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| Photo by Peter Schulz on Unsplash |
Para alimentar a los 9.000 millones de personas previstas para 2050, los agricultores necesitan cultivar un 50% más de alimentos en una cantidad limitada de tierra cultivable. Por ello, los científicos especializados en plantas se encuentran en una carrera contrarreloj para diseñar cultivos con mayor rendimiento mediante la mejora de la fotosíntesis.
Se sabe que las algas verdeazuladas (cianobacterias) realizan la fotosíntesis con más eficacia que la mayoría de los cultivos, por lo que los investigadores están trabajando para introducir elementos de las cianobacterias en las plantas de cultivo.
Un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Cornell describe un paso importante para lograr ese objetivo. "La ausencia de anhidrasa carbónica en los cloroplastos afecta al desarrollo de las plantas C3 pero no a la fotosíntesis", publicado el 11 de agosto en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Maureen Hanson, profesora de biología molecular de plantas, es la autora principal del artículo. Kevin Hines, antiguo estudiante del laboratorio de Hanson, y Vishal Chaudhari, asociado postdoctoral en el laboratorio de Hanson, son los coprimeros autores.
Cuando las plantas realizan la fotosíntesis, convierten el dióxido de carbono, el agua y la luz en oxígeno y sacarosa, un azúcar que se utiliza como energía y para construir nuevos tejidos. Durante este proceso, la Rubisco, una enzima presente en todas las plantas, toma el carbono inorgánico del aire y lo "fija" o convierte en una forma orgánica que la planta utiliza para construir tejidos.
Uno de los obstáculos para mejorar la fotosíntesis en los cultivos es que la Rubisco reacciona tanto con el dióxido de carbono como con el oxígeno del aire; esta última reacción crea subproductos tóxicos, ralentiza la fotosíntesis y, por tanto, disminuye el rendimiento. Pero en las cianobacterias, la Rubisco está contenida en unos microcompartimentos llamados carboxisomas que la protegen del oxígeno.
Además, el carboxisoma permite a las cianobacterias concentrar el dióxido de carbono para que la Rubisco pueda utilizarlo para una fijación más rápida del carbono, explica Hanson. "Las plantas de cultivo no tienen carboxisomas, así que la idea es introducir todo el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias en las plantas de cultivo", añadió.
Para que este sistema funcione en las plantas de cultivo, los científicos deben eliminar la anhidrasa carbónica, una enzima natural, de los cloroplastos, los orgánulos de las células vegetales donde se produce la fotosíntesis. La función de la anhidrasa es crear un equilibrio entre el CO2 y el bicarbonato en las células vegetales, catalizando reacciones en las que el CO2 y el agua forman bicarbonato y viceversa. Pero para que el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias funcione en los cultivos, el bicarbonato en el sistema debe alcanzar niveles muchas veces superiores a los que se encuentran en equilibrio.
"Así que en este estudio", dijo Hanson, "hicimos ese paso [de eliminar la anhidrasa] que va a ser necesario para que el carboxisoma funcione".
En el artículo, los autores describen el uso de la tecnología de edición genética CRISPR/Cas9 para desactivar los genes que expresan dos enzimas de anhidrasa carbónica que están presentes en los cloroplastos. En el pasado, otro grupo de investigación había utilizado un método diferente para eliminar el 99% de la actividad de la enzima anhidrasa, y las plantas crecieron normalmente. Pero cuando Hanson y sus colegas eliminaron el 100% de la actividad de la enzima, las plantas apenas crecieron. "Esto demostró que las plantas necesitan esta enzima para producir bicarbonato, que se utiliza en las vías para fabricar componentes del tejido foliar", dijo Hanson.
Cuando pusieron las plantas en una cámara de crecimiento con alto nivel de CO2, reanudaron su crecimiento normal, ya que las altas cantidades de CO2 dieron lugar a una reacción espontánea para formar bicarbonato.
El equipo cree que tiene una solución para eliminar la anhidrasa y seguir teniendo suficiente bicarbonato. En futuras investigaciones, financiadas recientemente con una beca de tres años de duración y cerca de 800.000 dólares de la National Science Foundation, planean colocar un transportador de bicarbonato en la membrana del cloroplasto, para importar bicarbonato de otras partes de la célula a los cloroplastos. Además de hacer innecesaria la anhidrasa, se espera que el bicarbonato extra mejore la fotosíntesis incluso antes de que los carboxisomas puedan ser diseñados en los cloroplastos.
Los experimentos demostraron que la ausencia de anhidrasa carbónica no interfería en la fotosíntesis, en contra de lo que se pensaba anteriormente.
Un problema potencial es que se sabe que la anhidrasa carbónica que se encuentra en los cloroplastos participa en las vías de defensa de la planta. Sin embargo, los investigadores del grupo de Hanson descubrieron que podían incorporar una versión enzimáticamente inactiva de la anhidrasa carbónica y seguir manteniendo la defensa de la planta.
"Ahora sabemos que podemos fabricar una enzima inactiva que no afecte a nuestro mecanismo de concentración de carbono, pero que siga permitiendo que las plantas de cultivo sean resistentes a los virus", dijo Hanson.
Fuentes, creditos y referencias:
Kevin M. Hines et al, Absence of carbonic anhydrase in chloroplasts affects C3 plant development but not photosynthesis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2107425118