Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Manteniendo las plantas alimentadas: el funcionamiento de un sistema de respaldo de fotosíntesis


La fotosíntesis es cómo las plantas ‘hacen su comida’ y alimentan al resto del planeta. El ingrediente clave en esa receta es el carbono. Por lo tanto, el proceso de captura la energía del sol, que luego se utiliza para arrancar el carbono de CO atmosférico 2 .


Igor Houwat, Thomas D. Sharkey, Universidad Estatal de Michigan


Pero el viaje de la luz solar a alimentar al planeta no es una línea recta. Es más una serie de rutas y desvíos que llevan a la línea de meta. La razón es que las cosas pueden salir mal. La calidad de la luz cambia, o se seca o se enfría demasiado. Estos cambios pueden ralentizar o dañar la fotosíntesis. Por lo tanto, las plantas tienen copias de seguridad para evitar estas situaciones.

Los científicos quieren conocer estos entresijos para mejorar la fotosíntesis. El objetivo general es crear plantas con mejores rendimientos para alimentar a nuestra población en rápido crecimiento.

Ahora, los investigadores del Laboratorio de Investigación de Plantas (PRL, por sus siglas en inglés) de MSU-DOE arrojaron más luz sobre una de las copias de respaldo que apoyan la fotosíntesis en condiciones difíciles. El estudio se publica en Plant Physiology.

Carbono: el fabricante de dinero de la planta.

Las plantas introducen carbono en su dieta a través de un proceso fotosintético conocido como el ciclo de Calvin-Benson. Esta serie de reacciones mezcla el carbono con otros productos químicos para producir nuevos compuestos, como el almidón o los azúcares, que sostienen las plantas y el resto de la cadena alimentaria.

El carbono es verdaderamente clave para tener vida en la Tierra.

Sin embargo, dos de cada cinco veces, el ciclo recoge oxígeno en lugar de dióxido de carbono. Ese hipo, llamado oxigenación, crea compuestos que las plantas no pueden usar para crecer. Peor aún, detiene el ciclo.

Las plantas tienen que limpiar esos compuestos y volver a introducirlos en el ciclo para que puedan reiniciarse. El esfuerzo cuesta tiempo y energía y requiere mover los compuestos a sitios de limpieza especiales en otras partes de la celda.

«El ciclo Calvin-Benson tiene copias de seguridad integradas para reiniciar rápidamente el proceso cada vez que se ralentiza», dice Tom Sharkey, Profesor Distinguido de la Universidad de la PRL. «La mejor manera es una derivación , una serie de reacciones secundarias que mantienen un bajo flujo de productos de carbono en el ciclo. Eso asegura que el ciclo se reinicie lo más rápido posible».

Ahora, el laboratorio de Sharkey, que utiliza plantas que no pueden limpiar los compuestos producidos por la oxigenación, arroja más luz sobre cómo funciona la derivación y cómo necesita energía fotosintética adicional para funcionar.

Mantener las plantas alimentadas: el funcionamiento de un sistema de respaldo de fotosíntesis
El ciclo de Calvin-Benson generalmente procesa carbono en el área sombreada. Un mutante defectuoso procesa parcialmente el carbono fuera del área. El carbono se reintroduce en el área sombreada, y la derivación (flechas rojas en el área sombreada) bombea parte de ella al ciclo. Crédito: laboratorio de Sharkey

La derivación: mantener a salvo al hacedor de dinero.

Una analogía para la derivación es la luz piloto que se encuentra en los aparatos de gas más antiguos. Este pequeño flujo de gas mantiene la llama encendida a un nivel mínimo, de modo que cuando se suministra gas, el horno, el calentador de agua o la estufa se encienden muy rápidamente.

«La luz piloto podría parecer un desperdicio de gas», dice Tom. «Pero cumple una función importante al mantener el sistema listo para encenderse completamente muy rápidamente, sin que el usuario tenga que encontrar un fósforo para encender la llama».

Tom y otros dos laboratorios de la PRL, Kramer y Hu, examinaron las plantas mutantes con defectos en los compuestos de limpieza mezclados con oxígeno. Un mutante tenía una falla en uno de los sitios especiales de limpieza, el peroxisoma.

La mutación ralentizó el proceso de limpieza, lo que llevó a la planta a acumular malos compuestos a niveles mucho más altos en comparación con las plantas sanas.

Esa acumulación detuvo el ciclo de Calvin-Benson. Como la planta mutante no pudo reiniciar correctamente el ciclo, encontró una solución alternativa:

  1. La planta movió el carbono fuera del ciclo y hacia la célula de la planta;
  2. Procesó parcialmente el carbono de una manera similar a lo que ocurre en el ciclo;
  3. Reinsertó el carbón en el ciclo a través de una puerta trasera que se abrió para esta situación.
  4. La derivación agarró y luego bombeó parte de ese carbón nuevamente dentro del ciclo para ayudar a reiniciarlo.

«La mayor actividad de la derivación requiere energía extra», dice Tom. «La fotosíntesis compensa al aumentar la producción (de ATP) para alimentar la derivación y conducir el ciclo Calvin-Benson».

Cómo funciona la derivación en condiciones reales.

Aunque el mutante es una excepción, obligó a la planta a revelar soluciones que son difíciles de ver en plantas sanas.

«En las plantas sanas, el ciclo de Calvin-Benson solo funciona cuando hay luz», dice Tom. «Pero en la naturaleza, puede haber grandes cambios, como las nubes en movimiento, que hacen que la luz parpadee y desaparezca. En esas situaciones, es fácil colapsar el ciclo de Calvin-Benson. Creemos que la derivación desempeña un papel en el reinicio».

«Hoy en día, la electrónica ha hecho que el piloto se vuelva obsoleto», agrega Tom.

«De manera similar, una vez que entendamos completamente la derivación, tal vez podamos reemplazarla con un sistema más eficiente».

Tom concluye: «Tenemos suerte en la PRL. Este proyecto no habría sucedido si los otros laboratorios de PRL no me hubieran hecho preguntas sobre el ciclo de Calvin-Benson . Es poco común que haya tanta gente, especializada en diferentes partes. de la fotosíntesis, trabajando juntos bajo un mismo techo. Podemos salir de nuestras zonas de confort, hablar y colaborar en proyectos de investigación que de otra manera no surgirán «.



Más información: Jiying Li et al. Un bypass citosólico y una derivación G6P en plantas que carecen de reductasa de hidroxipiruvato peroxisomal, fisiología vegetal (2019). DOI: 10.1104 / pp.19.00256Proporcionado por la Universidad Estatal de Michigan


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