¿Tiene el agave el secreto de la agricultura resistente a la sequía?

El agave puede estar más relacionado con el tequila, pero los usos de la planta son menos conocidos: les está enseñando a los científicos cómo hacer plantas más tolerantes a la sequía.

Las suculentas resistentes, así como especies como los cactus (un cactus comestible), la piña y la orquídea vainilla, han evolucionado durante millones de años para realizar diferentes tipos de fotosíntesis, lo que facilita que las plantas sobrevivan en el agua Disponible para sobrevivir en semi- ambientes áridos.

Este proceso, conocido como metabolismo del ácido del sedum o CAM, ha sido estudiado por un pequeño grupo de científicos durante décadas porque las plantas que lo tienen usan menos agua. Sin embargo, solo en los últimos años más y más investigadores han comenzado a intentar identificar y transferir completamente esta vía fotosintética a otras especies de plantas.

Reconstruir rutas metabólicas completas en las plantas no es tarea fácil. Una vez que los científicos han descubierto todos los genes involucrados en su función básica y su regulación, deben encontrar una manera de agregar este material genético a la planta objetivo, o hacer que los genes y las proteínas existentes en la planta funcionen de la forma en que quieren que lleguen. En total, unos 100 genes pueden estar involucrados, dicen los investigadores, aunque aún no conocen el número exacto.

Xiaohan Yang, científico de la División de Ciencias Biológicas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, es uno de los investigadores que estudia cómo funciona CAM en otros tipos de plantas. El interés en CAM ha crecido rápidamente solo en los últimos años, dijo, a medida que han aumentado las preocupaciones sobre los efectos del cambio climático en las sequías y se han proporcionado más fondos federales.

¿Qué hace que la fotosíntesis del agave y del cactus sean tan diferentes? A diferencia de la mayoría de las plantas que absorben dióxido de carbono a través de los estomas de las hojas durante el día (llamadas plantas C3 y C4), las plantas CAM absorben la mayor parte del dióxido de carbono durante la noche. Este cambio de hora significa que se evapora menos agua de las hojas a través de la transpiración. De hecho, las plantas CAM requieren entre un quinto y un tercio de agua que las plantas C3 y C4, respectivamente.

Sin embargo, las plantas CAM también necesitan una forma de almacenar carbono durante la noche porque, al igual que otras plantas, no pueden usarlo para generar reservas de energía como azúcares y almidones sin luz solar. Hicieron esto mediante el secuestro temporal de carbono en una piscina temporal de ácido málico en su mayoría. Cuando sale el sol, las plantas descomponen los ácidos orgánicos y liberan dióxido de carbono. En este punto, la planta puede realizar la fotosíntesis como una planta C3, excepto que los estomas no tienen que permanecer abiertos porque el carbono ya está disponible en las hojas.

El desafío para investigadores como Yang es encontrar una manera para que otras plantas creen este almacenamiento de carbono durante la noche. A medida que se han secuenciado los genomas de muchas plantas CAM diferentes en los últimos dos años, los investigadores están comenzando a comprender mejor cómo funciona la vía.

«Sabemos muy bien qué genes son importantes para las especies CAM», dijo Yang. «En este momento, estamos viendo cómo encajan estos genes y luego estamos probando su eficiencia».

Las plantas más fuertes abordan el difícil problema alimentario mundial

Si tienen éxito y las plantas CAM son lo suficientemente productivas, la investigación podría tener importantes implicaciones para la seguridad alimentaria mundial. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) predice que es probable que las sequías se vuelvan más largas y más severas a medida que el cambio climático causado por el hombre aumente las temperaturas a lo largo del siglo. Al mismo tiempo, se prevé que la población mundial supere los 9 mil millones, ejerciendo aún más presión sobre los recursos hídricos disponibles. En este contexto, será aún más importante tener más plantas que puedan producir alimentos para humanos y animales, así como producir fibra y combustible con menos agua, dicen los investigadores.

El gobierno federal está interesado en su uso en biocombustibles. Yang es parte de un proyecto de investigación de cinco años financiado por el Departamento de Energía centrado en diseñar la ruta de la fotosíntesis CAM en cultivos bioenergéticos. Su laboratorio se ocupa especialmente del álamo, un árbol de rápido crecimiento por su biomasa leñosa. La subvención de $14,3 millones se asignó a cinco instituciones en los Estados Unidos y el Reino Unido, con $6,3 millones destinados al Laboratorio Nacional de Oak Ridge, la Universidad de Tennessee, Knoxville y la Universidad de Newcastle. Otro grupo, que incluye a la Universidad de Nevada, la Universidad de Reno y la Universidad de Liverpool, recibió $7.6 millones en financiamiento.

La semana pasada, 51 investigadores de 9 países diferentes escribieron en coautoría un artículo publicado en la revista nuevo botánicoLa sección inaugural de Perspectivas de una amplia descripción de lo que debe suceder en el campo para avanzar aún más en la investigación y la ingeniería CAM. Yang es el autor principal de este artículo. Dijo que el artículo de la «hoja de ruta» no es solo para los científicos que estudian CAM, sino también para que una audiencia más amplia les presente la investigación. Los autores también discuten cómo las plantas CAM existentes pueden convertirse en cultivos importantes.

La investigación sobre plantas CAM es parte de un esfuerzo internacional más amplio para identificar y, en última instancia, diseñar rasgos genéticos que hagan que las plantas sean más tolerantes a la sequía.En un estudio publicado en la revista célula vegetal El mes pasado, investigadores de la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur descubrieron un importante factor de transcripción (NAC016) en plantas modelo. ArabidopsisPromueve la respuesta al estrés por sequía. Según el autor principal del estudio, Nam-Chon Paek, los hallazgos podrían proporcionar información sobre cómo se pueden desarrollar plantas tolerantes a la sequía a través de la reproducción convencional o la biotecnología.

A principios de esta semana, investigadores de la Universidad Estatal de Kansas publicaron un estudio que muestra que la identificación de rasgos genómicos específicos asociados con la adaptación puede predecir cómo responderán las diferentes variedades de sorgo a los factores estresantes ambientales como la sequía.

«Este enfoque nos permite observar las variedades en el acervo genético de cultivos y decir: ‘Oye, esta variedad tiene algo útil'», dijo Jeffrey Morris, profesor asistente de agronomía en KSU y autor principal del estudio.

El estudio no vinculó la genética de las plantas con rasgos específicos. En cambio, el método se basa en asociaciones entre ubicaciones geográficas y ciertos marcadores genómicos, dijo.

«Estamos considerando el uso a corto plazo. La mayoría de los laboratorios de genética de cultivos pueden aprovechar esto», dijo Morris, y agregó que la investigación en ingeniería CAM es más especializada y puede llevar muchos años completarla.

Si bien los investigadores de CAM no pueden decir con certeza cuánto tiempo llevará desarrollar una vía CAM en una planta C3 o C4, Yang dice que su enfoque es el mejor, al menos conceptualmente.

la evolución jugó un papel

«La evolución nos ha dado la respuesta: CAM se ha convertido en el más [water] Eficiente”, dijo.

A diferencia de otras plantas que desarrollan sistemas de raíces más profundos o se marchitan en tiempos de sequía, la especie CAM tiene un enfoque «similar a un camello» para la conservación del agua, dijo.

Yang y sus colegas no estaban tratando de hacer un C3 que fijara carbono todo el tiempo como una fábrica de CAM. En cambio, están planeando crear un híbrido C3 que podría cambiar a un metabolismo más eficiente en agua si se expone a condiciones de sequía o alta salinidad. O, como mencionó el coautor del informe, John Cushman, quieren hacer una fábrica que pueda «usar CAM bajo demanda».

Los investigadores se están enfocando en crear híbridos con plantas C3 porque las plantas CAM evolucionaron a partir de ellas hace entre 10 y 30 millones de años, dijo Cushman, profesor del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Nevada, Reno. y parte de un proyecto de investigación de cinco años. Antes de que eso suceda, dijo, todavía hay mucha investigación por hacer.

“El camino es muy complicado, no quieres rediseñar algo hasta que tengamos una buena idea del plano”, dijo. «La forma en que han evolucionado estas vías implica un conjunto coherente de genes… Creemos que algunos cambios en el borde no son suficientes».

Hasta ahora, no estaba claro cuántos genes estaban involucrados en CAM. Si bien agregar nuevas vías metabólicas a las especies de plantas sería un proceso complejo, las plantas CAM comparten muchos componentes moleculares y genes con las plantas C3 y C4, lo que puede ayudar a facilitar este proceso, dijo Yang.

Una razón para el optimismo es que estas plantas de doble capacidad ya existen en la naturaleza. abeto Es la denominada CAM facultativa. En condiciones normales de lluvia, la planta de Panamá absorbe CO2 durante el día, ya que es como una planta C3, pero durante las sequías comienza a absorber CO2 durante la noche.

«Este es un ejemplo perfecto en la naturaleza, [C3 and CAM] Es posible coexistir en una fábrica”, dijo Yang. “Hay un poco de magia en esa especie. «

abeto No es la única fábrica CAM facultativa.Estudios Cushman crisantemo, también conocida como fábrica de hielo ordinaria. La investigación ayuda a mostrar qué genes se reclutan en la CAM, aunque este enfoque puede variar según la especie.

Idealmente, las mejores plantas C3 para la ingeniería CAM deberían ser aquellas que ya tienen genomas completamente secuenciados, se pueden transformar fácilmente, tienen un impacto significativo en la producción de alimentos o biocombustibles y actualmente no pueden prosperar en áreas secas.

Durante los dos años restantes de la subvención del DOE, los investigadores trabajarán para trasladar el CAM a la fábrica modelo. Arabidopsis y álamos.

«Comenzaremos poco a poco con el metabolismo central y luego trabajaremos hacia afuera», dijo Cushman.

En última instancia, si logran transferir CAM a plantas C3, los investigadores pueden agregar CAM a plantas C4 como el maíz y el sorgo para aumentar su eficiencia en el uso del agua, escribieron los autores del informe.

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