Inundada en un mar remado de sus hermanos, una hoja de maíz relegada al peldaño más bajo de su tallo pasa gran parte de una tarde de junio empapada en la sombra proyectada por los superiores.
por Scott Schrage, Universidad de Nebraska-Lincoln
Luego, una ráfaga comienza a empujar, tirar y torcer las alas de cera al unísono, abriendo una ventana a la bola de fuego que se desplaza a 93 millones de millas de distancia. Es una excelente y preciosa oportunidad para que la fotosíntesis transforme la luz del sol en alimento. Desafortunadamente, el equivalente fotosintético de un protector contra sobretensiones, uno desarrollado para ayudar a las plantas a mitigar el daño provocado por picos repentinos de luz de alta intensidad, tarda en restablecerse después de tanto tiempo en la sombra. La ráfaga se disipa, el momento pasado antes de que la hoja y su cocina celular puedan aprovechar.
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El valor de un verano de esas oportunidades diminutas pero perdidas para cosechar luz puede costarles a los campos de maíz, y a quienes los cultivan, una parte considerable de las cosechas potenciales que producen en el otoño. Al identificar y medir recientemente la influencia de nuevos genes que regulan el protector contra sobretensiones, Kasia Glowacka y sus colegas de la Universidad de Nebraska-Lincoln podrían ayudar a aumentar esos rendimientos en más del 20%.
Lo cual no es para restar importancia a la protección, que se conoce con el nombre de extinción no fotoquímica, o NPQ, y puede transformar la luz en calor cada vez que una planta absorbe más de la primera de la que puede destinar a la fotosíntesis. Después de todo, no cortar el circuito bioquímico puede conducir a una acumulación tóxica de oxígeno ultrarreactivo que daña el ADN e incluso puede matar una célula. Pero la medida de seguridad tiene un inconveniente: cuanto más lento es relajarse y volver a dejar que la luz absorbida alimente la fotosíntesis, más de esa luz que otorga energía se desperdicia.
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«Cuando piensas desde la perspectiva de un cloroplasto en una célula vegetal , la vida es realmente difícil», dijo Glowacka, profesor asistente de bioquímica en Nebraska. «Cada pocos segundos, el entorno está cambiando».
En 2016, Glowacka contribuyó a un estudio que demostró que aumentar la actividad de tres genes particulares permitía que las plantas de tabaco activaran y desactivaran el NPQ a un ritmo mucho más rápido, otorgándole una mejor protección y una fotosíntesis más eficiente. Ese tabaco, a su vez, produjo hojas aproximadamente un 20% más grandes, y las simulaciones sugirieron que podrían ser posibles ganancias aún mayores. La investigación de seguimiento encontró que la misma técnica podría generar beneficios similares en la soja, no solo para las hojas, sino también para los frijoles.
Pero el tabaco y la soya emplean una forma diferente de fotosíntesis que el maíz, el sorgo, la caña de azúcar y varios otros cultivos más adecuados para condiciones cálidas y secas, cultivos cuyos rendimientos deben aumentar para ayudar a alimentar a los 10 mil millones de personas que se espera que habiten el mundo para 2050. Glowacka se preguntó. si los genes que codificaban para la actividad NPQ en uno podrían desempeñar el mismo papel en el otro. Incluso si lo hicieran, Glowacka y James Schnable de Nebraska pensaron que debe haber otros genes que ayuden en un proceso tan complejo como el NPQ.
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Tenían razón. Su descubrimiento comenzó trabajando duro en los campos durante los veranos de 2020 y 2021, cuando el equipo plantó más de 700 líneas de maíz genéticamente diferentes en Havelock Research Farm en el noreste de Lincoln. El plan de Glowacka: buscar diferencias en el rendimiento de NPQ entre las líneas, luego tratar de descubrir qué genes fueron los responsables en última instancia de esas diferencias. Aun así, Glowacka sabía que los métodos existentes para medir el NPQ eran costosos y requerían mucho tiempo. Más que eso, lucharon para aplanar las disparidades diarias en la exposición a la luz de cada línea, lo que podría estropear la validez de cualquier hallazgo.
En lugar de conformarse, Glowacka desarrolló su propio método. El equipo usó un perforador modificado para extraer pequeñas muestras de las hojas de cada línea en el campo. De vuelta en el laboratorio, los investigadores dieron a las muestras de tejido casi un día para que se adaptaran a la oscuridad, y finalmente midieron su fluorescencia, un indicador de la fotosíntesis y NPQ, antes y después de exponerlas a destellos de luz. En lugar de medir una muestra cada 20 minutos, el equipo pudo manejar 96 muestras en el mismo lapso.
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Los investigadores encontraron que la velocidad y la magnitud de las respuestas de NPQ variaban ampliamente entre las líneas, un hecho que ayudó a facilitar la búsqueda de nuevos genes que pudieran impulsar esa variación en el maíz. Una comparación del código genético de las líneas , con referencias cruzadas contra las diferencias en el rendimiento de NPQ, finalmente reveló seis genes candidatos prometedores. Varios de esos candidatos ya estaban familiarizados con el equipo. Otros no lo fueron, incluido uno llamado PSI3, que introdujo más de esa variación que cualquier otro candidato.
Después de identificar las contrapartes de esos seis genes en Arabidopsis, una planta con flores comúnmente utilizada para estudiar la biología de las plantas , el equipo procedió a ordenar mutantes: semillas de Arabidopsis, cada una de las cuales carecía de uno de los seis genes. En los seis mutantes, el protector contra sobretensiones generalmente era lento para responder bajo las luces, pero también más lento para relajarse cuando se apagaban las luces. Los picos de NPQ también eran típicamente más bajos y los valles más altos, lo que sugiere que las plantas amortiguaron menos contra los aumentos repentinos y desperdiciaron más luz disponible para la fotosíntesis.
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La identificación de esos genes, combinada con la cantidad de variación natural de NPQ en las líneas de maíz, podría abrir el camino para la reproducción de plantas mucho mejores para capitalizar la luz solar que aumenta el rendimiento, dijeron los investigadores. En el mejor de los casos, dijo Schnable, esos esfuerzos podrían dar sus frutos en tan solo media docena de años.
Si lo hacen, los resultados podrían resultar de gran ayuda para los mejoradores de cultivos que ahora investigan todas y cada una de las posibilidades para evitar la escasez mundial de alimentos en las próximas décadas.
«Podemos obtener el 22% de ese rendimiento de los cultivos, potencialmente, si aceleráramos el NPQ», dijo Glowacka.
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Dado que los investigadores iniciaron el estudio a principios de 2020, sus intentos de ayudar a detener una crisis global inminente significaban lidiar con una contemporánea. Dos de los miembros del equipo, Seema Sahay y Marcin Grzybowski, acababan de llegar a los Estados Unidos, tan recientemente que ninguno había obtenido todavía una licencia de conducir. Antes de COVID-19, los dos habrían viajado en autostop a Havelock Research Farm.
Sin embargo, los protocolos universitarios diseñados para frenar la propagación del virus suspenden temporalmente esa opción. Sin inmutarse, Sahay y Grzybowski recurrieron regularmente a andar en bicicleta aproximadamente siete millas hasta la granja de investigación, una caminata de más de 30 minutos en medio del calor y la humedad del verano de Nebraska.
«Seema y Marcin», dijo Glowacka, «son los verdaderos héroes de este experimento».
El estudio se publica en la revista New Phytologist .
Más información: Seema Sahay et al, Control genético de la fotoprotección y la eficiencia operativa del fotosistema II en plantas, New Phytologist (2023). DOI: 10.1111/nph.18980
