la adaptación a los cambios en la cantidad de luz a la que están expuestas las plantas. Su estudio se publicó en un artículo en Nature Communications.

Un gen ya ha sido estudiado en detalle. Conocido como el gen Yellow Seedling 1, está involucrado en la adaptación de los cloroplastos a los cambios de luz. Debido a una variación en este gen, algunas plantas Arabidopsis pueden manejar un aumento de la luz (la diferencia entre un día nublado y un día soleado, por ejemplo) mejor que otros. Es la primera vez que se encuentra esta variación en Arabidopsis, pero como los genes de la fotosíntesis están en casi todas las especies de plantas, los científicos esperan que también se pueda encontrar una variación similar en muchos otros cultivos.

El descubrimiento muestra que es posible mejorar la fotosíntesis en función de la variación genética natural, algo que hasta ahora se dudaba. A largo plazo, la mejora en la fotosíntesis podría hacer que los cultivos produzcan más rendimiento con la misma cantidad de suelo, agua y nutrientes. Esto lleva el concepto de ‘más’ (rendimiento) ‘con menos’ (suelo, agua y nutrientes) un paso más cerca.

Algunas plantas adaptan su sistema de fotosíntesis

Las plantas necesitan luz para convertir el CO2 y el agua en azúcares y oxígeno. Los azúcares forman la base y la fuente de energía para todas las sustancias que produce una planta para crecer. Hemos sabido por algún tiempo que las plantas pueden responder de manera diferente a la luz, como se muestra en la eficiencia de su fotosíntesis. Los antepasados ​​de los cultivos que comemos diariamente necesitaban esta variación para hacer el mejor uso de los lugares en los que crecían. Esto les permitió desarrollarse ya sea a pleno sol y a la sombra de otras plantas.

Si bien la fotosíntesis es un proceso esencial para las plantas, entra en riesgo y exige un alto nivel de control para gestionar las corrientes de energía. Si una planta se expone repentinamente a demasiada luz, debe adaptarse a la nueva situación. Las plantas generalmente se protegen contra la fotosíntesis excesiva al mantener varios márgenes de seguridad, lo que significa que la adaptación lleva varios días. El estudio realizado por los científicos de Wageningen ahora muestra que algunas plantas pueden adaptarse más rápido que otras y, por lo tanto, pueden adaptar su sistema de fotosíntesis a su entorno más pronto.

Selección sobre la fotosíntesis en el fitomejoramiento

Hoy en día, mejoramos cultivos en un ambiente que es mucho más fácil de controlar que las condiciones naturales originales. Por ejemplo, las plantas ahora obtienen suficientes nutrientes y agua, alineados al máximo crecimiento. Debido a los rápidos desarrollos en la agricultura durante el siglo pasado, las plantas aún no han podido adaptarse a estas nuevas condiciones. Se podría decir que todavía son cautos y responden con relativa lentitud a los cambios repentinos, como el exceso de luz. Las plantas que pueden adaptarse a las condiciones de luz cambiantes más rápidamente podrán usar el agua disponible y los nutrientes de manera más eficiente, y con el tiempo producirán un mayor rendimiento.

Entonces, ¿cómo es que hay tan poca selección en fotosíntesis más eficiente en el mejoramiento? Durante mucho tiempo se pensó que la fotosíntesis se optimizaba de forma natural y que se podía ganar poco en el mejoramiento. Además, es muy difícil medir la contribución genética a la variación de la fotosíntesis de las plantas en el campo, lo que dificulta la selección en la fotosíntesis sin conocimiento previo. Como la fotosíntesis es tan sensible a las condiciones climáticas, las variaciones en el campo (incluso entre plantas genéticamente idénticas) a menudo son sustanciales.

“Llevamos a cabo nuestros experimentos en condiciones estrictamente controladas, lo que nos permite mantener la variación de los factores ambientales a un mínimo”, dice Aarts. “Luego medimos la fotosíntesis de todas las plantas en el experimento en diferentes momentos del día y por un método idéntico, y solo aplicamos un único factor de estrés: un aumento único de la cantidad de luz. Esto nos permitió determinar con precisión la contribución genética a cómo las plantas se adaptaron a la nueva situación de estrés. Utilizamos uno de los genes que encontramos para estudiar la variación en la secuencia de ADN entre las diversas plantas en detalle”.

Nuevas variedades de cultivos

Los hallazgos ofrecen nuevas oportunidades a las compañías de mejoramiento. Ahora sabemos que las plantas responden a la variación de la luz a su manera, y que esto está determinado en su ADN. Sin embargo, todavía no sabemos cómo funcionan estas adaptaciones en la planta, y se necesita más investigación para descubrir cómo la fotosíntesis mejorada afecta el crecimiento de la planta antes de que podamos centrarnos en la selección de esta propiedad.

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