Antoceros o antocerotas son plantas pequeñas y extrañas que podrían ayudar a impulsar el rendimiento de los cultivos

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Un equipo internacional de investigadores ha descubierto un notable truco molecular utilizado por un grupo único de plantas terrestres, que eventualmente podría incorporarse en cultivos como el trigo y el arroz para aumentar drásticamente la eficiencia con la que convierten la luz solar en alimento.

Phaeoceros laevis, una especie de hornwort comúnmente conocida como hornwort lisa. Crédito de la imagen: Des Callahan

El estudio, liderado por investigadores del Instituto Boyce Thompson (BTI), la Universidad de Cornell y la Universidad de Edimburgo, se centra en un problema fundamental en la agricultura: la enzima responsable de capturar el dióxido de carbono del aire durante la fotosíntesis—llamada Rubisco—es lenta e ineficiente.

“Podría decirse que Rubisco es la enzima más importante del planeta porque es el punto de entrada de casi todo el carbono de los alimentos que comemos”, dijo el profesor asociado de BTI Fay-Wei Li, quien codirigió la investigación. “Pero es lento y se distrae fácilmente con el oxígeno, lo que desperdicia energía y limita la eficiencia con la que las plantas pueden crecer”, añadió.

Algunos organismos han desarrollado una solución inteligente. Muchas especies de algas empaquetan a Rubisco en pequeños compartimentos especializados dentro de sus células llamados pirenoides, esencialmente burbujas microscópicas que concentran dióxido de carbono alrededor de la enzima, ayudándola a funcionar de manera mucho más eficiente.

Los científicos llevan mucho tiempo soñando con instalar este sistema de turboalimentación en cultivos alimentarios que carecen de pirenoides. Pero la maquinaria de algas ha resultado obstinadamente difícil de transferir.

El gran avance provino del estudio de las antoceros o antocerotas, que en inglés se conocen como hornworts, las únicas plantas terrestres que se sabe que poseen compartimentos de concentración de CO₂ similares a los de las algas. Debido a que las antoceros comparten una historia evolutiva más reciente con los cultivos que las algas, cuando el equipo de investigación planteó la hipótesis de que su maquinaria molecular podría transferirse más fácilmente, lo que encontraron fue inesperado.

“Asumimos que las antoceros usarían algo similar a lo que usan las algas: una proteína separada que reúne a Rubisco”, dijo Tanner Robison, un estudiante de posgrado que trabaja con Li y coautor del artículo. “En cambio, descubrimos que modificaron el propio Rubisco para hacer el trabajo”.

La clave es un componente proteico inusual que los investigadores han denominado RbcS-STAR. Rubisco se ensambla a partir de trozos de proteína grandes y pequeños. En las antoceros, una versión de la pequeña pieza lleva una cola adicional (la región STAR) que actúa como velcro molecular y hace que las proteínas Rubisco se reúnan.

Para probar si STAR podía funcionar fuera de su antoceros nativo, el equipo llevó a cabo una serie de experimentos. Primero, introdujeron RbcS-STAR en una especie de antoceros estrechamente relacionada que carece de pirenoides. El resultado: Rubisco se reorganizó desde una distribución dispersa a estructuras concentradas similares a pirenos.

Luego intentaron el mismo experimento en Arabidopsis, una planta comúnmente utilizada en investigaciones de laboratorio. Una vez más, Rubisco formó densos compartimentos dentro de los cloroplastos de la planta.

“Incluso intentamos unir sólo la cola STAR al Rubisco nativo de Arabidopsis, y desencadenó el mismo efecto de agrupamiento”, dijo Alistair McCormick, profesor de la Universidad de Edimburgo, quien codirigió la investigación. “Eso nos dice que STAR es verdaderamente la fuerza impulsora. Es una herramienta modular que puede funcionar en diferentes sistemas de plantas”, expresó.

Esta transferibilidad es lo que hace que el hallazgo sea tan significativo para la agricultura. Sugiere que los investigadores pueden desencadenar la agrupación de Rubisco en plantas de cultivo mediante la introducción de un único velcro universal, en lugar de recurrir a la alta costura.

Los investigadores señalan que los desafíos persisten. Ahora se necesita una serie de conductos para llevar CO2 a Rubisco. “Hemos construido una casa Rubisco, pero no será una casa eficiente a menos que actualicemos el HVAC”, dijo Laura Gunn, profesora asistente en la Universidad de Cornell, quien codirigió la investigación. El equipo ahora está trabajando para abordar este desafío.

Aún así, el descubrimiento marca un avance importante en un campo con un enorme impacto potencial. Mejorar la eficiencia fotosintética, aunque sea modestamente, podría aumentar el rendimiento de los cultivos y al mismo tiempo reducir la huella ambiental de la agricultura, un objetivo crucial a medida que el mundo trabaja hacia una producción de alimentos más sostenible.

“Esta investigación muestra que la naturaleza ya ha probado soluciones de las que podemos aprender”, dijo Li. “Nuestro trabajo es comprender esas soluciones lo suficientemente bien como para aplicarlas donde más se necesitan: en los cultivos que alimentan al mundo”.

El estudio fue publicado en la revista Science, con contribuciones iguales de cuatro científicos principiantes: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh y Warren S.L. Ang. Los autores correspondientes fueron Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick y Fay-Wei Li.

Cita
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El estudio An unconventional Rubisco small subunit underpins the CO2-concentrating organelle in land plants (Una pequeña subunidad de Rubisco no convencional sustenta el orgánulo concentrador de CO2 en las plantas terrestres) fue publicado en la revista Science. Autores: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh, Warren S. L. Ang, Dan Hong Loh, Yu-Heng Hsieh, Maddie Ceminsky, Nicky Atkinson, Declan Lafferty, Xia Xu, Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick & Fay-Wei Li

Financiación
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Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Beca de la Fundación Triad, Beca para usuarios del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, Beca para estudiantes de posgrado Schmittau-Novak, Beca de posgrado del Darwin Trust de Edimburgo, Consejo de Investigación e Innovación en Biotecnología y Ciencias Biológicas del Reino Unido, Fundación Bill y Melinda Gates y Oficina de Asuntos Exteriores, Commonwealth y Desarrollo del Reino Unido: