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El aumento de las temperaturas también altera la fotosíntesis en un clima cambiante

No solo CO2: el aumento de las temperaturas también altera la fotosíntesis en un clima cambiante
El aumento de las temperaturas asociado con el cambio climático afecta la capacidad de las plantas para mantener su integridad estructural, absorber dióxido de carbono, retener agua y crecer y reproducirse. Crédito: Julie McMahon

Los científicos agrícolas que estudian el cambio climático a menudo se centran en cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera afectará el rendimiento de los cultivos. 

Pero es probable que el aumento de las temperaturas complique el panorama, informan los investigadores en una nueva revisión del tema.


por Diana Yates, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Publicado en el Journal of Experimental Botany , la revisión explora cómo las temperaturas más altas influyen en el crecimiento y la viabilidad de las plantas a pesar de la mayor disponibilidad de CO 2 atmosférico , un componente clave de la fotosíntesis.

El calor excesivo puede reducir la eficiencia de las enzimas que impulsan la fotosíntesis y puede obstaculizar la capacidad de las plantas para regular la absorción de CO 2 y la pérdida de agua, escriben los investigadores. Las características estructurales pueden hacer que las plantas sean más o menos susceptibles al estrés por calor. Los atributos del ecosistema, como el tamaño y la densidad de las plantas, la disposición de las hojas en las plantas o las condiciones atmosféricas locales, también influyen en la forma en que el calor afectará el rendimiento de los cultivos .

La revisión describe los últimos esfuerzos científicos para abordar estos desafíos.

«Es importante comprender estos problemas en todas las escalas, desde la bioquímica de las hojas individuales hasta las influencias a nivel del ecosistema, para abordar realmente estos problemas de una manera informada», dijo la autora principal, Caitlin Moore, investigadora de la Universidad. de Australia Occidental y miembro investigador afiliado del Instituto de Sostenibilidad, Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Moore dirigió la revisión con Amanda Cavanagh, otra ex alumna de la U. de I. ahora en la Universidad de Essex en el Reino Unido.

«Históricamente, se ha prestado mucha atención al aumento de CO 2 y el impacto que tiene en las plantas», dijo el coautor Carl Bernacchi, profesor de biología vegetal y ciencias de los cultivos y afiliado del Instituto Carl R. Woese para Biología genómica en la U. de I. «Y es un factor importante, porque estamos cambiando enormemente la concentración de dióxido de carbono. Pero es una pequeña parte de la historia más grande. Una vez que agregas temperaturas cambiantes a la mezcla, se estropea completamente nuestra comprensión de cómo van a responder las plantas «.

«Tomemos a Rubisco, la enzima clave que fija el dióxido de carbono en azúcares, haciendo posible la vida en la Tierra», dijo Cavanagh. «Rubisco se acelera a medida que aumenta la temperatura , pero también es propenso a cometer errores».

El aumento de las temperaturas también altera la fotosíntesis en un clima cambiante
De izquierda a derecha, Caitlin Moore, Carl Bernacchi, Katherine Meacham-Hensold y sus colegas revisan cómo el aumento de las temperaturas afecta la fotosíntesis en las plantas y cómo los científicos abordan los desafíos. Crédito: Claire Benjamin / proyecto RIPE

En lugar de fijar el dióxido de carbono uniéndolo a los azúcares, un paso clave en la fotosíntesis, Rubisco a veces fija el oxígeno, iniciando una vía diferente que desperdicia los recursos de una planta. Las temperaturas más altas hacen que esto sea más probable, dijo Cavanagh. A temperaturas aún más altas, la enzima comenzará a perder su integridad estructural, haciéndola ineficaz.

El calor excesivo también puede socavar la producción reproductiva de una planta. Otras enzimas sensibles al calor son esenciales para la maquinaria de recolección de luz de las plantas o juegan un papel en el movimiento de los azúcares a diferentes tejidos vegetales, lo que permite que la planta crezca y produzca granos o frutas.

«Si estas pequeñas máquinas moleculares se empujan fuera del rango de temperatura óptimo, entonces no pueden hacer su trabajo», dijo Cavanagh.

Cuando las temperaturas suben demasiado, las hojas de las plantas abren los poros de sus superficies, llamados estomas, para refrescarse. Los estomas también permiten que las plantas absorban dióxido de carbono de la atmósfera, pero cuando están completamente abiertos, la hoja puede perder demasiada humedad.

«La temperatura afecta la atmósfera sobre la planta», dijo Moore. «A medida que la atmósfera se calienta, puede contener más agua, por lo que extrae más agua de las plantas».

Los científicos de Illinois y otros lugares están buscando formas de mejorar la resistencia de las plantas de cultivo frente a estos cambios. Moore, cuyo trabajo se centra en factores a escala del ecosistema, dijo que las nuevas herramientas que pueden ayudar a cribar plantas a gran escala son esenciales para ese esfuerzo. Por ejemplo, los satélites que pueden detectar cambios en la fluorescencia de la clorofila en las plantas pueden indicar si un cultivo está bajo estrés por calor. Estos cambios en la fluorescencia son detectables antes de que la planta muestre algún signo externo de estrés por calor, como que sus hojas se pongan marrones. El desarrollo de estas herramientas puede permitir a los agricultores responder más rápidamente al estrés de los cultivos antes de que se produzcan demasiado daño.

Cavanagh, que estudia la biología molecular y la fisiología de las plantas, dijo que algunas plantas son más tolerantes al calor que otras, y los científicos están buscando en sus genomas pistas sobre su éxito.

No solo CO2: el aumento de las temperaturas también altera la fotosíntesis en un clima cambiante
La coautora Amanda Cavanagh estudia la biología molecular y la fisiología de las plantas. Crédito: Claire Benjamin / proyecto RIPE

«Por ejemplo, puede observar los parientes australianos silvestres del arroz que crecen en climas mucho más duros que la mayoría de los arroces con cáscara», dijo. «Y ves que sus enzimas están preparadas para funcionar de manera más eficiente a temperaturas más altas».

Uno de los objetivos es transferir genes tolerantes al calor a variedades de arroz cultivadas que son más susceptibles al estrés por calor.

Otras estrategias incluyen estructuras de ingeniería que bombean más CO 2 al sitio de fijación de carbono para mejorar la eficiencia de Rubisco; alterar las propiedades de captación de luz de las hojas en la parte superior e inferior de las plantas para igualar la distribución de la luz solar y mantener los niveles de humedad; y cambiar la densidad de los estomas para mejorar su control de la entrada de CO 2 y la pérdida de humedad.

La colaboración entre científicos centrados en diferentes escalas de función de los ecosistemas y las plantas, desde la atmosférica hasta la molecular, es esencial para el éxito de los esfuerzos para desarrollar la resiliencia en las plantas de cultivo, dijeron los investigadores.

«El mundo se está calentando a un ritmo impactante», dijo Cavanagh. «Y sabemos por los modelos globales que cada aumento en grados Celsius de temperatura bruta puede causar pérdidas del 3% al 7% en el rendimiento de nuestros cuatro cultivos principales. Por lo tanto, no es algo que podamos ignorar.

«Lo que me hace optimista es darme cuenta de que se está trabajando tanto para resolver este problema a nivel mundial», dijo.


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