Falta el enlace en la fotosíntesis de algas, ofrece la oportunidad de mejorar el rendimiento de los cultivos

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Falta el enlace en la fotosíntesis de algas, ofrece la oportunidad de mejorar el rendimiento de los cultivos

La fotosíntesis es el proceso natural que utilizan las plantas y las algas para capturar la luz solar y fijar el dióxido de carbono en azúcares ricos en energía que impulsan el crecimiento, el desarrollo y, en el caso de los cultivos, el rendimiento. Las algas desarrollaron mecanismos especializados de concentración de dióxido de carbono (CCM) para fotosintetizar mucho más eficientemente que las plantas. Esta semana, en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, un equipo de la Louisiana State University (LSU) y la Universidad de York informan un paso inexplicable desde hace mucho tiempo en el MCP de las algas verdes, que es clave para desarrollar un funcionamiento MCP en cultivos alimentarios para aumentar la productividad.

"La mayoría de los cultivos están plagados de fotorrespiración, que ocurre cuando Rubisco, la enzima que impulsa la fotosíntesis, no puede diferenciar entre las moléculas de dióxido de carbono y oxígeno que sostienen la vida que desperdician grandes cantidades de energía de la planta", dijo James Moroney, profesor de alumnos de Streva. en LSU y miembro de Realizing Increase Photosynthetic Efficiency (RIPE). "En última instancia, nuestro objetivo es diseñar un MCP en los cultivos para rodear a Rubisco con más dióxido de carbono, lo que lo hace más eficiente y menos propenso a tomar moléculas de oxígeno, un problema que se empeora a medida que aumenta la temperatura".

Dirigido por la Universidad de Illinois, RIPE es un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para que sean más productivos al mejorar la fotosíntesis con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de Alimentos y Agricultura (FFAR) y el Gobierno del Reino Unido. Departamento de Desarrollo Internacional (DFID).

Mientras que el dióxido de carbono se difunde a través de las membranas celulares con relativa facilidad, el bicarbonato (HCO3-) se difunde aproximadamente 50,000 veces más lentamente debido a su carga negativa. El alga verde Chlamydomonas reinhardtii, apodada Chlamy, transporta bicarbonato a través de tres membranas celulares al compartimento que alberga Rubisco, llamado pirenoide, donde el bicarbonato se convierte nuevamente en dióxido de carbono y se fija en azúcar.

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El profesor de biología de la Universidad Estatal de Louisiana, Jim Moroney, estudia la fotosíntesis de algas en un laboratorio dentro del Edificio de Ciencias de la Vida de la universidad. El trabajo de Moroney se financia a través de una iniciativa de la Fundación Gates de $ 45 millones para explorar formas de mejorar la fotosíntesis en los cultivos. El objetivo es aumentar los rendimientos de arroz, soja y otros cultivos haciéndolos mejores para convertir la luz solar en energía alimentaria. (Crédito: LSU)

"Hasta ahora, no entendíamos cómo el bicarbonato cruzó el tercer umbral para ingresar al pirenoide", dijo Ananya Mukherjee, quien dirigió este trabajo como estudiante graduada en LSU antes de unirse a la Universidad de Nebraska-Lincoln como investigadora postdoctoral. "Durante años, intentamos encontrar el componente faltante, pero resulta que hay tres proteínas de transporte involucradas en este paso, que fueron el eslabón perdido en nuestra comprensión del MCP de Chlamydomonas reinhardtii".

"Si bien se conocen otras proteínas de transporte, especulamos que estas podrían compartirse con los cultivos más fácilmente porque Chlamy está más estrechamente relacionado con las plantas que otras algas fotosintéticas, como las cianobacterias o las diatomeas", dijo Luke Mackinder, profesor de York que colaboró ​​con El equipo RIPE en este trabajo con el apoyo del Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC) y el Leverhulme Trust.

Crear un CCM funcional en cultivos requerirá tres cosas: un compartimento para almacenar Rubisco, transportadores para llevar bicarbonato al compartimento y anhidrasa carbónica para convertir el bicarbonato en dióxido de carbono.

En un estudio de 2018, los colegas de RIPE en la Universidad Nacional de Australia demostraron que podían agregar un compartimento llamado carboxisoma, que es similar a un pirenoide, en los cultivos. Ahora este estudio completa la lista de posibles proteínas de transporte que podrían transportar bicarbonato desde el exterior de la célula a esta estructura de carboxisoma en las células de las hojas de los cultivos.

"Nuestra investigación sugiere que la creación de un CCM funcional en los cultivos podría ayudar a los cultivos a conservar más agua y podría reducir significativamente el proceso de fotorrespiración en los cultivos, que empeora a medida que aumenta la temperatura", dijo Moroney. "El desarrollo de cultivos resistentes al clima que puedan fotosintetizar de manera más eficiente será vital para proteger nuestra seguridad alimentaria".

Darse cuenta de una mayor eficiencia fotosintética (RIPE) es diseñar cultivos de alimentos básicos para convertir de manera más eficiente la energía del sol en alimentos para aumentar de manera sostenible la producción mundial de alimentos, con el apoyo de la Fundación Bill & Melinda Gates, la Fundación de los Estados Unidos para la Investigación de Alimentos y Agricultura y el Reino Unido Departamento de Gobierno para el Desarrollo Internacional. (Fuente: Universidad Estatal de Louisiana)

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