Agricultura Botánica y Genética Cereales

La fotosíntesis varía mucho entre los cultivares de arroz: la diversidad natural podría aumentar los rendimientos


El arroz es una fuente directa de calorías para más personas que cualquier otro cultivo y sirve como alimento básico para 560 millones de personas con hambre crónica en Asia. Con más de 120,000 variedades de arroz cultivado ( Oryza sativa) en todo el mundo, los científicos de las plantas explotan una gran diversidad natural para aumentar los rendimientos. 


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


Un equipo de la Universidad de Illinois y el Instituto Internacional de Investigación del Arroz (IRRI) examinó cómo 14 fotosíntesis diversas variedades, el proceso por el cual todos los cultivos convierten la energía solar en azúcares que finalmente se convierten en nuestro alimento. Al observar un atributo poco estudiado de la fotosíntesis, encontraron pequeñas diferencias en la eficiencia fotosintética en condiciones constantes, pero una diferencia del 117 por ciento en la luz fluctuante, lo que sugiere un nuevo rasgo para la selección del criador.

«La fotosíntesis se ha evaluado tradicionalmente en ‘condiciones constantes’ donde las plantas están expuestas a altos niveles constantes de luz, pero las condiciones del campo nunca son constantes, especialmente teniendo en cuenta la luz que impulsa la fotosíntesis», dijo el director de RIPE Stephen Long, presidente de la Universidad de Ikenberry Endowed. Biología Vegetal y Ciencias de Cultivos en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica de Illinois. «Observamos 14 cultivares de arroz que representan gran parte de la diversidad del cultivo y planteamos la pregunta: ¿podría haber variabilidad en la fotosíntesis en luz fluctuante que podríamos aprovechar?»

Publicado en New Phytologist , este trabajo es parte de Realizando el aumento de la eficiencia fotosintética (RIPE), un proyecto de investigación internacional que permite a los cultivos convertir la energía del sol en alimentos de manera más eficiente para aumentar la producción global de manera sostenible con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, el Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de la Alimentación y la Agricultura (FFAR), y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

«Si miras dentro del dosel de las hojas de cualquier cultivo, verás que la luz fluctúa en uno o dos órdenes de magnitud», dijo Long. «El acceso de la planta a la luz no solo se ve afectado por las nubes que oscurecen el sol de manera intermitente, sino mucho más comúnmente por sus propias hojas o las de una planta vecina, ya que el ángulo del sol cambia a lo largo del día. Los cálculos muestran que la ineficiencia fotosintética impuesta por estos las hojas que se ajustan lentamente a cada fluctuación de la luz pueden costar a los cultivos del 20 al 40 por ciento de su productividad potencial «.

La fotosíntesis varía mucho entre los cultivares de arroz: la diversidad natural podría aumentar los rendimientos
La estudiante graduada de la Universidad de Illinois, Liana Acevedo-Siaca, examinó 14 variedades diferentes de arroz para descubrir diferencias naturales en cómo las plantas aprovechan la energía de la luz para fijar el dióxido de carbono en los alimentos. En un estudio reciente, encontró una diferencia del 117 por ciento en las condiciones de luz fluctuantes, lo que sugiere un nuevo rasgo para la selección del criador. Crédito: Instituto Internacional de Investigación sobre el Arroz

Los investigadores compararon los resultados de las condiciones de luz constantes y fluctuantes y no encontraron correlación, lo que respalda los hallazgos de un estudio de 2019 sobre la yuca . En otras palabras, las variedades que funcionan bien en luz fluctuante podrían no hacerlo bien en luz constante y viceversa, lo que sugiere que la selección de estos rasgos debe realizarse de forma independiente.

«Esta falta de correlación, que parece ser consistente en todas las especies, nos obliga a cambiar la forma en que pensamos sobre el estudio de la fotosíntesis», dijo la primera autora Liana Acevedo-Siaca, una estudiante graduada en la Facultad de Agricultura, Consumo y Ciencias Ambientales. (ACES) «En el futuro, necesitamos incorporar mediciones más dinámicas en la forma en que entendemos la fotosíntesis, especialmente en un entorno agrícola, porque en realidad esas plantas nunca están en estado estacionario».

El equipo también evaluó cómo estas plantas hacen frente a las fluctuaciones en la intensidad de la luz en los cinco grupos principales de arroz, a veces considerados subespecies. Si bien ningún grupo parecía mejor que el otro en general, el equipo cree que se podrían encontrar variaciones en futuras investigaciones.

En este estudio, tres parámetros fotosintéticos fueron de particular interés: la velocidad de inducción (qué tan rápido se activa o comienza la fotosíntesis), la velocidad de asimilación (qué tan rápido la planta fija físicamente el carbono en azúcar) y qué tan eficientemente estas plantas de arroz usan agua.

Después de cambiar de poca luz a alta luz, una variedad activó (o comenzó la fotosíntesis) un 117 por ciento más rápido que la más lenta. En condiciones de luz fluctuante, otra variedad del grupo Indica asimiló más del doble que la variedad «peor» (también Indica ), que resultó ser la variedad más eficiente en el uso del agua.

«Sorprendentemente, después de hacer un análisis más detallado de estas accesiones, junto con un control bien estudiado llamado IR64 de Filipinas, descubrimos que la bioquímica es la mayor limitación para la eficiencia, ya que deja la transición de la sombra al sol», dijo Long. «La bioquímica es una limitación completamente diferente a la encontrada en un estudio paralelo de yuca, que ilustra la necesidad de ajustar la fotosíntesis por separado en diferentes especies de cultivos, a pesar del hecho de que el proceso fotosintético generalmente está bien conservado y es consistente en la mayoría de los cultivos alimentarios». «

Según Acevedo-Siaca, el siguiente paso es identificar cómo criar (o diseñar) arroz con respuestas de inducción más rápidas.

«Al final del día, el objetivo sería tener plantas que puedan responder más rápidamente a las fluctuaciones de la luz para que puedan ser más productivos», dijo Acevedo-Siaca, un receptor de 2016 de la Beca Borlaug de los Estados Unidos en Seguridad Alimentaria Global que la apoyó para llevar a cabo gran parte de esta investigación en IRRI. «Estoy interesado en las formas en que podemos mejorar este proceso al tiempo que conservamos parte del germoplasma que tenemos. Hay tanta diversidad con la que podríamos trabajar. Creo que sería una pena si no examinamos todas nuestras opciones mas profundo.»

Long también publicó un estudio histórico en Science que mostró que los cultivos no están totalmente adaptados para lidiar con las condiciones dinámicas de luz en los campos, y ayudarlos a aumentar la productividad de los cultivos hasta en un 20 por ciento. El proyecto RIPE y sus patrocinadores se comprometen a garantizar el acceso global y hacer que las tecnologías del proyecto estén disponibles para los agricultores que más las necesitan.


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