Los científicos diseñan cultivos para conservar agua y resistir la sequía

Por primera vez, los científicos han mejorado la forma en que un cultivo usa el agua en un 25 por ciento sin comprometer el rendimiento al alterar la expresión de un gen que se encuentra en todas las plantas, como se informa en Nature Communications.

La investigación es parte del proyecto de investigación internacional Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) que cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación Agrícola y Alimentaria y el Departamento de Desarrollo Internacional del Reino Unido.

«Este es un gran avance», dijo el director de RIPE, Stephen Long, presidente de Ikenberry Endowed of Plant Biology and Crop Sciences. «Los rendimientos de los cultivos han mejorado constantemente durante los últimos 60 años, pero la cantidad de agua necesaria para producir una tonelada de grano permanece sin cambios, lo que llevó a la mayoría a suponer que este factor no podría cambiar. Demostrar que nuestra teoría funciona en la práctica debería abrir la puerta a mucha más investigación y desarrollo para lograr este importantísimo objetivo para el futuro «.

El equipo internacional aumentó los niveles de una proteína fotosintética (PsbS) para conservar el agua engañando a las plantas para que cierren parcialmente sus estomas, los poros microscópicos de la hoja que permiten que el agua escape. Los estomas son los guardianes de las plantas: cuando están abiertos, el dióxido de carbono ingresa a la planta para impulsar la fotosíntesis, pero se permite que el agua escape a través del proceso de transpiración.

«Estas plantas tenían más agua de la que necesitaban, pero ese no siempre será el caso», dijo la coautora principal Katarzyna Glowacka, investigadora postdoctoral que dirigió esta investigación en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB). «Cuando el agua es limitada, estas plantas modificadas crecerán más rápido y producirán más; pagarán menos penalización que sus contrapartes no modificadas».

Los investigadores de RIPE estudian cómo hacer que los cultivos alimentarios sean más productivos y resistentes a un clima cambiante utilizando tabaco, un cultivo modelo que es más rápido y más fácil de probar. Crédito: Claire Benjamin / Universidad de Illinois

El equipo mejoró la eficiencia en el uso del agua de la planta (la relación entre el dióxido de carbono que ingresa a la planta y el agua que escapa) en un 25 por ciento sin sacrificar significativamente la fotosíntesis o el rendimiento en las pruebas de campo del mundo real. La concentración de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado en un 25 por ciento en solo los últimos 70 años, lo que permite que la planta acumule suficiente dióxido de carbono sin abrir completamente sus estomas. «La evolución no ha seguido el ritmo de este cambio rápido, por lo que los científicos le han dado una mano», dijo Long, quien también es profesor de ciencias de los cultivos en la Universidad de Lancaster.

Cuatro factores pueden desencadenar la apertura y el cierre de los estomas: la humedad, los niveles de dióxido de carbono en la planta, la calidad de la luz y la cantidad de luz. Este estudio es el primer informe de pirateo de las respuestas estomáticas a la cantidad de luz.

PsbS es una parte clave de una vía de señalización en la planta que transmite información sobre la cantidad de luz. Al aumentar la PsbS, la señal indica que no hay suficiente energía luminosa para que la planta realice la fotosíntesis, lo que provoca que los estomas se cierren ya que el dióxido de carbono no es necesario para impulsar la fotosíntesis.

Esta investigación complementa el trabajo anterior, publicado en Science , que mostró que el aumento de PsbS y otras dos proteínas puede mejorar la fotosíntesis y aumentar la productividad hasta en un 20 por ciento. Ahora, el equipo planea combinar las ganancias de estos dos estudios para mejorar la producción y el uso del agua al equilibrar la expresión de estas tres proteínas.

Para este estudio, el equipo probó su hipótesis utilizando tabaco, un cultivo modelo que es más fácil de modificar y más rápido de probar que otros cultivos . Ahora aplicarán sus descubrimientos para mejorar la eficiencia en el uso del agua de los cultivos alimentarios y probarán su eficacia en condiciones de escasez de agua.

«Hacer que las plantas de cultivo utilicen más agua de manera más eficiente es posiblemente el mayor desafío para los científicos de plantas actuales y futuros», dijo el coautor principal Johannes Kromdijk, investigador postdoctoral en el IGB. «Nuestros resultados muestran que una mayor expresión de PsbS permite que las plantas de cultivo sean más conservadoras con el uso del agua, lo que creemos ayudará a distribuir mejor los recursos hídricos disponibles durante la temporada de crecimiento y mantener la cosecha más productiva durante los períodos secos».