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Los científicos descubren la clave genética para cultivos eficientes

Los científicos descubren la clave genética para cultivos eficientes
Sección transversal de una hoja de maíz madura que muestra la anatomía de Kranz (en alemán, corona) alrededor de una gran vena. Las células de la vaina del haz (rojo más claro) rodean el núcleo vascular (azul claro). Las células del mesófilo (rojo oscuro) rodean las células de la vaina del haz. La interacción y cooperación entre el mesófilo y la vaina del haz es esencial para el mecanismo fotosintético C4. Crédito: Thomas Slewinski

(Phys.org) —Con proyecciones de 9.500 millones de personas para el 2050, la humanidad enfrenta el desafío de alimentar a más bocas con dietas modernas mientras usa las mismas cantidades de agua, fertilizantes y tierra cultivable que en la actualidad.


por Krishna Ramanujan, Universidad de Cornell


Los investigadores de Cornell han dado un salto hacia la satisfacción de esas necesidades al descubrir un gen que podría conducir a nuevas variedades de cultivos básicos con rendimientos un 50 por ciento más altos.

El gen, llamado Espantapájaros, es el primero que se descubre para controlar una estructura especial de la hoja, conocida como anatomía de Kranz, que conduce a una fotosíntesis más eficiente . Las plantas realizan la fotosíntesis utilizando uno de dos métodos: C3, un método antiguo menos eficiente que se encuentra en la mayoría de las plantas, incluidos el trigo y el arroz; y C4, una adaptación más eficiente empleada por gramíneas, maíz, sorgo y caña de azúcar que se adapta mejor a la sequía, la luz solar intensa, el calor y la escasez de nitrógeno.

«Los investigadores han estado tratando de encontrar la genética subyacente de la anatomía de Kranz para que podamos diseñarla en cultivos C3», dijo Thomas Slewinski, autor principal de un artículo que apareció en línea en noviembre en la revista Plant and Cell Physiology . Slewinski es investigador postdoctoral en el laboratorio del autor principal Robert Turgeon, profesor de biología vegetal .

El hallazgo «proporciona una pista sobre cómo se regula toda esta clave anatómica», dijo Turgeon. «Aún queda mucho por aprender, pero ahora la puerta del granero está abierta y verá gente trabajando en este camino del Espantapájaros». La promesa de transferir los mecanismos C4 a las plantas C3 se ha perseguido y financiado fervientemente a escala mundial durante décadas, agregó.

Si la fotosíntesis C4 se transfiere con éxito a las plantas C3 a través de la ingeniería genética , los agricultores podrían cultivar trigo y arroz en ambientes más cálidos y secos con menos fertilizante, mientras que posiblemente aumenten los rendimientos a la mitad, dijeron los investigadores.

La fotosíntesis C3 se originó en un momento de la historia de la Tierra cuando la atmósfera tenía una alta proporción de dióxido de carbono. Las plantas C4 han evolucionado independientemente de las plantas C3 unas 60 veces en diferentes momentos y lugares. La adaptación C4 involucra la anatomía de Kranz en las hojas, que incluye una capa de células envolventes especiales que rodean las venas y una capa externa de células llamada mesófilo. Las células de la vaina del paquete y las células del mesófilo cooperan en una versión de la fotosíntesis en dos pasos, utilizando diferentes tipos de cloroplastos.

Al observar de cerca la evolución y la anatomía de las plantas, Slewinski reconoció que las células de la vaina del haz en las hojas de las plantas C4 eran similares a las células endodérmicas que rodeaban el tejido vascular en raíces y tallos.

Slewinski sospechaba que si C4 deja genes endodérmicos compartidos con raíces y tallos, la genética que controlaba esos tipos de células también podría compartirse. Slewinski buscó líneas experimentales de maíz con genes de Espantapájaros mutantes, que sabía que gobernaban las células endodérmicas en las raíces. Cuando los investigadores cultivaron esas plantas, primero identificaron problemas en las raíces y luego verificaron anomalías en la vaina del haz. Descubrieron que las hojas de los mutantes del Espantapájaros tenían células de la vaina de haz anormales y proliferadas y venas irregulares.

En todas las plantas, una enzima llamada RuBisCo facilita una reacción que captura el dióxido de carbono del aire, el primer paso para producir sacarosa, el producto rico en energía de la fotosíntesis que alimenta la planta. Pero en las plantas C3, RuBisCo también facilita una reacción competitiva con el oxígeno, creando un subproducto que debe degradarse, a un costo de aproximadamente 30-40 por ciento de eficiencia general. En las plantas C4 , la fijación de dióxido de carbono tiene lugar en dos etapas. El primer paso ocurre en el mesófilo, y el producto de esta reacción se transporta a la vaina del haz para el paso RuBisCo. El paso de RuBisCo es muy eficiente porque en las células de la vaina del haz, la concentración de oxígeno es baja y el dióxido de carbono la concentración es alta. Esto elimina el problema de la reacción competitiva del oxígeno, lo que hace que la planta sea mucho más eficiente.



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