La clorofila juega un papel fundamental en la fotosíntesis, razón por la cual las plantas han evolucionado para tener altos niveles de clorofila en sus hojas. Sin embargo, producir este pigmento es costoso porque las plantas invierten una porción significativa del nitrógeno disponible tanto en clorofila como en las proteínas especiales que la unen.
por Ananya Sen, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Como resultado, el nitrógeno no está disponible para otros procesos. En un nuevo estudio, los investigadores redujeron los niveles de clorofila en las hojas para ver si la planta invertiría el nitrógeno ahorrado en otro proceso que pudiera mejorar la calidad nutricional.
Durante las últimas décadas, los investigadores han intentado aumentar el rendimiento de los cultivos para satisfacer la demanda mundial de alimentos. Uno de sus mayores desafíos ha sido mejorar la eficiencia fotosintética de los cultivos agrícolas.
Cuando la luz incide sobre una hoja, puede suceder una de tres cosas: la hoja puede absorber la luz para la fotosíntesis, la hoja puede reflejarla de regreso a la atmósfera o la luz puede atravesar la hoja. Desafortunadamente, aunque una hoja completamente verde absorbe más del 90% de la luz que le llega, no la utiliza toda para la fotosíntesis.
«Cultivamos nuestras plantas de cultivo en densidades muy altas. Como resultado, aunque las hojas en la parte superior del dosel tienen más luz, no pueden usarla toda, y la capa inferior carece de luz», dijo Don Ort (líder del GEGC/ CABBI/BSD), profesor de biología integrativa. «Nuestro razonamiento fue reducir la cantidad de clorofila en la parte superior del dosel para que pueda penetrar más luz y usarse de manera más eficiente en la parte inferior del dosel».
En el estudio actual, los investigadores diseñaron plantas de tabaco para que tuvieran niveles más bajos de clorofila a medida que el dosel del cultivo se vuelve más denso.
«Los modelos anteriores han demostrado que si tienes niveles más bajos de clorofila antes de tener un dosel denso, es perjudicial para el crecimiento de las plantas», dijo Ort. «Queríamos tomar plantas que tuvieran copas llenas y asegurarnos de que las hojas nuevas que se agregan en la parte superior tengan niveles más bajos de clorofila».
Para ello, los investigadores utilizaron pequeños ARN que interfieren con pasos clave en la síntesis de clorofila. La producción de estos pequeños ARN se puso bajo el control de un promotor inducible, un fragmento de ADN que responde a una señal específica y dirige a la célula para que produzca ARN.
En el estudio, los investigadores utilizaron un promotor inducible por etanol. Cuando rociaron las hojas con etanol, los pequeños ARN resultantes interfirieron con la síntesis de clorofila, creando un dosel que tenía un tono verde más claro.
«Descubrimos que incluso cuando la síntesis de clorofila disminuyó un 70%, no hubo inhibición del crecimiento», dijo Young Cho, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ort y autor principal del estudio. «Aunque teóricamente habíamos predicho este resultado, observar estas plantas de color verde pálido o amarillo creciendo normalmente fue sorprendente, considerando que dicha decoloración generalmente indica una enfermedad de la planta».
Los investigadores también habían planteado la hipótesis de que disminuir la cantidad de clorofila influiría en otros aspectos del crecimiento de las plantas porque liberaría el nitrógeno que se invertía en la producción del pigmento y las proteínas asociadas. Se demostró que tenían razón cuando vieron que la concentración de nitrógeno en las semillas era un 17% mayor en las plantas donde se activaba el promotor inducible por etanol que controlaba los pequeños ARN que interferían.
«También esperábamos un aumento en el rendimiento porque a medida que entra más luz en el dosel, se esperaría que se usara de manera más eficiente», dijo Ort. «Sin embargo, no detectamos un aumento, lo que probablemente significa que las plantas no invirtieron suficiente nitrógeno extra para mejorar la capacidad fotosintética en las partes inferiores del dosel. Este resultado nos da otro objetivo de ingeniería».
En su trabajo futuro, los investigadores probarán si pueden obtener resultados similares con promotores inducibles por luz, que los agricultores encontrarán más fáciles de usar. «Los promotores inducibles por etanol son herramientas de investigación muy convenientes e importantes. Sin embargo, los agricultores no querrán rociar un campo entero con etanol, por lo que debemos buscar otros promotores que respondan a la intensidad o el color de la luz», dijo Ort.
El estudio «La reducción de los niveles de clorofila en las etapas de llenado de las semillas da como resultado un mayor nivel de nitrógeno en las semillas sin afectar la asimilación de carbono del dosel», se publicó en Plant, Cell & Environment .
Más información: Young B. Cho et al, La reducción de los niveles de clorofila en las etapas de llenado de semillas da como resultado un mayor nitrógeno en las semillas sin afectar la asimilación de carbono del dosel, Plant, Cell & Environment (2023). DOI: 10.1111/pce.14737
