Fotorrespiración para mejorar el metabolismo de las plantas.

26 de mayo de 2021

Actualmente, la fotorrespiración en las plantas disipa parte de la energía producida por la fotosíntesis y libera CO2. Esto comienza cuando la enzima RuBisCO actúa sobre el oxígeno en lugar de sobre el dióxido de carbono y crea subproductos tóxicos que requieren reacciones de reciclaje costosas. El proceso de desintoxicación consume carbono fijo y desperdicia energía, lo que limita en gran medida la productividad agrícola.

Representación esquemática de las plantas desarrolladas por GAIN4CROPS (derecha) en comparación con los tipos silvestres (izquierda). Aumentar imagen
Representación esquemática de las plantas desarrolladas por GAIN4CROPS (derecha) en comparación con los tipos silvestres (izquierda). [menos]

Los científicos generalmente persiguen dos enfoques para minimizar los efectos deletéreos de la fotorrespiración: imitar el mecanismo de concentración de carbono de las plantas C4 o introducir nuevas vías metabólicas para evitar la fotorrespiración.

Los investigadores dirigidos por Andreas Weber de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf y Tobias Erb del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre desarrollaron una solución que combina sinérgicamente la fotorrespiración y el metabolismo C4, conectando dos de los principales objetivos en el metabolismo de las plantas. Dentro del proyecto financiado con fondos europeos Gain4Crops (www.gain4crops.eu), han convertido una ruta de derivación de la fotorrespiración, la BHAC, recientemente descubierta, en un mecanismo de fortalecimiento del carbono en las plantas C3. El equipo introdujo enzimas de la vía microbiana BHAC en una planta modelo, Arabidopsis thaliana, donde convierten con éxito un producto de fotorrespiración en la fuente de un ciclo C4 sintético y sin disipar carbono, nitrógeno o energía.

Después de una transformación exitosa de la planta, la medición del intercambio de gases y el perfil de metabolitos confirmaron que la planta conserva nitrógeno y acumula metabolitos C4 característicos. El modelo de Arabidopsis no mostró ganancia en la cantidad de CO2 asimilado a través de la fotosíntesis a expensas del CO2 liberado por la fotorrespiración; pero, como señaló el equipo, varios cuellos de botella podrían ser responsables de enmascarar todo el potencial de la vía BHAC.

Para apreciar integramente la ganancia en carbono fijado y, en última instancia, en rendimiento, la vía debe mejorarse mediante la identificación de otros objetivos a través de modelos metabólicos a escala cinética y genómica. De hecho, la creación de prototipos en muchos organismos modelo, como Arabidopsis, permite identificar las deficiencias antes de pasar a un cultivo objetivo, lo que acelera el proceso de desarrollo. Por ejemplo, el proyecto Gain4crops planea probar la vía recién descubierta en un conjunto de organismos modelo de creciente complejidad celular y anatómica antes de pasar a su objetivo final: el girasol.

En general, este estudio representa la primera prueba de concepto para los mecanismos de concentración de carbono en la planta C3 que dependen de la fotorrespiración, asociando la solución con el problema y creando oportunidades para mejorar la productividad agrícola en el futuro. Además, los cultivos más fotosintéticos podrían convertirse en una herramienta valiosa frente al cambio climático gracias a su resiliencia climática y al menor consumo de recursos.