El estrés por sequía ha sido durante mucho tiempo un factor limitante para la producción agrícola en todo el mundo, un desafío exacerbado por el cambio climático.
por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Durante más de un siglo, los científicos han puesto el foco en una característica clave de las plantas, conocida como eficiencia en el uso del agua (WUE, por sus siglas en inglés), para ayudar a los cultivos a crecer con menos agua y evitar sufrir estrés por sequía. Una mayor WUE puede ayudar a las plantas a evitar el estrés por sequía, pero para la mayoría de los cultivos también se asocia con una menor productividad cuando el agua es abundante.
En un par de estudios publicados en el Journal of Experimental Botany , investigadores del Centro para la Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) utilizaron ingeniería genética para avanzar en la mejora de la WUE en cultivos de bioenergía C4 respetuosos con el clima sin sacrificar el rendimiento, un avance significativo para el desarrollo de una bioeconomía sostenible.
En el primer estudio, el equipo del CABBI logró reducir la cantidad de agua que se escapa de las plantas de sorgo al disminuir la cantidad de estomas, o poros, en la superficie de las hojas, mejorando la eficiencia de la energía sin limitar la fotosíntesis ni la producción de biomasa. Los investigadores insertaron un gen en las plantas que alteró su patrón de desarrollo y redujo la densidad estomática.
“Con las especies C4, creemos que podemos obtener un almuerzo gratis. Podemos mejorar la eficiencia del uso del agua sin tener que comprometer el crecimiento de la planta cuando tiene suficiente agua. Y ese es un caso especial”, dijo el director de CABBI, Andrew Leakey, líder del equipo en los dos estudios.
Los investigadores del segundo estudio descubrieron que la reducción de la densidad estomática en la caña de azúcar y otros cultivos C4 coincidió con una mayor apertura de los poros, lo que contrarrestó parte de la mejora esperada en la eficiencia de uso de los nutrientes.
Esta imagen de los estomas de una gramínea C4 ilustra cómo se abren para absorber CO2 para la fotosíntesis, pero también pierden agua. Los estudios de CABBI publicados en el Journal of Experimental Botany demostraron que la reducción de la densidad estomática en cultivos C4 mejoraba la eficiencia del uso del agua (EUA) sin afectar el rendimiento, pero coincidió con que los poros se abrieran más, lo que contrarrestó algunas mejoras esperadas en la EUA. El descubrimiento representa un nuevo objetivo valioso para diseñar una planta aún más eficiente. Crédito: Daniel Lunn/Centro para la Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI)
El mecanismo subyacente de esta respuesta no se comprende del todo, por lo que el descubrimiento representa un nuevo objetivo valioso para diseñar una planta aún más eficiente.
En conjunto, estos hallazgos ayudarán a maximizar la producción de materia prima para bioenergía, ayudarán a los cultivos a mitigar los efectos del suministro inadecuado de agua y abrirán nuevas vías de investigación vegetal, dijo Leakey, presidente de la Cátedra Michael Aiken y profesor en los Departamentos de Biología Vegetal y Ciencias de Cultivos y el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB) en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
“Esto brinda una oportunidad emocionante para nuevos descubrimientos científicos y estrategias de ingeniería”, dijo el investigador postdoctoral de CABBI, Daniel Lunn, de Biología Vegetal, IGB y el Centro de Agricultura Digital de Illinois, autor principal del estudio de la caña de azúcar.
Entre los principales colaboradores de CABBI en esta investigación se encuentran Tom Clemente, codirector de producción de materia prima y profesor distinguido de biotecnología Eugene W. Price en la Universidad de Nebraska, y Fredy Altpeter, profesor de agronomía en la Universidad de Florida. El autor principal del artículo sobre el sorgo fue John Ferguson, ex investigador postdoctoral en IGB.
Durante la fotosíntesis en las plantas, se captura la energía de la luz y se utiliza para convertir el agua y el dióxido de carbono (CO 2 ) en compuestos orgánicos ricos en energía.
La eficiencia en el uso del agua se refiere a la cantidad de carbono fotosintético que una planta obtiene (o, en términos más generales, a la cantidad de biomasa que produce) en relación con la cantidad de agua que utiliza. En estos estudios, los investigadores se centraron en el nivel de las hojas, midiendo la cantidad de agua y CO2 que entra y sale por los estomas.
En la gran mayoría de las plantas, y en la gran mayoría de los esfuerzos para aumentar la eficiencia energética de las plantas, los científicos se enfrentan a un dilema que frena la mejora de los cultivos: hacer que sean más eficientes en el uso del agua reduce su productividad inherente, la ganancia de carbono fotosintético y la tasa de crecimiento. “Y por eso les va mejor cuando no tienen suficiente agua, pero les va peor cuando sí la tienen. Desde una perspectiva agrícola más amplia, se trata de un dilema bastante indeseable”, dijo Leakey.
Pero los cultivos C4 (entre ellos el sorgo, la caña de azúcar y el miscanthus, cultivos bioenergéticos de los que se ocupa CABBI) tienen una estructura diferente. Tienen una “versión de fotosíntesis con inyección de combustible” que concentra el CO2 dentro de la hoja antes de capturarlo, “mientras que la mayoría de las plantas son como un Ford Modelo T, que funciona con un motor de aspiración natural”, dijo Leakey.
Aunque los cultivos C4 representan solo el 5% de todas las especies vegetales, son cada vez más vitales para la producción agrícola de alimentos, combustibles y fibras. Son ejemplos importantes de cultivos de biomasa emergentes, como la caña de azúcar y el miscanthus, que capturan carbono y proporcionan una base para la elaboración de bioproductos.
Con la nueva investigación de WUE, “tomamos las plantas que ya tienen una ventaja como cultivos y luego potencialmente las hacemos aún mejores sin ninguna restricción en la ganancia de carbono”, dijo Leakey.
El equipo está explorando este enfoque de ingeniería en más especies de plantas de CABBI y afinando el diseño. El trabajo pionero sobre el miscanthus realizado por otros investigadores del equipo de Producción de Materias Primas de CABBI (secuenciando el genoma del miscanthus y desarrollando las primeras técnicas de edición genética) “nos permitirá aplicar esta estrategia de ingeniería en un cultivo perenne emergente y muy importante que es capaz de secuestrar una gran cantidad de carbono”, dijo Leakey.
“Superar las limitaciones de agua para la producción de cultivos es realmente fundamental para lograr nuestra misión de respaldar una bioeconomía rentable, sostenible y resiliente”, añadió.
Las hojas, las raíces y otras características de las plantas han evolucionado para lidiar con el equilibrio fundamental entre la ganancia de carbono y la pérdida de agua en la fotosíntesis, y esos procesos tienen un impacto determinante en dónde pueden crecer los cultivos sin riego, dijo Leakey.
El desarrollo de cultivos que necesitan entre un 10% y un 20% menos de agua podría expandir la región agrícola de secano de Estados Unidos más al oeste y permitir a los agricultores de la zona de cultivo actual mantener cosechas rentables incluso en años sin suficientes precipitaciones, una amenaza más frecuente bajo el cambio climático.
“Parte de lo que estamos tratando de hacer aquí es mantener una mayor productividad en momentos y lugares donde el suministro de agua es inadecuado”, dijo Leakey.
Más información: John N Ferguson et al, Reducing stomal dense by expression of a Synthetic epidermal patterning factor increase leaf intrinsic water use efficient and reduces plant water use in a C4 crop, Journal of Experimental Botany (2024). DOI: 10.1093/jxb/erae289
Daniel Lunn et al., Una mayor apertura contrarresta los efectos de la densidad estomática reducida en la eficiencia del uso del agua: un estudio de caso sobre la caña de azúcar y un metanálisis, Journal of Experimental Botany (2024). DOI: 10.1093/jxb/erae271
