Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan han resuelto un rompecabezas que podría ayudar a que el pasto varilla alcance todo su potencial como un cultivo de biocombustible sostenible y de bajo costo y reduzca nuestra dependencia de los combustibles fósiles.
por Matt Davenport, Universidad Estatal de Michigan
Entre las características atractivas de Switchgrass se encuentran que es perenne, de bajo mantenimiento y nativo de muchos estados en el este de los EE. UU., incluido Michigan. Pero también tiene un comportamiento peculiar en su contra que ha bloqueado a los investigadores, al menos hasta ahora.
El equipo de Berkley Walker en el Departamento de Biología Vegetal de MSU ha revelado por qué el pasto varilla deja de realizar la fotosíntesis a mediados del verano, su temporada de crecimiento, lo que limita la cantidad de biocombustible que produce.
Este conocimiento, publicado en la revista Frontiers in Plant Science , es una pieza clave para superar esta peculiaridad y aprovechar al máximo el pasto varilla.
«Queremos plantas más grandes, punto, así que ser capaces de resolver esto y eliminar esta limitación, ese es el objetivo», dijo Mauricio Tejera-Nieves, investigador postdoctoral y autor principal del estudio del equipo.
Tejera-Nieves, Walker y sus colegas descubrieron la explicación de esta limitación en los rizomas de switchgrass. Estas son pequeñas estructuras nudosas que viven bajo tierra entre las raíces de la planta. Si alguna vez has rebanado o rallado jengibre, has sostenido un rizoma.
Los rizomas almacenan alimentos en forma de almidón para ayudar a las plantas a sobrevivir el invierno, y ese almidón se produce a partir de los azúcares producidos por la fotosíntesis. Una vez que los rizomas de switchgrass están llenos de almidón, le indican a la planta que deje de producir azúcares y agregue biomasa a través de la fotosíntesis.
Tejera-Nieves comparó los rizomas con un banco, aunque un poco inusual.
«Imagínese recibir una llamada de su banco y le digan: ‘Oye, tu cuenta está llena. Puedes tomarte unas vacaciones, tomarte un año sabático, hacer lo que quieras. Simplemente deja de trabajar porque no estamos almacenando más dinero'». dijo Tejera-Nieves. «Es una estrategia muy conservadora, pero es una que funciona para el pasto varilla. Cuanto más tiempo esté haciendo la fotosíntesis en la naturaleza, más probable es que un animal se lo coma o que ocurra algo malo».
Aunque esta estrategia evolutiva ha funcionado en beneficio de la planta en la naturaleza, es una desventaja para los humanos que quieren fermentar la biomasa de switchgrass en biocombustible. Sin embargo, al comprender la causa raíz de este comportamiento, los investigadores pueden comenzar a buscar formas de evitarlo.
«Ahora podemos comenzar a buscar soluciones de reproducción», dijo Walker, profesor asistente en la Facultad de Ciencias Naturales que también trabaja en el Laboratorio de Investigación de Plantas de Energía del Departamento de MSU. «Podemos empezar a buscar plantas que tengan un apetito insaciable por la fotosíntesis».
‘¿Por qué estás haciendo eso?’
Switchgrass aún tiene que unirse a plantas que incluyen maíz y caña de azúcar como fuente comercializada de biocombustible.
Pero eso tiene sentido porque esos cultivos establecidos tienen una gran ventaja inicial, dijo el equipo de MSU. Los agricultores han estado seleccionando y reproduciendo versiones de esos cultivos que tienen cualidades que nos resultan atractivas, como un mayor contenido de azúcar, durante miles de años.
En comparación, el interés de la humanidad por el pasto aguja como fuente de biocombustibles es mucho más reciente. Por lo tanto, es natural que el pasto varilla muestre algunos comportamientos subóptimos que a los investigadores les gustaría resolver, como detener la fotosíntesis sin explicación.
«Las plantas llegan a la mitad de la temporada y dicen: ‘Está bien, hemos terminado'», dijo Walker.
«Como investigador, literalmente te preguntas: ‘¿Por qué haces eso? Hace calor, sale el sol y tus hojas están verdes. ¿Qué está pasando?'», dijo Tejera-Nieves.
Tejera-Nieves se unió al equipo de Walker con una hipótesis para responder eso, así como los medios para probarlo con el apoyo del Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos, o GLBRC. Sospechó que la falta de agua podría estar jugando un papel.
Además de otorgarle una beca a Tejera-Nieves, el GLBRC había construido lo que se llama refugios de exclusión de lluvia en los campos de la Estación Biológica WK Kellogg de MSU. Estos hacen exactamente lo que promete su nombre: excluyen la lluvia. Las plantas debajo de los refugios permanecen secas mientras que sus vecinos afuera pueden absorber libremente las salpicaduras, las lluvias y las tormentas.
Los refugios presentaron el lugar perfecto para probar la idea de Tejera-Nieves, incluso si no salió exactamente como él predijo inicialmente.
«Si la limitación de agua fuera la razón del comportamiento, las plantas debajo de los refugios no funcionarían bien», dijo Tejera-Nieves. «Pero no lo hicieron. Después de seis meses de limitación de agua, las plantas debajo del refugio estaban tan felices como las plantas afuera».
Entonces, necesitaba profundizar un poco más, literalmente, para ver lo que estaba sucediendo en los rizomas. Descubrió que los niveles de almidón de todas las plantas crecían con el tiempo hasta que alcanzaban un nivel máximo y luego permanecían estables. Una vez que eso sucedió, la fotosíntesis en las hojas de las plantas se apagó.
«Una vez que los rizomas están llenos, la planta simplemente se detiene», dijo Tejera-Nieves.
«Puedes verlo tan claramente en los datos», dijo Walker. «Las plantas hacen la fotosíntesis en el verano para ahorrar carbono para el invierno y, tan pronto como tienen suficiente, se apagan».
Uno de los próximos pasos para el equipo es desarrollar una mejor comprensión de la maquinaria molecular que coordina este cierre de la fotosíntesis. Ese conocimiento podría revelar aún más pistas sobre cómo anular el comportamiento de la planta y puede resultar útil para los cultivos de biocombustibles más allá del pasto varilla .
«Se ven tendencias similares con la fotosíntesis en las plantas perennes», dijo Walker. «Tendríamos que mirar para estar seguros, pero creemos que podría ser el mismo mecanismo».
Más información: Mauricio Tejera-Nieves et al, Declinación estacional en la fotosíntesis de la hoja en pasto varilla perenne explicado por las limitaciones del sumidero y el déficit de agua, Frontiers in Plant Science (2023). DOI: 10.3389/fpls.2022.1023571
