Los secretos de la fotosíntesis de quillwort podrían aumentar la eficiencia de los cultivos

Los secretos de la fotosíntesis de quillwort podrían aumentar la eficiencia de los cultivos

Los investigadores exploran cómo las plantas acuáticas regulan la fotosíntesis para competir por el dióxido de carbono bajo el agua

LA JOLLA—Las humildes quillworts son un grupo antiguo de unas 250 pequeñas plantas acuáticas que han sido ignoradas en gran medida por los botánicos modernos. Ahora, los científicos de Salk, junto con investigadores del Instituto Boyce Thompson, secuenciaron el primer genoma de la quillwort y descubrieron algunos secretos del método único de fotosíntesis de la planta, secretos que eventualmente podrían conducir a la ingeniería de cultivos con un uso más eficiente del agua y la captura de carbono. para hacer frente al cambio climático. Los hallazgos fueron publicados en Nature Communications En Noviembre 3, 2021.

"Las plantas son realmente sorprendentes en el desarrollo de estrategias novedosas para extraer recursos como el carbono de su entorno", dice el coautor correspondiente. Todd Michael, profesor investigador del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas. “Al explotar este ingenio en una variedad de plantas únicas como isoetas estamos desarrollando una caja de herramientas para diseñar plantas del futuro para extraer más carbono”.

La mayoría de las plantas respiran dióxido de carbono (CO₂) durante el día y usar la luz solar para convertir el gas en azúcares. Pero las plantas en regiones áridas han evolucionado para respirar CO₂ en la noche en su lugar. Esta estrategia, llamada fotosíntesis CAM, ayuda a las plantas a evitar la pérdida de agua durante el día.

Hace cuarenta años, quillworts—plantas del género isoetas— se convirtió en el primer grupo de plantas acuáticas descubierto en utilizar la fotosíntesis CAM. La pérdida de agua durante el día claramente no es un problema para las plantas acuáticas. En cambio, las quillworts usan CAM para recolectar CO₂ disuelto en agua y almacenarlo durante la noche, para evitar competir con otras plantas y organismos acuáticos, como las algas, que agotan los niveles de gas del agua durante el día.

“Como plantas acuáticas, isoetas han desarrollado la fotosíntesis CAM en un entorno fundamentalmente diferente al de las plantas terrestres en hábitats secos”, dice el coautor correspondiente. Fay-Wei Li, profesor asistente en el Instituto Boyce Thompson y profesor asistente adjunto en la Universidad de Cornell.

Para investigar los mecanismos genéticos que regulan el proceso de fotosíntesis CAM de las quillworts, el equipo reunió un genoma para la especie de quillwort Isoetes taiwanensis. El equipo usó el genoma para identificar los genes de la vía CAM y para examinar sus patrones de actividad (lo que los científicos llaman expresión génica), incluida la forma en que esos patrones cambiaron a lo largo del ciclo día/noche. Una diferencia notable entre CAM en quillworts y plantas terrestres es la función de la enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC). Todas las plantas tienen dos tipos de PEPC: de tipo vegetal, conocido desde hace mucho tiempo por su papel esencial en la fotosíntesis; y de tipo bacteriano, que se asemeja al PEPC que se encuentra en las bacterias.

"En todas las demás plantas, la PEPC de tipo bacteriano desempeña un papel en una variedad de procesos metabólicos, pero no en la fotosíntesis", dijo David Wickell, estudiante graduado en el laboratorio de Li y primer autor del estudio. "En isoetas, ambos tipos parecen estar involucrados en la CAM, algo que no se ha encontrado en ninguna otra planta y apunta a un papel distinto para la PEPC de tipo bacteriano en la CAM acuática".

Las plantas tienen un mecanismo de tiempo interno llamado reloj circadiano que asegura que los procesos biológicos ocurran en el momento correcto. En trabajos anteriores, el laboratorio de Michael mostró que casi toda la expresión génica está controlada por el reloj circadiano y que este mecanismo se comparte en todas las plantas analizadas. isoetas son las primeras plantas hasta la fecha que tienen un sistema circadiano único con niveles de expresión de unos pocos reguladores de tiempo que alcanzan su punto máximo en diferentes momentos del día. Los hallazgos brindan información crítica sobre los nuevos mecanismos que utilizan las plantas para capturar carbono.

Los resultados podrían usarse para diseñar cultivos para resistir mejor las tensiones ambientales. Wickell dice que la idea es emocionante, pero la clave sería manipular los genes del reloj circadiano que regulan los componentes CAM para ayudar a las plantas a ser más eficientes en la conservación del agua o hacer un mejor uso del CO disponible.₂.

Otros autores incluyen a Nolan T. Hartwick de Salk; Li-Yaung Kuo de la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán; Hsiao-Pei Yang del Instituto Boyce Thompson; Amra Dhabalia Ashok, Iker Irisarri, Armin Dadras, Sophie de Vries y Jan de Vries de la Universidad de Goettingen en Alemania; Yao-Moan Huang del Instituto de Investigación Forestal de Taiwán; Zheng Li de la Universidad de Texas en Austin; y Michael S. Barker de la Universidad de Arizona.

El trabajo fue financiado por el Instituto Boyce Thompson, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y la Escuela Internacional de Investigación Max Planck (IMPRS) para la Ciencia del Genoma.

Publicado por cortesía de la Instituto Boyce Thompson.

Acerca del Instituto Boyce Thompson:
Inaugurado en 1924, el Instituto Boyce Thompson es una institución de investigación de ciencias de la vida de primer nivel ubicada en Ithaca, Nueva York. Los científicos de BTI realizan investigaciones sobre plantas fundamentales y ciencias de la vida con el objetivo de aumentar la seguridad alimentaria, mejorar la sostenibilidad ambiental en la agricultura y hacer descubrimientos básicos que mejorarán la salud humana. A lo largo de este trabajo, BTI se compromete a inspirar y educar a los estudiantes y brindar capacitación avanzada para la próxima generación de científicos. BTI es un instituto de investigación independiente sin fines de lucro que también está afiliado a la Universidad de Cornell. Para mayor información por favor visite BTIscience.org.

DOI: 10.1038/s41467-021-26644-7