Descubrimiento podría acelerar el desarrollo de cultivos agrícolas eficientes en el uso del agua

Científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía (ORNL) de Estados Unidos han identificado un conjunto común de genes que permiten a diferentes plantas tolerantes a la sequía sobrevivir en condiciones semiáridas, los cuales podrían desempeñar un papel significativo en la bioingeniería y creación de cultivos que toleran los déficits hídricos.

Las plantas prosperan en las tierras áridas al mantener sus estomas, o poros, cerrados durante el día para conservar agua y abrirse de noche para recolectar dióxido de carbono. Esta forma de fotosíntesis, conocida como metabolismo ácido de las crasuláceas o CAM, ha evolucionado a lo largo de millones de años, creando características de ahorro de agua en plantas como Kalanchoë, orquídea y la piña.

“CAM es un mecanismo probado para aumentar la eficiencia del uso del agua en las plantas”, dijo el coautor de ORNL Xiaohan Yang. “A medida que revelamos los componentes básicos que conforman la fotosíntesis CAM, podremos realizar bioingeniería de los procesos metabólicos de cultivos pesados ​​como el arroz, el trigo, la soja y el álamo para acelerar su adaptación a entornos con agua limitada”.

Los científicos están estudiando una variedad de plantas resistentes a la sequía para descubrir el misterio de la fotosíntesis CAM. Para este trabajo, el equipo liderado por ORNL secuenció el genoma de Kalanchoë fedtschenkoi, un modelo emergente para la investigación de genómica en CAM debido a su genoma relativamente pequeño y su facilidad de modificación genética.

El equipo investigó y comparó los genomas de K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (orquídea) y Ananas comosus (piña) utilizando el superordenador Titan de ORNL.

“Se acepta ampliamente que algunas plantas no relacionadas exhiben características similares en condiciones ambientales similares, un proceso conocido como evolución convergente”, dijo Yang.

Identificaron 60 genes que exhibieron evolución convergente en especies CAM, incluidos cambios de expresión génica convergentes durante el día y la noche en 54 genes, así como la convergencia de la secuencia de proteínas en seis genes. En particular, el equipo descubrió una nueva variante de fosfoenolpiruvato carboxilasa o PEPC. PEPC es una importante enzima “trabajadora” responsable de la fijación nocturna del dióxido de carbono en el ácido málico. El ácido málico se convierte de nuevo en dióxido de carbono para la fotosíntesis durante el día.

“Estos cambios convergentes en la expresión génica y las secuencias de proteínas podrían introducirse en las plantas que dependen de la fotosíntesis tradicional, acelerando su evolución para ser más eficientes en el uso del agua”, dijo Yang. El equipo publicó sus hallazgos en Nature Communications.

 

 

Uso inteligente del agua

La producción de cultivos es el mayor consumidor mundial de agua dulce. La disponibilidad de recursos de agua limpia se está reduciendo debido a la urbanización, el crecimiento de la población humana y los cambios en el clima, lo que representa un desafío para los entornos de agrícolas óptimos.

Para abordar esta preocupación, la modificación genética o bioingeniería de la fotosíntesis CAM en los cultivos alimentarios y energéticos podría reducir el uso de agua en la agricultura y aumentar la resiliencia de los cultivos cuando el suministro de agua es menos que deseable.

“Estudiar el genoma de plantas eficientes en agua también puede proporcionar información sobre la capacidad de una planta de usar agua ligeramente salina y mantener el crecimiento a mayor temperatura y menor disponibilidad de agua limpia”, dijo Jerry Tuskan, coautor y director ejecutivo del Centro de Innovación Bioenergética liderado por ORNL. “Si podemos identificar los mecanismos para la eficiencia en el uso del agua, podríamos trasladar este rasgo a plantas agrícolas, suministrar agua no potable como riego a esas plantas y ahorrar agua limpia para beber”.