Como parte de un esfuerzo por desarrollar cultivos tolerantes a la sequía y para uso alimentario y de bioenergía, científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de Estados Unidos han descubierto los mecanismos genéticos y metabólicos que permiten a ciertas plantas conservar el agua y prosperar en climas semiáridos.
Las plantas semiáridas como el agave se han adaptado para sobrevivir en áreas con poca lluvia desarrollando un modo especializado de fotosíntesis llamado metabolismo ácido de las crasuláceas o CAM. A diferencia de las plantas en ambientes más húmedos, las plantas CAM absorben y almacenan dióxido de carbono a través de poros abiertos en sus hojas por la noche, cuando es menos probable que el agua se evapore. Durante el día, los poros, también llamados estomas, permanecen cerrados mientras que la planta utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono en energía, minimizando la pérdida de agua.
Los científicos del ORNL están estudiando los mecanismos metabólicos únicos que permiten a las plantas CAM conservar el agua, con el objetivo de introducir rasgos de ahorro de agua en cultivos alimentarios y para bioenergía. Los resultados del último estudio del equipo, que se centra en el agave, se publicaron en Nature Plants como la portada de la revista.
El proceso fotosintético de la CAM, descubierto en la década de 1950, ha permanecido en gran medida como una curiosidad científica, pero los investigadores la están examinando ahora como una solución potencial para mantener la producción de alimentos y bioenergía durante la escasez de agua y la sequía.
«La demanda actual de los sistemas agrícolas para proporcionar alimentos, piensos, forraje, fibra y combustible requiere una investigación más exhaustiva para comprender las complejidades de las plantas CAM», dijo el coautor de ORNL, Xiaohan Yang. «A medida que descubrimos cada capa del proceso CAM, nuestros estudios apuntan a acelerar la evolución de los cultivos para darles la capacidad de prosperar en ambientes más áridos, ya que la disponibilidad de agua dulce se hace limitada».
Para obtener una visión integral del complejo sistema CAM, el equipo utilizó la espectrometría de masas del ORNL para comparar los rasgos moleculares del agave con una planta control, Arabidopsis, que utiliza un proceso fotosintético más común.
El equipo evaluó el comportamiento genético responsable del movimiento estomático en cada planta durante un mismo período de 24 horas. Su estudio reveló que el momento de la actividad estomática diurna versus nocturna variaba significativamente entre el agave y Arabidopsis. La investigación también señaló qué mecanismos genéticos y metabólicos señalan a las plantas CAM la orden de abrir y cerrar sus estomas. La comprensión de la sincronización de estas señales será clave para transferir los procesos de la CAM a cultivos como el arroz, el maíz, el álamo y pastizal de forraje.
«Más investigación es necesaria para entender cómo este cronometraje molecular regula a CAM, pero los resultados de este estudio aportan nuevos conocimientos sobre la complejidad del biodiseño de la CAM, con una comprensión integradora de CAM a nivel molecular» afirmó Gerald Tuskan, Fellow corporativo del ORNL y coautor. «La transferencia de maquinaria molecular CAM a cultivos energéticos facilitaría su despliegue en tierras marginales y simultáneamente reduciría la competencia con los cultivos alimenticios».