Un estudio dirigido por científicos de la Universidad de Liverpool ha revelado una nueva forma de mejorar el crecimiento de los cultivos, enfrentando un desafío importante para aumentar la productividad de los cultivos en un clima cambiante con una población en crecimiento.
por la Universidad de Liverpool
Con los niveles globales de dióxido de carbono (CO 2 ) en aumento y la población prevista para llegar a casi 10 000 millones para 2050, el equipo de investigadores del profesor Luning Liu utilizó biología sintética y técnicas de ingeniería de plantas para mejorar la fotosíntesis, creando una plantilla que se puede usar en una masa escala.
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas utilizan el CO 2 atmosférico para crear nutrientes, que son cruciales para el crecimiento y el ecosistema global. El artículo recién publicado detalla cómo el equipo de científicos ha mejorado Rubisco, una enzima clave presente en la fotosíntesis que convierte el CO 2 en energía. Por lo general, Rubisco es ineficiente y limita la fotosíntesis en los principales cultivos. Sin embargo, muchos microorganismos, incluidas las bacterias, han desarrollado sistemas eficientes, denominados «mecanismos de concentración de CO 2 «, para mejorar Rubisco.
Ingeniería sintética de α-carboxisomas en cloroplastos de tabaco. una representación esquemática de las estrategias de introducción de carboxisomas y transportadores de bicarbonato en los cloroplastos de las plantas y la eliminación del CA cloroplástico para instalar un CCM completo para mejorar la fijación de carbono fotosintético y el rendimiento de las plantas. b Organización génica de la construcción que expresa α-carboxisoma para la expresión del cloroplasto del tabaco y el locus rbcL en el genoma del cloroplasto del tabaco de tipo salvaje (WT). La construcción que expresa α-carboxisoma contiene nueve genes que codifican Rubisco ( cbbL y cbbS ), la proteína enlazadora CsoS2 ( csoS2 ), anhidrasa carbónica ( csoSCA ), hexámeros de concha (CsoS1A/B/C ) y proteínas pentaméricas ( csoS4A/B ). Los genes se agruparon en tres operones impulsados por NtPrbcL (promotor nativo de rbcL en Nicotiana tabacum ), CrPrrn (promotor de ARN ribosomal en Chlamydomonas reinhardtii ) y CrPpsbA (promotor de psbA en C. reinhardtii ), respectivamente. El gen de la estreptomicina/espectinomicina adenililtransferasa ( aadA ) fue impulsado por el promotor del operón de ARNr del plástido del tabaco (P rrn ) 73 . Se enumeraron los elementos de expresión intercistrónicos (IEE), la secuencia SD (Shine-Dalgarno) y los terminadores (T).At , Os y Cr indican Arabidopsis thaliana , Oryza sativa y C. reinhardtii , respectivamente. c , d El análisis de transferencia Southern ( c ) y la germinación de semillas ( d ) verificaron la integración exitosa del transgén y la homoplasmia de las tres plantas transplastómicas obtenidas. El ADN genómico se digirió mediante SpeI y se hibridó con sondas marcadas con digoxigenina del promotor (Pp) y el terminador (Pt) de rbcL en N. tabacum como se indica en ( b ). La germinación de semillas se realizó en medio Murashige y Skoog (MS) que contenía 500 mg L–1 espectinomicina. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen. Crédito: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37490-0
Inspirándose en la naturaleza, el equipo ha diseñado con éxito un Rubisco catalíticamente más rápido tomado de bacterias, en células de plantas de tabaco que realizan la fotosíntesis para apoyar el crecimiento de las plantas. El nuevo método mejora la estabilidad y la capacidad de Rubisco para convertir el CO 2 en energía, lo que permite que las plantas prosperen aún más. Los cambios en la enzima también aumentan potencialmente la capacidad de las plantas para absorber CO2 , lo que ayuda a respaldar el esfuerzo global para abordar el cambio climático.
El profesor Luning Liu, del Departamento de Bioquímica y Biología de Sistemas de la Universidad de Liverpool, dijo: «Estamos muy entusiasmados con este avance. En general, nuestros hallazgos proporcionan una prueba de concepto para una ruta para mejorar el desarrollo y la producción de cultivos que pueden soportar cambios climáticos y satisfacer las crecientes necesidades alimentarias de la población mundial en expansión».
Este último estudio sigue el intento reciente del equipo de diseñar el Rubisco más rápido a partir de bacterias para apoyar el crecimiento de las plantas.
La investigación se publica en la revista Nature Communications .
Más información: Yongjun Lin, Ingeniería de α-carboxisomas en cloroplastos de plantas para apoyar la fotosíntesis autotrófica, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37490-0 . www.nature.com/articles/s41467-023-37490-0
