El modelo mejorado podría ayudar a los científicos a predecir mejor el rendimiento de los cultivos y los efectos del cambio climático


por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Un nuevo modelo de computadora incorpora cómo los poros microscópicos en las hojas pueden abrirse en respuesta a la luz, un avance que podría ayudar a los científicos a crear plantas virtuales para predecir cómo las temperaturas más altas y los niveles crecientes de dióxido de carbono afectarán los cultivos alimentarios, según un estudio publicado en un especial. número de la revista Photosíntesis Research hoy.

«Este es un nuevo modelo de computadora emocionante que podría ayudarnos a hacer predicciones mucho más precisas en una amplia gama de condiciones», dijo Johannes Kromdijk, quien dirigió el trabajo como parte de un proyecto de investigación internacional llamado Realización de una mayor eficiencia fotosintética (RIPE).

RIPE, dirigido por la Universidad de Illinois, está diseñando cultivos para que sean más productivos sin usar más agua al mejorar la fotosíntesis, el proceso natural que todas las plantas utilizan para convertir la luz solar en energía para impulsar el crecimiento y el rendimiento de los cultivos. RIPE cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de la Alimentación y la Agricultura de EE. UU. (FFAR) y el Departamento para el Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

El trabajo actual se centró en simular el comportamiento de lo que se conoce como estomas: poros microscópicos en las hojas que, en respuesta a la luz, se abren para permitir que el agua, el dióxido de carbono y el oxígeno entren y salgan de la planta. En 2018, el equipo de RIPE publicó un artículo en Nature Communications que mostraba que el aumento de una proteína específica podría hacer que las plantas cerraran sus estomas parcialmente, hasta el punto en que la fotosíntesis no se vio afectada, pero la pérdida de agua disminuyó significativamente. Los datos experimentales de este estudio se utilizaron para crear el modelo de estomas recientemente mejorado presentado hoy.

«Hace décadas que sabemos que la fotosíntesis y la apertura de los estomas están estrechamente coordinadas, pero aún no se sabe cómo funciona esto», dijo Stephen Long, presidente de Ciencias de Cultivos y Biología Vegetal de la Universidad Ikenberry Endowed de la Universidad de Illinois. «Con este nuevo modelo de computadora, tenemos una herramienta mucho mejor para calcular los movimientos estomáticos en respuesta a la luz».

El objetivo final, dijo Long, es identificar oportunidades para controlar estos guardianes estomáticos para hacer cultivos tolerantes a la sequía. «Ahora nos estamos acercando al eslabón perdido: cómo la fotosíntesis le dice a los estomas cuándo abrir».

El modelado por computadora ha sido un gran avance en el mejoramiento de cultivos. El padre de la genética moderna, Gregor Mendel, hizo su gran descubrimiento de que las plantas de guisantes heredan rasgos de sus padres al cultivar y reproducir más de 10 000 plantas de guisantes durante ocho años. Hoy en día, los científicos de plantas pueden cultivar virtualmente miles de cultivos en cuestión de segundos utilizando estos complejos modelos informáticos que simulan el crecimiento de las plantas.

Los modelos estomáticos se utilizan junto con los modelos de fotosíntesis para hacer predicciones de gran alcance, desde el rendimiento futuro de los cultivos hasta la gestión de los cultivos, como por ejemplo, cómo responden los cultivos cuando hay un déficit de agua. Además, estos modelos pueden brindar a los científicos una vista previa de cómo los cultivos como el trigo, el maíz o el arroz podrían verse afectados por el aumento de los niveles de dióxido de carbono y las temperaturas más altas.

«La versión anterior del modelo estomático usaba una relación que no era consistente con nuestra comprensión actual de los movimientos estomáticos», dijo Kromdijk, ahora profesor universitario en la Universidad de Cambridge. «Descubrimos que nuestra nueva versión necesita muchos menos ajustes para hacer predicciones altamente precisas».

Aún así, queda mucho trabajo por hacer para demostrar que este modelo modificado funciona en una amplia variedad de aplicaciones y para respaldar aún más la relación entre los estomas y la fotosíntesis .

«Tenemos que demostrar que este modelo funciona para una amplia gama de especies y ubicaciones», dijo Katarzyna Glowacka, ex miembro de RIPE, ahora profesora asistente en la Universidad de Nebraska-Lincoln. «Los modelos de simulación a gran escala combinan modelos de turbulencia atmosférica, intercepción de luz, disponibilidad de agua en el suelo y otros, por lo que tenemos que convencer a varias comunidades de investigación de que esta es una mejora que vale la pena».


Más información: Johannes Kromdijk et al. Predicción de movimientos estomáticos inducidos por la luz en función del estado redox de la plastoquinona: teoría y validación, 

Investigación de fotosíntesis (2019). DOI: 10.1007/s11120-019-00632-x



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