La agricultura ya monopoliza el 90 por ciento del agua dulce mundial; sin embargo, la producción aún debe aumentar drásticamente para alimentar y alimentar a la creciente población de este siglo.
por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Por primera vez, los científicos han mejorado la forma en que un cultivo utiliza el agua en un 25 por ciento sin comprometer el rendimiento al alterar la expresión de un gen que se encuentra en todas las plantas, según informa Nature Communications .
La investigación es parte del proyecto de investigación internacional Realizando una mayor eficiencia fotosintética (RIPE) que cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de Alimentos y Agricultura y el Departamento de Desarrollo Internacional del Reino Unido.
«Este es un gran avance», dijo el director de RIPE, Stephen Long, presidente de Biología Vegetal y Ciencias de Cultivos de Ikenberry Endowed. «El rendimiento de los cultivos ha mejorado constantemente durante los últimos 60 años, pero la cantidad de agua requerida para producir una tonelada de grano permanece sin cambios, lo que llevó a la mayoría a suponer que este factor no podía cambiar. Probar que nuestra teoría funciona en la práctica debería abrir la puerta a mucha más investigación y desarrollo para lograr este objetivo tan importante para el futuro».
El equipo internacional aumentó los niveles de una proteína fotosintética (PsbS) para conservar el agua al engañar a las plantas para que cierren parcialmente sus estomas, los poros microscópicos en la hoja que permiten que el agua escape. Los estomas son los guardianes de las plantas: cuando están abiertos, el dióxido de carbono ingresa a la planta para alimentar la fotosíntesis, pero el agua puede escapar a través del proceso de transpiración.
«Estas plantas tenían más agua de la que necesitaban, pero ese no siempre será el caso», dijo la coautora principal Katarzyna Glowacka, investigadora postdoctoral que dirigió esta investigación en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB). «Cuando el agua es limitada, estas plantas modificadas crecerán más rápido y rendirán más; pagarán una penalización menor que sus contrapartes no modificadas».
El equipo mejoró la eficiencia del uso del agua de la planta (la proporción de dióxido de carbono que ingresa a la planta y el agua que sale) en un 25 % sin sacrificar significativamente la fotosíntesis o el rendimiento en las pruebas de campo del mundo real. La concentración de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado un 25 por ciento en los últimos 70 años, lo que permite que la planta acumule suficiente dióxido de carbono sin abrir completamente sus estomas. «La evolución no ha seguido el ritmo de este cambio rápido, por lo que los científicos le han dado una mano», dijo Long, quien también es profesor de ciencias de cultivos en la Universidad de Lancaster.
Cuatro factores pueden desencadenar la apertura y el cierre de los estomas: la humedad, los niveles de dióxido de carbono en la planta, la calidad de la luz y la cantidad de luz. Este estudio es el primer informe de piratería de las respuestas estomáticas a la cantidad de luz.
PsbS es una parte clave de una vía de señalización en la planta que transmite información sobre la cantidad de luz. Al aumentar PsbS, la señal dice que no hay suficiente energía luminosa para que la planta haga la fotosíntesis, lo que provoca que los estomas se cierren ya que no se necesita dióxido de carbono para alimentar la fotosíntesis.
Esta investigación complementa el trabajo anterior, publicado en Science , que mostró que aumentar la PsbS y otras dos proteínas puede mejorar la fotosíntesis y aumentar la productividad hasta en un 20 por ciento. Ahora, el equipo planea combinar las ganancias de estos dos estudios para mejorar la producción y el uso del agua al equilibrar la expresión de estas tres proteínas.
Para este estudio, el equipo probó su hipótesis usando tabaco, un cultivo modelo que es más fácil de modificar y más rápido de probar que otros cultivos . Ahora aplicarán sus descubrimientos para mejorar la eficiencia en el uso del agua de los cultivos alimentarios y probar su eficacia en condiciones de agua limitada.
«Hacer que las plantas de cultivo sean más eficientes en el uso del agua es posiblemente el mayor desafío para los científicos de plantas actuales y futuros», dijo el coautor principal Johannes Kromdijk, investigador postdoctoral en el IGB. «Nuestros resultados muestran que una mayor expresión de PsbS permite que las plantas de cultivo sean más conservadoras con el uso del agua, lo que creemos que ayudará a distribuir mejor los recursos hídricos disponibles durante la temporada de crecimiento y a mantener la cosecha más productiva durante los períodos secos».
Más información: La sobreexpresión de la subunidad S del fotosistema II aumenta la eficiencia del uso del agua en un cultivo de campo,
Nature Communications (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/s41467-018-03231-x
Johannes Kromdijk et al. Mejora de la fotosíntesis y la productividad de los cultivos acelerando la recuperación de la fotoprotección, Science (2016). DOI: 10.1126/ciencia.aai8878
