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Encontrado un eslabón perdido en la fotosíntesis de algas, ofrece la oportunidad de mejorar el rendimiento de los cultivos

Encontrado un eslabón perdido en la fotosíntesis de algas, ofrece la oportunidad de mejorar el rendimiento de los cultivos
Un estudio reciente descubrió un eslabón perdido en el proceso fotosintético de las algas verdes llamadas Chlamydomonas reinhardtii que podría usarse para impulsar la productividad de los cultivos. Crédito: MADURO

La fotosíntesis es el proceso natural que utilizan las plantas y las algas para capturar la luz solar y fijar el dióxido de carbono en azúcares ricos en energía que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en el caso de los cultivos, el rendimiento. 


por la Universidad Estatal de Louisiana


Las algas desarrollaron mecanismos especializados de concentración de dióxido de carbono (CCM) para realizar la fotosíntesis de manera mucho más eficiente que las plantas. Esta semana, en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , un equipo de la Universidad Estatal de Luisiana (LSU) y la Universidad de York informan sobre un paso inexplicable desde hace mucho tiempo en el CCM de las algas verdes, que es clave para desarrollar un CCM funcional en cultivos alimentarios para impulsar la productividad.

«La mayoría de los cultivos están plagados de fotorrespiración, que ocurre cuando Rubisco, la enzima que impulsa la fotosíntesis, no puede diferenciar entre el dióxido de carbono que sustenta la vida y las moléculas de oxígeno que desperdician grandes cantidades de energía de la planta», dijo James Moroney, profesor de exalumnos de Streva en LSU y miembro de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE). «En última instancia, nuestro objetivo es diseñar un CCM en los cultivos para rodear Rubisco con más dióxido de carbono, haciéndolo más eficiente y menos propenso a atrapar moléculas de oxígeno, un problema que se ha demostrado que empeora a medida que aumentan las temperaturas».

Dirigido por la Universidad de Illinois, RIPE es un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para que sean más productivos mediante la mejora de la fotosíntesis con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de la Agricultura y la Alimentación (FFAR) y el Gobierno del Reino Unido. Departamento de Desarrollo Internacional (DFID).

Mientras que el dióxido de carbono se difunde a través de las membranas celulares con relativa facilidad, el bicarbonato (HCO3-) se difunde unas 50.000 veces más lentamente debido a su carga negativa. El alga verde Chlamydomonas reinhardtii , apodada Chlamy, transporta bicarbonato a través de tres membranas celulares al compartimiento que alberga Rubisco, llamado pirenoide, donde el bicarbonato se convierte nuevamente en dióxido de carbono y se fija en azúcar.

«Hasta ahora, no entendíamos cómo el bicarbonato cruzaba el tercer umbral para ingresar al pirenoide», dijo Ananya Mukherjee, quien dirigió este trabajo como estudiante graduada en LSU antes de unirse a la Universidad de Nebraska-Lincoln como investigadora postdoctoral. «Durante años, tratamos de encontrar el componente faltante, pero resulta que hay tres proteínas de transporte involucradas en este paso, que eran el eslabón perdido en nuestra comprensión del CCM de Chlamydomonas reinhardtii «

Esta semana, en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , un equipo de la Universidad Estatal de Louisiana (LSU) y la Universidad de York informan sobre un paso inexplicable desde hace mucho tiempo en el CCM de las algas verdes, que es clave para desarrollar un CCM en cultivos alimentarios para impulsar la productividad. Los investigadores descubrieron un eslabón perdido en el proceso fotosintético de las algas verdes llamadas Chlamydomonas reinhardtii que podría usarse para impulsar la productividad de los cultivos. Crédito: Proyecto RIPE

«Si bien se conocen otras proteínas de transporte, especulamos que estas podrían compartirse con los cultivos más fácilmente porque la Chlamy está más estrechamente relacionada con las plantas que otras algas fotosintéticas, como las cianobacterias o las diatomeas», dijo Luke Mackinder, profesor de York que colaboró ​​con el equipo de RIPE en este trabajo con el apoyo del Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC) y el Leverhulme Trust.

La creación de un CCM funcional en los cultivos requerirá tres cosas: un compartimento para almacenar Rubisco, transportadores para llevar bicarbonato al compartimento y anhidrasa carbónica para convertir el bicarbonato en dióxido de carbono.

Encontrado un eslabón perdido en la fotosíntesis de algas, ofrece la oportunidad de mejorar el rendimiento de los cultivos
El profesor de biología de la Universidad Estatal de Louisiana, Jim Moroney, estudia la fotosíntesis de algas en un laboratorio dentro del Edificio de Ciencias de la Vida de la universidad. El trabajo de Moroney se financia a través de una iniciativa de la Fundación Gates de $ 45 millones para explorar formas de mejorar la fotosíntesis en los cultivos. El objetivo es aumentar los rendimientos de arroz, soja y otros cultivos haciéndolos mejores para convertir la luz solar en energía alimentaria. Crédito: LSU

En un estudio de 2018, los colegas de RIPE en la Universidad Nacional de Australia demostraron que podían agregar un compartimento llamado carboxisoma, que es similar a un pirenoide, en los cultivos. Ahora, este estudio completa la lista de posibles proteínas de transporte que podrían transportar bicarbonato desde el exterior de la célula a esta estructura carboxisoma en las células de las hojas de los cultivos.

«Nuestra investigación sugiere que la creación de un CCM funcional en los cultivos podría ayudar a los cultivos a conservar más agua y podría reducir significativamente el proceso de fotorrespiración en los cultivos que exige energía, que empeora a medida que aumentan las temperaturas», dijo Moroney. «El desarrollo de cultivos resistentes al clima que puedan realizar la fotosíntesis de manera más eficiente será vital para proteger nuestra seguridad alimentaria».

Lograr una mayor eficiencia fotosintética (RIPE) es diseñar cultivos de alimentos básicos para convertir de manera más eficiente la energía del sol en alimentos para aumentar de manera sostenible la producción de alimentos en todo el mundo, con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de Estados Unidos para la Investigación Agrícola y Alimentaria y el Reino Unido. Departamento de Gobierno para el Desarrollo Internacional.



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