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Cultivos modificados con genes de algas: 27% mayor rendimiento y menos uso de agua

fotosintesis con genes de algas

Algunos científicos del equipo: Chidi Afamefule (izquierda) sostiene una planta de control sin modificar, mientras que Kenny Brown (centro) sostiene una planta modificada para resolver un cuello de botella, y Patricia López-Calcagno (derecha) sostiene una planta modificada para resolver dos cuellos de botella.

Una nueva investigación del proyecto RIPE modificó genéticamente plantas de tabaco con una proteína que se encuentra en las algas, a fin de mejorar su fotosíntesis y aumentar el crecimiento, mientras que al mismo tiempo la planta usó menos agua. Este nuevo avance podría facilitar el camino hacia cultivos de mayor rendimiento en un futuro afectado por la sequía.

RIPE / 10 de agosto de 2020.- 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 importantes cuellos de botella fotosintéticos para aumentar la productividad de las plantas en un 27% en condiciones de campo del mundo real, según un nuevo estudio publicado en Nature Plants. Este es el tercer avance del proyecto de investigación Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE); además, también se ha demostrado que este truco fotosintético conserva mejor 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”.

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El proyecto RIPE es un esfuerzo internacional dirigido por la Universidad de Illinois para desarrollar cultivos más productivos mejorando la fotosíntesis, el proceso natural impulsado por la luz solar que todas las plantas usan para fijar dióxido de carbono en azúcares que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en última instancia, el rendimiento. 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% 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 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 en el fotosistema, por lo que permanece suspendida, sin poder transportar electrones de un lado a otro de manera eficiente.

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El equipo abordó este primer cuello de botella ayudando a que la plastocianina compartiera la carga con la adición del 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 de estos 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, en el que el dióxido de carbono se fija en azúcares, aumentando la cantidad de una enzima clave llamada SBPasa, tomando prestada la maquinaria celular adicional de otra especie de planta y cianobacterias. .

Al agregar “montacargas 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-Vicerrectora de 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”.

Ensayos de campo de 2016 realizados en la Granja de Energía de la Universidad de Illinois (Crédito: Brian Stauffer / Universidad de Illinois)

Se ha demostrado que estas dos mejoras, cuando se combinan, aumentan la productividad de los cultivos en un 52% en el invernadero. Más importante aún, este estudio mostró un aumento del 27% en el crecimiento de los cultivos en las pruebas de campo, que es la verdadera prueba de cualquier mejoramiento de cultivos, lo que demuestra que estos trucos fotosintéticos pueden impulsar la producción de cultivos en condiciones de crecimiento del mundo real.

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“Este estudio brinda la emocionante oportunidad de combinar potencialmente tres métodos confirmados e independientes para lograr aumentos del 20% en la productividad de los cultivos”, dijo el director de RIPE, Stephen Long, decano de Ciencias Agrícolas y Biología Vegetal en el Carl R. Woese Institute for Genomic Biología en Illinois. “Nuestro modelo sugiere que unir este avance con dos descubrimientos previos del proyecto RIPE podría resultar en ganancias de rendimiento aditivo por un total de entre el 50 y el 60% en cultivos alimentarios“.

El primer descubrimiento de RIPE, publicado en Science, ayudó a las plantas a adaptarse a las cambiantes condiciones de luz para aumentar los rendimientos hasta en un 20%. El segundo avance del proyecto, también publicado en Science, creó un atajo en cómo las plantas lidian con una falla en la fotosíntesis para aumentar la productividad entre un 20 y un 40%.

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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 modificar, cultivar y testear, para cultivos alimenticios básicos como mandioca, poroto caupí y maíz. , soja y arroz que se necesitan para alimentar a nuestra creciente población en este siglo. El proyecto RIPE y sus patrocinadores se comprometen a garantizar el acceso global y hacer que las tecnologías del proyecto estén disponibles para los agricultores que más las necesitan.

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