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Cultivos: las modificaciones del entorno ligero podrían maximizar la productividad


Los cultivos que cultivamos en el campo a menudo forman cubiertas densas con muchas hojas superpuestas, de modo que las «hojas de sol» jóvenes en la parte superior de la cubierta están expuestas a la luz solar completa con «hojas de sombra» más antiguas en la parte inferior. 

Para maximizar la fotosíntesis, la eficiencia en el uso de los recursos y el rendimiento, las hojas solares suelen maximizar la eficiencia fotosintética con luz alta, mientras que las hojas de sombra maximizan la eficiencia con poca luz.


Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Los cultivos forman copas con hojas superpuestas. Por lo general, el sol sale en la parte superior de la cubierta de fotosíntesis con la máxima eficiencia con alta luz, mientras que la sombra deja en la parte inferior del fotosíntesis con la máxima eficiencia con poca luz. Sin embargo, este no es el caso del maíz (maíz) y el cultivo de bioenergía Miscanthus. Los investigadores han publicado un estudio que investigó la causa de esta mala adaptación y descubrieron que las condiciones de luz alteradas, no la edad de la hoja, eran el talón de Aquiles de estos cultivos.

«Sin embargo, en algunos de nuestros cultivos más importantes, una mala adaptación provoca una pérdida de eficiencia fotosintética en las hojas en el fondo del dosel, lo que limita la capacidad de las plantas para fotosintetizar y producir rendimientos», dijo Charles Pignon, un ex investigador postdoctoral en La Universidad de Illinois. «Para abordar este problema, es importante saber si esto es causado por hojas que son más viejas o están expuestas a un ambiente de luz diferente en el fondo de la cubierta».

Esta pregunta fue respondida en un estudio reciente publicado en Frontiers in Plant Science , donde investigadores de la Universidad de Illinois y la Universidad de Oxford trabajaron con el maíz y el cultivo de bioenergía Miscanthus para descubrir que la disminución de la eficiencia de las hojas en el fondo de la planta. el dosel no se debía a su edad sino a su entorno de luz alterado.

Este trabajo se realizó a través del programa Illinois Summer Fellows (ISF). Lanzado en 2018, ISF permite a los estudiantes universitarios realizar investigaciones en ciencias de las plantas junto con científicos altamente calificados en Illinois. Los becarios de 2018 Robert Collison y Emma Raven trabajaron con Pignon y Stephen Long, el profesor titular de Stanley O. Ikenberry, Profesor de Biología Vegetal y Ciencias de Cultivos en Illinois, para confirmar y comprender mejor los resultados de estudios previos para Tecnologías de Sorgo Eficientes en Agua (WEST), una investigación proyecto destinado a desarrollar cultivos bioenergéticos que produzcan más biomasa con menos agua.

La fotosíntesis es el proceso natural que utilizan las plantas para convertir la luz solar en energía. Las plantas generalmente se incluyen en los dos tipos principales de fotosíntesis: C3 y C4. La diferencia entre estos tipos es que las plantas C4 tienen un mecanismo que concentra dióxido de carbono dentro de sus hojas, lo que les permite fotosintetizar de manera más eficiente. Sin embargo, la mayoría de las plantas, árboles y cultivos operan utilizando la fotosíntesis C3 menos eficiente.

Tanto el sol como las hojas de sombra contribuyen a la asimilación fotosintética del carbono, produciendo los azúcares que alimentan la planta y el rendimiento del combustible. Por lo tanto, la fotosíntesis del dosel inferior es un proceso importante que afecta el rendimiento de toda la planta, con un estimado del 50 por ciento del aumento total de carbono del dosel contribuido por las hojas de sombra.

Estudios previos de plantas C3 han demostrado que las hojas sombreadas son típicamente más eficientes que las hojas solares a bajas intensidades de luz, lo que significa que las hojas sombreadas se adaptan a su ambiente de poca luz. Sin embargo, un estudio previo de Pignon y Long mostró que este no es el caso para todas las plantas. Las copas de maíz y Miscanthus, cultivos C4 que generalmente fotosintetizan más eficientemente que los cultivos C3, tenían hojas de sombra que eran menos fotosintéticamente eficientes, lo que sugiere una mala adaptación en estos cultivos importantes.

«Las hojas de sombra reciben muy poca luz, por lo que generalmente se vuelven muy eficientes con el uso de poca luz», dijo Pignon, ahora un fisiólogo de plantas en Benson Hill en St. Louis. «Esencialmente, aprovechan al máximo la poca luz que reciben. Sin embargo, en los cultivos C4 que estudiamos, las hojas de sombra en estos cultivos no solo reciben muy poca luz, sino que también la usan de manera menos eficiente. Es una mala adaptación muy costosa en cultivos que de otro modo son altamente productivos, de ahí que lo llamemos el talón de Aquiles «.

Con seis u ocho capas de hojas en nuestros modernos cultivos de maíz, la mayoría de las hojas están sombreadas y pueden representar la mitad del crecimiento de la planta durante la fase crítica del llenado del grano.

«En el estudio anterior, los investigadores estimaron que esta mala adaptación estaba causando una pérdida del 10 por ciento en el aumento potencial de la fotosíntesis del dosel», dijo Raven, quien recientemente se graduó de Oxford con planes de obtener su doctorado. «Hay esencialmente dos razones potenciales: la edad de las hojas o las condiciones de luz, por lo que investigamos qué factor estaba causando esta ineficiencia».

Collison y Raven, coautores de este artículo recientemente publicado, recolectaron datos y analizaron el rendimiento cuántico máximo de la fotosíntesis, la máxima eficiencia con la que se utiliza la luz para asimilar carbono, en hojas de la misma edad cronológica pero diferentes ambientes de luz. para descubrir los cultivos ‘talón de Aquiles’. Esto se logró comparando las hojas de la misma edad en el centro de las parcelas de estas especies con las del borde sur de estas parcelas. A partir de esto, demostraron que la pobre eficiencia fotosintética de las hojas inferiores de estos cultivos es causada por condiciones de luz alteradas y no por la edad.

«El maíz y el Miscanthus están estrechamente relacionados con la caña de azúcar y el sorgo, por lo que otros cultivos de C4 podrían tener esta pérdida en la eficiencia fotosintética causada por el entorno de luz», explicó Collison, quien también se graduó de Oxford y puede seguir estudios de posgrado. «Al encontrar la causa de esta pérdida de eficiencia, podemos comenzar a buscar posibles soluciones a este problema, modificando las plantas para mejorar su productividad».

Programa de becarios de verano de Illinois

El programa ISF ha cultivado un entorno donde los Fellows tienen la independencia necesaria para desarrollarse como científicos, sabiendo que cuentan con el apoyo y el aliento de sus supervisores. Los becarios se combinan con un supervisor científico para ayudarlos con un elemento específico de un proyecto destinado a aumentar la eficiencia fotosintética y / o del uso del agua de los cultivos. El programa tiene como objetivo proporcionar una experiencia gratificante que ayude a los estudiantes a desarrollarse como científicos y, en última instancia, a considerar seguir carreras en biología vegetal.

«La oportunidad de viajar a otro país y realizar investigaciones significativas en un entorno de campo del mundo real junto con mentores en su campo es invaluable», dijo Long, quien lanzó y dirige el programa ISF en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica. «Al final de su tiempo en Illinois, nuestros Compañeros han expresado que esta experiencia les permitió contribuir al mundo y recuperar habilidades valiosas que pueden aplicar en sus esfuerzos futuros como innovadores en el campo de la agricultura y más allá».

Collison reflexiona sobre su tiempo en Illinois como una experiencia en la que no muchos estudiantes, especialmente al principio de su carrera, pueden participar. «La oportunidad de hacer cualquier investigación tan temprano en su carrera como científico es realmente emocionante», dijo. . «Todos los que conocimos, incluidos nuestros supervisores y otros científicos, siempre estuvieron dispuestos a ayudarnos».

Raven también compartió sus puntos de vista sobre el valor de hacer una investigación en Illinois y qué diferencias puede haber en otros entornos académicos o laborales. «Cuando asistes a conferencias o clases prácticas, nunca tienes esa sensación de verdadera propiedad de tus propios proyectos porque simplemente sigues lo que tu profesor te dice que hagas», dijo Raven. «Pero tener la propiedad de este documento en Illinois es gratificante. También es emocionante ser parte de algo que es más grande que nosotros y que, en última instancia, ayudará a los agricultores de otros países a cultivar alimentos de manera más sostenible».


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