Cómo las algas de crecimiento rápido podrían mejorar el crecimiento de los cultivos alimentarios
Un modelo informático del mecanismo de concentración de carbono de las plantas podría dar lugar a un nuevo enfoque para aumentar el rendimiento de los cultivos
Un nuevo estudio proporciona un marco para impulsar el crecimiento de los cultivos incorporando una estrategia adoptada de una especie de alga verde de crecimiento rápido. Las algas, conocidas como Chlamydomonas reinhardtii, contienen un orgánulo llamado pirenoide que acelera la conversión del carbono, que las algas absorben del aire, en una forma que los organismos pueden utilizar para el crecimiento. En un estudio publicado el 19 de mayo de 2022 en la revista Nature Plants, investigadores de la Universidad de Princeton y de la Universidad Northwestern utilizaron modelos moleculares para identificar las características del pirenoide que son más críticas para mejorar la fijación del carbono, y luego mapearon cómo esta funcionalidad podría ser diseñada en las plantas de cultivo.
Una nueva investigación identifica formas de aumentar el rendimiento de los cultivos mediante la incorporación de estrategias de una especie de algas de rápido crecimiento en plantas como el trigo y el arroz.
Pixabay
Esto no es sólo un ejercicio académico. Para muchas personas, la mayor parte de las calorías de los alimentos provienen de plantas de cultivo domesticadas hace miles de años. Desde entonces, los avances en el riego, la fertilización, la cría y la industrialización de la agricultura han ayudado a alimentar a la creciente población humana. Sin embargo, en la actualidad sólo se pueden extraer ganancias incrementales de estas tecnologías. Mientras tanto, se prevé que la inseguridad alimentaria , que ya alcanza niveles de crisis para gran parte de la población mundial, empeore debido al cambio climático.
Las nuevas tecnologías podrían invertir esta tendencia. Muchos científicos creen que el pirenoide de las algas ofrece precisamente esa innovación. Si los científicos pueden diseñar una capacidad similar a la de los pirenoides para concentrar el carbono en plantas como el trigo y el arroz, estas importantes fuentes de alimentos podrían experimentar un gran impulso en sus tasas de crecimiento.
"Este trabajo proporciona una orientación clara para la ingeniería de un mecanismo de concentración de carbono en las plantas, incluyendo los principales cultivos", dijo Martin Jonikas, un autor principal del estudio que es un profesor asociado de biología molecular en Princeton y un investigador en el Instituto Médico Howard Hughes.
Chlamydomonas reinhardtii consigue fijar el carbono gracias a la acción de la enzima Rubisco, que cataliza la conversión deCO2 en carbono orgánico.
Las plantas terrestres también utilizan la Rubisco para lograr la fijación del carbono, pero en la mayoría de las plantas, la Rubisco sólo funciona a un tercio de su capacidad teórica porque no puede acceder a suficienteCO2 para operar más rápido. Por ello, se han dedicado muchos esfuerzos a estudiar los mecanismos de concentración de carbono, en particular los que se encuentran en las cianobacterias y en las Chlamydomonas, con la esperanza de que, con el tiempo, esta función llegue a las plantas de cultivo terrestres. Pero hay un problema:
"Aunque se conoce la estructura del pirenoide y muchos de sus componentes, las cuestiones biofísicas clave sobre su mecanismo siguen sin respuesta, debido a la falta de análisis cuantitativos y sistemáticos", afirma el coautor principal, Ned Wingreen, catedrático Howard A. Prior de Ciencias de la Vida de Princeton y profesor de biología molecular y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa.
Para obtener información sobre el funcionamiento del mecanismo de concentración de carbono de la pirenoide de las algas, la estudiante de posgrado de Princeton Chenyi Fei colaboró con la estudiante Alexandra Wilson, de la promoción 2020, para desarrollar un modelo computacional de la pirenoide con la ayuda del coautor Niall Mangan, profesor adjunto de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas en la Universidad Northwestern.
Trabajos anteriores han demostrado que el pirenoide de Chlamydomonas reinhardtii consiste en una matriz esférica de Rubisco atravesada por una vasculatura de proyecciones cerradas por una membrana llamadas túbulos pirenoides, y rodeada por una vaina hecha de almidón. Se cree queel CO2 captado del entorno se convierte en bicarbonato y se transporta a los túbulos, donde entra en el pirenoide. Una enzima presente en los túbulos vuelve a convertir el bicarbonato enCO2, que luego se difunde en la matriz de la Rubisco. Pero, ¿está completa esta imagen?
"Nuestro modelo demuestra que esta imagen convencional del mecanismo de concentración de carbono de la pirenoide no puede funcionar porqueel CO2 se filtraría rápidamente fuera de la pirenoide antes de que la Rubisco pudiera actuar sobre él", dijo Wingreen. "En su lugar, la cáscara de almidón que rodea al pirenoide debe actuar como una barrera de difusión para atraparel CO2 en el pirenoide con la Rubisco".
Además de identificar esta barrera de difusión, el modelo de los investigadores señaló otras proteínas y características estructurales necesarias para la concentración deCO2 . El modelo también identificó los componentes no necesarios, lo que debería simplificar la funcionalidad del pirenoide en las plantas. Los investigadores demostraron que este modelo simplificado del pirenoide se comporta de forma similar al orgánulo real.
"El nuevo modelo desarrollado por Fei, Wilson y sus colegas cambia las reglas del juego", dijo Alistair McCormick, experto en Fisiología Molecular de Plantas y Biología Sintética de la Universidad de Edimburgo, que ha trabajado con los científicos de Princeton pero no participó en este estudio.
"Uno de los hallazgos clave de este trabajo, que diferencia el mecanismo de concentración de carbono de Chlamydomonas de los que se encuentran en las cianobacterias, es que la introducción de transportadores de bicarbonato activos puede no ser necesaria", dijo McCormick. "Esto es importante porque el transporte activo de bicarbonato ha sido un reto clave que ha obstaculizado el progreso en la ingeniería de los mecanismos biofísicos de concentración de carbono".
El estudio, "Modeling the pyrenoid-basedCO2-concentrating mechanism provides insights into its operating principles and a roadmap for its engineering into crops", de Chenyi Fei, Alexandra T. Wilson, Niall M. Mangan, Ned S. Wingreen y Martin C. Jonikas, se publicó en Nature Plants.
Esta investigación ha sido financiada por los Institutos Nacionales de la Salud, la Fundación Nacional de la Ciencia, la Fundación Simons y el Instituto Médico Howard Hughes.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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