Hace más de 3.000 millones de años, en una Tierra totalmente cubierta de agua, la fotosíntesis evolucionó por primera vez en bacterias antiguas.
En los millones de años siguientes, esas bacterias evolucionaron hasta convertirse en plantas, optimizándose a lo largo del camino para diversos cambios ambientales.
Esta evolución se vio interrumpida hace unos 30 millones de años por la aparición de una forma nueva y mejor de realizar la fotosíntesis. Mientras que plantas como el arroz siguieron utilizando una antigua forma de fotosíntesis conocida como C3, otras como el maíz y el sorgo desarrollaron una versión más nueva y eficiente llamada C4.
En la actualidad existen más de 8000 especies de plantas C4 diferentes , que crecen especialmente bien en climas cálidos y secos y son algunas de las especies de cultivo más productivas del mundo. Sin embargo, la gran mayoría de las plantas todavía funcionan con la fotosíntesis C3. Entonces, ¿cómo surgieron las plantas C4 y podrían las plantas C3 recibir alguna vez una actualización similar?
Ahora, por primera vez, los científicos de Salk y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge descubrieron un paso clave que las plantas C4 como el sorgo debían dar para evolucionar y volverse tan eficientes en la fotosíntesis, y cómo podríamos usar esta información para hacer que cultivos como el arroz, el trigo y la soja sean más productivos y resistentes al calentamiento global.
Los hallazgos fueron publicados en Nature el 20 de noviembre de 2024.
«Preguntarse qué hace que las plantas C3 y C4 sean diferentes no sólo es importante desde la perspectiva biológica básica de querer saber por qué algo evolucionó y cómo funciona a nivel molecular «, dice el profesor Joseph Ecker, autor principal del estudio, presidente del Consejo Internacional Salk en Genética e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
«Responder a esta pregunta es un gran paso hacia la comprensión de cómo podemos lograr cultivos más robustos y productivos posibles frente al cambio climático y al crecimiento de la población mundial».
Alrededor del 95% de las plantas utilizan la fotosíntesis C3, en la cual las células del mesófilo (células esponjosas verdes que viven dentro de las hojas) convierten la luz, el agua y el dióxido de carbono en azúcares que dan energía a las plantas.
A pesar de su alta prevalencia, la fotosíntesis C3 tiene dos deficiencias importantes:
- El 20% de las veces, se utiliza accidentalmente oxígeno en lugar de dióxido de carbono y debe reciclarse, lo que ralentiza el proceso y desperdicia energía, y
- Los poros de la superficie de las hojas se abren con demasiada frecuencia mientras esperan que entre el dióxido de carbono, lo que hace que la planta pierda agua y se vuelva más vulnerable a la sequía y al calor.
Afortunadamente, la evolución ha resuelto estos problemas con la fotosíntesis C4. Las plantas C4 reclutan células de la vaina del haz, que normalmente sirven como soporte de las venas de las hojas, para realizar la fotosíntesis junto con las células del mesófilo. Como resultado, las plantas C4 eliminan esos errores en el uso del oxígeno para conservar energía y mantienen los poros de la superficie de la planta cerrados con mayor frecuencia para conservar agua. El resultado es un aumento del 50% en la eficiencia en comparación con las plantas C3.
Pero, a nivel molecular, ¿qué hizo que las plantas C3 se convirtieran en plantas C4? ¿Podrían los científicos lograr que los cultivos C3 se convirtieran en cultivos C4?
Para responder a estas preguntas, los científicos de Salk emplearon tecnología de genómica unicelular de vanguardia para observar la diferencia entre el arroz C3 y el sorgo C4. Si bien los métodos anteriores eran demasiado imprecisos para distinguir las células vecinas, como las células del mesófilo y las células de la vaina del haz, la genómica unicelular permitió al equipo investigar los cambios genéticos y estructurales en cada tipo de célula de ambas plantas.
«Nos sorprendió y nos emocionó descubrir que la diferencia entre las plantas C3 y C4 no es la eliminación o adición de genes específicos», dice Ecker. «Más bien, la diferencia está en un nivel regulatorio, lo que podría facilitarnos a largo plazo la activación de una fotosíntesis C4 más eficiente en los cultivos C3».
Todas las células de un organismo contienen los mismos genes, pero los genes que se expresan en un momento dado son los que determinan la identidad y la función de cada célula.
Una forma de modificar la expresión genética es mediante la actividad de los factores de transcripción. Estas proteínas reconocen y se unen a pequeñas porciones de ADN cerca de los genes, llamadas elementos reguladores. Una vez en posición en el elemento regulador, un factor de transcripción puede ayudar a activar o desactivar los genes cercanos.
Al medir la expresión génica en plantas de arroz y sorgo, los científicos descubrieron que una familia de factores de transcripción, comúnmente conocidos como DOF, era la encargada de activar los genes que producen células de la vaina del haz en ambas especies. También observaron que los DOF se unían al mismo elemento regulador en ambas especies.
Sin embargo, en las plantas de sorgo C4, este elemento regulador no solo estaba asociado con los genes de identidad de la vaina del haz, sino que también activaba los genes de la fotosíntesis. Esto sugería que en algún momento las plantas C4 habían añadido elementos reguladores ancestrales para los genes de la vaina del haz a los genes de la fotosíntesis, de modo que los grados de libertad activaban ambos conjuntos de genes al mismo tiempo. Esto explicaría cómo las células de la vaina del haz en las plantas C4 adquirieron la capacidad de realizar la fotosíntesis.
Estos experimentos revelaron que tanto las plantas C3 como las C4 contienen los genes y factores de transcripción necesarios para el proceso superior de fotosíntesis C4, un descubrimiento prometedor para los científicos que esperan impulsar a las plantas C3 a utilizar la fotosíntesis C4.
«Ahora tenemos un modelo de cómo las distintas plantas utilizan la energía del sol para sobrevivir en distintos entornos», afirma Joseph Swift, coautor principal del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio de Ecker. «El objetivo final es intentar activar la fotosíntesis C4 y, a su vez, crear cultivos más productivos y resistentes para el futuro».
El próximo objetivo del equipo es determinar si se puede diseñar el arroz para que utilice la fotosíntesis C4 en lugar de C3. Se trata de un objetivo a muy largo plazo con importantes desafíos técnicos que se están abordando mediante un esfuerzo colaborativo mundial conocido como el » Proyecto del arroz C4 «.
De manera más inmediata, los hallazgos informarán la misión de la Iniciativa Salk de Aprovechamiento de Plantas para crear cultivos optimizados que combatan y resistan simultáneamente la amenaza del cambio climático.
Sus datos genómicos de células individuales también se han compartido como recurso para científicos de todo el mundo, generando rápidamente entusiasmo por sus respuestas a este antiguo misterio de la evolución.
Más información: Julian Hibberd, La exaptación de redes de identidad celular ancestrales permite la fotosíntesis C4, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3 . www.nature.com/articles/s41586-024-08204-3
