Descubren un truco vegetal que podría aumentar la producción agrícola

Un equipo internacional de investigadores reveló un sorprendente mecanismo molecular utilizado por un grupo poco común de plantas terrestres. Este descubrimiento podría ayudar a rediseñar cultivos importantes como el trigo y el arroz para que conviertan la luz solar en alimento de manera mucho más eficiente.

El estudio fue liderado por científicos del Boyce Thompson Institute, la Universidad de Cornell y la Universidad de Edimburgo. Aborda una limitación importante en la agricultura relacionada con la Rubisco, la enzima que captura dióxido de carbono del aire durante la fotosíntesis.

Rubisco y las limitaciones de la fotosíntesis

La Rubisco juega un papel central en la vida en la Tierra, pero tiene un gran defecto. La enzima trabaja lentamente y puede interactuar fácilmente con el oxígeno en lugar de con el dióxido de carbono, lo que desperdicia energía y reduce la eficacia del crecimiento de las plantas.

"La Rubisco es, sin duda, la enzima más importante del planeta porque es el punto de entrada para casi todo el carbono en los alimentos que consumimos", expresó Fay-Wei Li, profesor asociado del BTI y co-líder de la investigación. "Pero es lenta y fácilmente distraída por el oxígeno, lo que desperdicia energía y limita la eficiencia del crecimiento de las plantas".

A lo largo del tiempo, algunos organismos han evolucionado maneras de superar esta ineficiencia. Muchos tipos de algas, por ejemplo, colocan la Rubisco dentro de pequeñas estructuras en sus células llamadas pirenoides. Estos compartimentos microscópicos concentran el dióxido de carbono alrededor de la enzima, permitiendo que funcione de manera más eficiente.

Los investigadores han esperado durante mucho tiempo poder introducir este tipo de sistema de concentración de carbono en cultivos alimentarios, que no cuentan naturalmente con pirenoides. Sin embargo, transferir la maquinaria compleja de las algas a las plantas terrestres ha resultado extremadamente difícil.

Las plantas hornwort revelan una estrategia inesperada

Un avance significativo ocurrió cuando los científicos examinaron las hornworts, las únicas plantas terrestres conocidas que contienen compartimentos de concentración de carbono similares a los que se encuentran en las algas. Debido a que las hornworts comparten una relación evolutiva más cercana con las plantas de cultivo que las algas, los investigadores sospechaban que sus herramientas moleculares podrían ser más fáciles de transferir.

Lo que descubrieron fue muy diferente a lo que esperaban.

"Supusimos que las hornworts usarían algo similar a lo que usan las algas: una proteína separada que agrupa la Rubisco", afirmó Tanner Robison, estudiante de posgrado que trabaja con Li y co-primer autor del artículo. "En cambio, descubrimos que han modificado la Rubisco misma para hacer el trabajo".

La proteína RbcS-STAR y el agrupamiento de Rubisco

El elemento clave es un componente proteico inusual que los investigadores denominaron RbcS-STAR. La Rubisco está compuesta tanto por piezas grandes como pequeñas de proteínas. En las hornworts, una versión del componente pequeño incluye un segmento adicional llamado región STAR.

Esta cola adicional se comporta como un velcro molecular. Hace que las proteínas de Rubisco se adhieran entre sí y formen estructuras agrupadas dentro de la célula.

Para determinar si STAR podría funcionar en otras plantas, los investigadores realizaron varios experimentos. Primero, introdujeron el componente RbcS-STAR en una especie de hornwort estrechamente relacionada que no forma naturalmente pirenoides. Después del cambio, la Rubisco pasó de estar dispersa por toda la célula a formar estructuras concentradas que se asemejan a los pirenoides.

Los científicos luego probaron la misma idea en Arabidopsis, una planta ampliamente utilizada en investigaciones de laboratorio. Una vez más, la Rubisco se agrupó en compartimentos densos dentro de los cloroplastos.

"Incluso intentamos unir solo la cola STAR a la Rubisco nativa de Arabidopsis, y provocó el mismo efecto de agrupamiento", comentó Alistair McCormick, profesor en la Universidad de Edimburgo y co-líder de la investigación. "Eso nos dice que STAR es verdaderamente la fuerza impulsora. Es una herramienta modular que puede funcionar en diferentes sistemas vegetales".

Un camino potencial hacia cultivos más eficientes

El hecho de que este mecanismo funcione en diferentes especies de plantas hace que el descubrimiento sea especialmente importante para la agricultura. Sugiere que los científicos pueden ser capaces de provocar el agrupamiento de la Rubisco en plantas de cultivo simplemente agregando este componente de velcro universal.

No obstante, los investigadores enfatizan que aún se necesita más trabajo. Además de agrupar la Rubisco, las plantas también deben entregar eficientemente el dióxido de carbono a la enzima.

"Hemos construido una casa de Rubisco, pero no será una casa eficiente a menos que actualicemos el sistema de calefacción y aire acondicionado", afirmó Laura Gunn, profesora asistente en la Universidad de Cornell y co-líder de la investigación. El equipo ahora trabaja para abordar este desafío.

Un paso hacia una producción de alimentos más sostenible

Aun así, el descubrimiento representa un avance importante en el esfuerzo por mejorar la fotosíntesis. Aumentar la eficiencia fotosintética, incluso ligeramente, podría elevar los rendimientos de los cultivos mientras se reduce el impacto ambiental de la agricultura. Este objetivo es cada vez más importante a medida que los científicos buscan maneras de producir más alimentos de manera sostenible para una población global en crecimiento.

"Esta investigación muestra que la naturaleza ya ha probado soluciones de las que podemos aprender", dijo Li. "Nuestro trabajo es entender esas soluciones lo suficientemente bien como para aplicarlas donde más se necesitan: en los cultivos que alimentan al mundo".

El estudio fue publicado en Science, con contribuciones equitativas de cuatro científicos en etapa temprana: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh y Warren S.L. Ang. Los autores correspondientes fueron Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick y Fay-Wei Li.