Rediseñan la fotosíntesis para mejorar el rendimiento de los cultivos

La fotosíntesis es el proceso fundamental mediante el cual las plantas transforman la energía lumínica del sol en energía química en forma de moléculas de carbono.

Este proceso es la base fundamental de la pirámide trófica, haciendo que la vida en nuestro planeta sea posible. La fotosíntesis está directamente relacionada con el crecimiento vegetal y, en particular en términos agronómicos, con el rendimiento de los cultivos.  En este marco investigadores de la Universidad Nacional de La Plata y de la Universidad de Manchester del Reino Unido, desarrollan una estrategia para incrementar la tolerancia al estrés en plantas rediseñando la fotosíntesis.

En las últimas décadas, el concepto de ‘rediseñar’ el proceso fotosintético ganó especial atención. Esto involucra manipular los componentes moleculares y fisiológicos de la fotosíntesis con el objetivo de: mejorar la captación de luz, maximizar su conversión energética y/o incrementar su fijación de carbono. 

La oxidasa terminal plastídica (PTOX) es una proteína capaz de tomar electrones de la cadena de transporte de electrones fotosintético en las membranas tilacoidales de los cloroplastos. En particular, debido a su capacidad oxidante, disminuye la sobre-reducción de la cadena de transporte y protege a los fotosistemas de la fotoinhibición, es decir del daño generado por condiciones de alta presión de excitación lumínica. PTOX tiene el potencial de incrementar la tolerancia al estrés en plantas, pero aún se desconoce su mecanismo de activación, limitando su uso en el mejoramiento vegetal.

Recientemente, en un artículo publicado en la prestigiosa revista Nature Communications, el grupo liderado por el profesor Giles Johnson de la Universidad de Manchester, demostró que alteraciones en las membranas tilacoidales de los cloroplastos durante la aclimatación a estreses ambientales, son suficientes para inducir PTOX y su rol fotoprotector. En particular, utilizando líneas mutantes de la planta modelo Arabidopsis thaliana, los investigadores demostraron la importancia de la localización cloroplástica de PTOX en este proceso de activación. 

En este marco Pablo Ignacio Calzadilla, investigador del Instituto de Fisiología Vegetal (INFIVE, Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales y Facultad de Ciencias Naturales, UNLP- CONICET) integrante del equipo, explicó que “al incrementar la proximidad de PTOX con el fotosistema II (PSII- primer complejo proteico de las reacciones lumínicas de la fotosíntesis), la transferencia de electrones entre ambos se favorece. Así, esta proteína puede actuar como sumidero de electrones del PSII frente a condiciones de estrés y reducir la probabilidad de fotoinhibición”. 

“Nuestro trabajo es la prueba que PTOX puede utilizarse para diseñar estrategias de fotoprotección en plantas “, agregó. 

Algunas de estas estrategias están siendo actualmente evaluadas en el laboratorio del Prof. Johnson, en un proyecto liderado por la Dra. Paula Muñoz Roldan de Universidad de Manchester y en colaboración con el Dr. Calzadilla de la UNLP.

“Basándonos en los resultados obtenidos previamente en el grupo, decidimos modificar genéticamente la localización cloroplástica de PTOX con el objetivo de manipular la capacidad fotoprotectora de la proteína” explicó Muñoz. 

El grupo investiga condiciones ambientales adversas, como son los eventos repentinos derivados del cambio climático y la presencia de suelos empobrecidos en nutrientes o altamente salinizados, en los que la presencia de PTOX podría suponer una ventaja. 

En una primera aproximación, el equipo desarrolló plantas de Arabidopsis que contienen PTOX en regiones específicas de las membranas tilacoidales. Las mismas están siendo sometidas a estrés, como es el caso de salinidad, sequía y frío, para evaluar su capacidad de aclimatación y respuesta. 

Los investigadores estudian sus capacidades fotosintéticas, su respuesta a nivel de daño celular y de expresión génica. Al mismo tiempo, el proyecto busca generar la misma modificación genética en diferentes especies de cultivos de importancia agronómica. 

Vale resaltar que el crecimiento exponencial de la población mundial, junto con el incremento de eventos climáticos extremos, intensifican la demanda de alimentos de una agricultura en crisis. 

“Necesitamos cultivos de mayor rendimiento y calidad, pero utilizando menos recursos. Para alcanzar este paradigma debemos generar una nueva revolución verde. Nosotros creemos que la fotosíntesis es la clave” remarcó Johnson.  

El rediseño de la fotosíntesis demostró ser una estrategia real para incrementar la biomasa vegetal en diferentes especies cultivables. 

Los investigadores confían en la capacidad de PTOX de sumarse a estas estrategias de mejoramiento.