Las diferencias en la «maquinaria» fotosintética de ciertas plantas de cultivo pueden hacerlas más o menos propensas al daño causado por la contaminación del ozono a nivel del suelo, según un artículo reciente de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias publicado por un equipo del Servicio de Investigación Agrícola (ARS). ) y científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC).
Los hallazgos (que los cultivos llamados «C4», como el maíz y el sorgo, toleran mejor los niveles elevados de ozono que los cultivos «C3», como el arroz o las judías verdes), abren la puerta a mejores modelos para predecir las respuestas de los cultivos a los efectos del cambio climático global. además de desarrollar variedades más resilientes que puedan sostener la creciente demanda de alimentos, piensos, fibras y combustibles de la humanidad.
Un cultivo se designa como C3 o C4 dependiendo de si el CO 2 que captura del aire se convierte inicialmente en un compuesto de 3 o 4 carbonos. Desde hace tiempo se sospecha que la capacidad general de los cultivos C4 para tolerar aumentos en el nivel del suelo (o “troposférico”) mejor que los cultivos C3, pero no se ha probado ampliamente en condiciones reales de campo, señaló Lisa Ainsworth , una bióloga molecular investigadora que dirige el Estudio Global del ARS. Unidad de Investigación sobre Cambio y Fotosíntesis de la UIUC.
Junto con sus coautores de PNAS , a saber, el fisiólogo de plantas de investigación del ARS Christopher Montes y un equipo de UIUC dirigido por Shuai Li, Ainsworth llevó a cabo un análisis extenso de datos publicados y no publicados: el primer conjunto se seleccionó de 46 artículos de revistas y el segundo conjunto de 20 años de experimentos al aire libre realizados en Estados Unidos, India y China.
Específicamente, su análisis se centró en las respuestas de cinco cultivos C3 (garbanzos, arroz, judías verdes, soja y trigo) y cuatro cultivos C4 (sorgo, maíz, miscanthus gigante y pasto varilla) tanto a los niveles ambientales de ozono como al aumento de las concentraciones del gas. , que oscila entre 40 y 100 partes por mil millones. De particular interés fueron los cambios en la capacidad fotosintética de los cultivos, el contenido de clorofila y la fluorescencia (una forma de medición del pigmento), la actividad antioxidante de las hojas, el material de biomasa y el rendimiento de semillas. Profundizando un poco más, el equipo también comparó la sensibilidad al ozono de líneas híbridas y endogámicas de maíz y arroz.
Los cultivos C3 y C4 se diferencian en la forma en que sus hojas capturan dióxido de carbono del aire como componente clave de la fotosíntesis. Es el proceso mediante el cual las plantas utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono en glucosa, un azúcar que ayuda a impulsar su crecimiento, reparación y desarrollo y, a su vez, a sustentar otras formas de vida en el planeta, incluida la humanidad.
Mientras que tanto los cultivos C3 como los C4 utilizan la enzima llamada rubisco para convertir el dióxido de carbono en azúcares, los cultivos C4 aíslan el rubisco en células especializadas donde la concentración de dióxido de carbono es muy alta. Esto permite mayores tasas de fotosíntesis y una mayor eficiencia en el uso del agua. Por lo tanto, las plantas C4 tienen una conductancia estomática más baja, lo que resulta en una menor difusión de dióxido de carbono y ozono hacia las hojas.
Según Ainsworth, los experimentos al aire libre, propiamente conocidos como «Enriquecimiento por concentración en aire libre (o «FACE»), proporcionan una especie de verdad sobre el terreno sobre la sensibilidad de los cultivos al ozono (y al dióxido de carbono) que los estudios al aire libre no pueden.
«Hemos utilizado tanto ambientes controlados como estudios de campo para investigar las respuestas de los cultivos al ozono», dijo Ainsworth. «La ventaja de los experimentos FACE es el entorno del mundo real para la experimentación. Las plantas se cultivan en el suelo, no en macetas, y no hay interrupción del continuo desde el suelo hasta la planta y la atmósfera».
En general, el equipo informó en su artículo PNAS que la exposición a niveles elevados de ozono se correlacionaba con una reducción del contenido de clorofila, la fluorescencia y el rendimiento de semillas en los cultivos C3 más que en el grupo C4.
Pero también hubo diferencias dentro de las dos categorías de cultivos: las judías verdes, el arroz, el trigo, los garbanzos, la soja, el maíz, el miscanto gigante, el sorgo y el pasto varilla se clasificaron como los más sensibles al ozono. Estos hallazgos difieren de resultados anteriores que sugerían que la soja era la más sensible y el arroz la menos. Otro hallazgo destacado en el artículo de PNAS fue que el aumento de ozono provocaba menores pérdidas de rendimiento de grano en líneas híbridas de maíz y arroz que en líneas endogámicas.
Los investigadores señalan que los estudios actuales se beneficiarían de comparaciones lado a lado de los cultivos en condiciones al aire libre. El papel protector de los fenólicos y otros antioxidantes en las hojas de los cultivos C4 también merece más estudios.
Ainsworth dijo que la contaminación por ozono ha aumentado al nivel de otros factores estresantes ambientales, como la presión de plagas y enfermedades, así como la sequía y la disminución de la salud del suelo. Sin embargo, hay esperanzas de una mayor resiliencia de los cultivos. Por ejemplo, la variabilidad genética en ellos puede ser clave para desbloquear rasgos que permitan una mayor tolerancia o eficiencia fotosintética. Además, las decisiones de gestión que los agricultores pueden tomar (como cultivar en nuevas áreas, plantar más temprano en la temporada o utilizar variedades de maduración más tardía) podrían mejorar aún más la tolerancia de los cultivos.
