Biólogos de plantas han aumentado la productividad de los cultivos hasta en un 20% aumentando la cantidad de luz que las plantas usan en la fotosíntesis, un hallazgo que podría utilizarse para ayudar a satisfacer las futuras necesidades alimentarias del mundo.
Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, de la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) y de la Universidad de Illinois se enfocaron en tres genes involucrados en un proceso que las plantas usan para protegerse de daños cuando obtienen más luz. Así pueden usar más con seguridad. Al aumentar la expresión de esos genes, los científicos vieron aumentos del 14-20% en la productividad de plantas de tabaco modificadas en experimentos de campo.
Los investigadores describieron sus hallazgos en un artículo que se publicó el pasado jueves 17 de noviembre en la revista Science.
"El tabaco se utilizó como planta de cultivo modelo en este estudio porque es fácil de trabajar, pero estamos trabajando para hacer las mismas modificaciones en arroz y otros cultivos alimenticios", dijo el co-autor principal Krishna Niyogi, científico de Berkeley Lab de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrativa. "Los procesos moleculares que estamos modificando son fundamentales para que las plantas que llevan a cabo la fotosíntesis, por lo que esperamos ver un aumento similar en el rendimiento en otros cultivos".
Niyogi, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor de biología microbiana de UC Berkeley, se asoció con Stephen Long, profesor de biología vegetal y ciencias de las plantas en Illinois, para el estudio.
En la fotosíntesis, las plantas usan la energía de la luz solar para absorber el dióxido de carbono de la atmósfera y convertirla en biomasa – que usamos para alimentos, combustible y fibra. Cuando hay demasiada luz solar, la maquinaria fotosintética en los cloroplastos puede ser dañada, por lo que las plantas necesitan fotoprotección. Dentro de los cloroplastos, las plantas tienen un sistema denominado NPQ, o enfriamiento no fotoquímico, para este propósito.
Niyogi comparó NPQ con una válvula de alivio de presión en un motor de vapor.
"Cuando hay demasiada luz del sol, es como si la presión aumentara", dijo Niyogi. "NPQ se enciende y se deshace del exceso de energía con seguridad En la sombra, la presión en el motor disminuye. NPQ se apaga, pero no lo suficientemente rápido. Es como tener una fuga en el sistema con la válvula dejada abierta. El motor fotosintético No puede funcionar tan eficientemente".
Los niveles altamente variables de luz que reciben las plantas, particularmente en cultivos densamente plantados, presentan un reto para el uso eficiente de la energía solar. Las plantas deben adaptarse al sombreado intermitente de las hojas que son más altas o de las nubes que pasan.
Niyogi y sus asociados de investigación postdoctoral Lauriebeth Leonelli, Stephane Gabilly y Masakazu Iwai descubrieron una forma de acelerar la recuperación de la fotoprotección y demostraron una prueba de este concepto en el laboratorio. Utilizaron un método para probar rápidamente la expresión génica en las hojas de tabaco. Aumentando la expresión de tres genes implicados en NPQ, mostraron que NPQ se apagó más rápidamente, y la eficacia de la fotosíntesis en la sombra era más alta.
La mitad de la fotosíntesis de cultivos se produce bajo sombra, por lo que cualquier mejora en la aceleración de la recuperación de la fotoprotección podría tener un gran beneficio, dijeron los investigadores.
Los investigadores postdoctorales de Illinois, Johannes Kromdijk y Katarzyna Glowacka, tomaron el trío de genes estudiados en Berkeley y los pusieron en plantas de tabaco para ensayos adicionales en experimentos de invernadero y de campo.
El trabajo para aumentar la productividad de los cultivos se produce cuando las preocupaciones sobre la escasez de alimentos aumentan con la población mundial. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación estima que la producción de alimentos deberá casi duplicarse para 2050 para satisfacer la creciente demanda. Los rendimientos de los principales cultivos básicos del mundo no han aumentado lo suficientemente rápido como para satisfacer esta necesidad proyectada.
"Mi actitud es que es muy importante tener estas nuevas tecnologías en el estante ahora porque puede tomar 20 años antes de que tales invenciones puedan llegar a los campos de los agricultores", dijo Long. "Si no lo hacemos ahora, no tendremos esta solución cuando la necesitemos".
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Bill y Melinda Gates. Toda nueva tecnología autorizada por este trabajo se pondrá a disposición de los agricultores de los países pobres de África y Asia meridional.