Descubren cómo aumentar la productividad de las plantas un 27% y conservar mejor el agua

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, en Reino Unido, han resuelto dos importantes cuellos de botella fotosintéticos para aumentar la productividad de las plantas un 27 por ciento, según un nuevo estudio publicado en ‘Nature Plants’.

Este es el tercer avance del proyecto de investigación ‘Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) que, además, ha demostrado que este ‘truco’ fotosintético conserva el agua.

“Como en una línea de fábrica, las plantas son tan rápidas como sus máquinas más lentas –explica 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 trabajo internacional dirigido por la Universidad de Illinois, en Estados Unidos, 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, 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 fiable son limitados. Para descubrir 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 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 y no transporta 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 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 SBPase, 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 –explica la investigadora principal Christine Raines, profesora de la Escuela de Ciencias de la Vida en Essex–. 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 mejoramiento de cultivos, lo que demuestra que estos trucos fotosintéticos pueden impulsar la producción de cultivos en condiciones de crecimiento del mundo real.

“Este estudio brinda la emocionante oportunidad de combinar potencialmente tres métodos confirmados e independientes para lograr un aumento del 20 por ciento en la productividad de los cultivos”, destaca el director de RIPE, Stephen Long, catedrático de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal de Ikenberry Endowed University en el Instituto Carl R. Woese de Genómica 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 50 a 60 por ciento en cultivos alimentarios”, añade.

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 por ciento. El segundo avance del proyecto, también publicado en ‘Science’, 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.

Ahora 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, el maíz, la soja o el arroz que se necesitan para alimentar a la creciente población en este siglo.

El compromiso del proyecto RIPE y sus patrocinadores pasa por garantizar el acceso global y hacer que las tecnologías del proyecto estén disponibles para los agricultores que más las necesitan.