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“Tunear” la fotosíntesis: Modelo predictivo ayuda a producir cultivos de mayor rendimiento

El Dr. Alex Wu realiza una investigación en un campo de trigo. Imagen: Centro de Excelencia ARC para la Fotosíntesis Traslacional

En las próximas dos décadas, los rendimientos de los cultivos deben aumentar dramáticamente para alimentar a la creciente población mundial. ¿No sería increíblemente útil si tuviéramos una “bola de cristal” para mostrarnos cuáles son las mejores estrategias disponibles para aumentar el rendimiento de los cultivos? Un equipo de científicos acaba de desarrollar exactamente eso: un modelo dinámico que predice qué manipulaciones fotosintéticas de las plantas aumentarán los rendimientos de los cultivos como el trigo y el sorgo.

“Hemos desarrollado una herramienta de predicción confiable y biológicamente rigurosa que puede cuantificar los aumentos de rendimiento asociados con la manipulación de la fotosíntesis en entornos realistas de cultivos”, dijo el Dr. Alex Wu, del Centro ARC de Excelencia para la Fotosíntesis Traslacional (CoETP) y la Universidad de Queensland. (UQ).

Las plantas convierten la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en alimentos a través de la fotosíntesis y varios estudios han demostrado que este proceso vital puede re-diseñarse (o modificarse) para ser más eficiente.

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“Hasta ahora, ha sido difícil evaluar los impactos de estas manipulaciones en el rendimiento de los cultivos. Esta herramienta de predicción nos ayudará a encontrar nuevas formas de mejorar los rendimientos de los cultivos alimentarios en todo el mundo”.

El Dr. Wu, el autor principal del estudio publicado recientemente en la revista Nature Plants, dijo que esta herramienta de modelado tiene la capacidad de vincularse a través de escalas biológicas desde la bioquímica en la hoja hasta todo el cultivo de campo durante una temporada de crecimiento, mediante la integración de la fotosíntesis. y modelos de cultivo.

“Es una herramienta poderosa para evaluar y guiar las manipulaciones fotosintéticas y desentrañar los efectos que confunden la relación entre la eficiencia fotosintética y el rendimiento del cultivo”, dijo.

La directora adjunta del centro, la profesora Susanne von Caemmerer, dijo que uno de los aspectos más innovadores del estudio era utilizar un enfoque de modelado a escala para observar las interacciones entre la fotosíntesis y los poros de la hoja que permiten el intercambio de CO2 y vapor de agua.

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“Sabemos que no es tan simple como decir que mejorar la fotosíntesis aumentará el rendimiento. La respuesta depende de la situación”, dijo el profesor von Caemmerer, investigador de la Universidad Nacional de Australia (ANU, por sus siglas en inglés) que es coautor del estudio. .

“Por ejemplo, encontramos que en cultivos como el sorgo, una mayor fotosíntesis en realidad puede disminuir el rendimiento en situaciones de cultivo limitado por el agua. El modelado predice que podemos administrar esta penalización del rendimiento si también podemos mantener una tasa estable de ingreso de dióxido de carbono, o salida de vapor de agua, en los poros de una hoja “.

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El coautor y investigador jefe del centro, el profesor Graeme Hammer de la UQ dijo que este estudio fomenta el tipo de investigación transdisciplinaria necesaria para la mejora futura de los cultivos.

“Vincula la investigación en todo el Centro, que tiene un enfoque principal para aumentar el rendimiento de los principales cultivos básicos como el trigo, el arroz, el sorgo y el maíz mediante la mejora de la fotosíntesis”.

“Ahora que hemos desarrollado y probado este modelo predictivo, nuestro siguiente paso es trabajar en estrecha colaboración con los colaboradores del CoETP para diseñar escenarios de simulación que prueben los efectos de otros objetivos de bioingeniería y características de fitomejoramiento”, dijo el profesor Hammer.

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Uno de esos colaboradores es el profesor Graham Farquhar de la ANU, quien es coautor del estudio.

“En este estudio estamos ampliando la temporada de crecimiento de los cultivos e incorporando los efectos de retroalimentación sobre la fotosíntesis de los recursos para el cultivo, como el agua, que es fundamental para predecir las consecuencias sobre la productividad de los cultivos en los futuros entornos de cultivo en Australia”, dijo
Farquhar, el Investigador Jefe del Centro y profesor de la Escuela de Investigación de Biología de la ANU.

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El equipo investigó tres objetivos principales de manipulación de la fotosíntesis: mejorar la actividad de la enzima fotosintética principal, Rubisco; mejorar la capacidad de las hojas para transportar electrones; y mejorar el flujo de dióxido de carbono (CO2) a través de las capas internas de la hoja.

“Este estudio nos permite cuantificar las consecuencias sobre el rendimiento de los cultivos para estos tres objetivos y sus combinaciones para los cultivos de trigo y sorgo para entornos de cultivo de regadío o de secano”, dijo el Dr. Wu.

El equipo descubrió que los cambios en el rendimiento de los cultivos oscilaban entre una reducción del 1% y un aumento del 12%, según la combinación de objetivos fotosintéticos, el cultivo y las condiciones ambientales, como la disponibilidad de agua.

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