Una investigadora de Cornell y sus colegas han resuelto una pieza clave del rompecabezas molecular necesario para mejorar drásticamente la productividad de las plantas y aumentar el secuestro de carbono: han transferido con éxito regiones clave de un alga roja altamente eficiente a una planta de tabaco, utilizando bacterias como intermediario.
por Krisy Gashler, Universidad de Cornell
El estudio fue coautor de Laura Gunn, profesora asistente en la Sección de Biología Vegetal de la Escuela de Ciencias Integrales de las Plantas en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, y apareció en la portada de Nature Plants .
El estudio se centra en Rubisco, la proteína más abundante en todos los ecosistemas de la Tierra. Rubisco realiza el primer paso de la fotosíntesis mediante la fijación de carbono, y aparece en varias formas en una amplia gama de organismos, incluidas plantas, algas rojas y verdes y bacterias. Rubisco es lento y tiene dificultades para diferenciar entre el oxígeno y el dióxido de carbono, un problema en el que están trabajando Gunn y varios otros cornellianos. Como resultado, Rubisco a menudo limita el crecimiento de las plantas y el rendimiento de los cultivos.
Una especie de alga roja, Griffithsia monilis (Gm), contiene rubisco que es un 30 % más eficiente en la fijación de carbono que el rubisco en otros organismos, incluidos los cultivos terrestres. Durante al menos 20 años, los científicos han estado interesados en trasplantar el altamente eficiente GmRubisco en plantas como el arroz, el trigo, la soja y el tabaco para aumentar su productividad; sin embargo, hasta ahora, nadie ha podido persuadir con éxito a las plantas para que lo expresen.
Esto se debe a que Rubisco requiere múltiples «acompañantes» que son esenciales para que la proteína se pliegue, se ensamble y esté activa (hay siete ayudantes de este tipo en las plantas de tabaco) y la mayoría de los acompañantes en las algas rojas son desconocidos, dijo Gunn.
En su estudio, Gunn y sus coautores pudieron resolver la estructura 3D de GmRubisco y usar esta información para injertar con éxito una pequeña cantidad de regiones de Rhodobacter sphaeroides (RsRubisco) en un Rubisco bacteriano.
«RsRubisco no es muy eficiente, pero está muy relacionado con GmRubisco, son como primos, lo que significa que, a diferencia de la planta terrestre Rubisco, acepta las secuencias injertadas», dijo Gunn. “RsRubisco tampoco necesita chaperones especiales para plegarse y montarse en plantas terrestres ”.
El cambio aumentó la tasa de carboxilación, la velocidad a la que Rubisco inicia el proceso de fijación de carbono, en un 60 %, aumentó la eficiencia de carboxilación en un 22 % y mejoró la capacidad de RsRubisco para distinguir entre el dióxido de carbono y el oxígeno en un 7 %.
Luego, los autores trasplantaron su mutante bacteriano al tabaco, donde duplicó la fotosíntesis y el crecimiento de la planta, en comparación con el tabaco cultivado con RsRubisco inalterado. El tabaco es la planta terrestre más fácil para manipular Rubisco y, por lo tanto, sirve como caso de prueba para desarrollar un Rubisco más eficiente que pueda transferirse a especies más relevantes desde el punto de vista agronómico, dijo Gunn.
«No estamos en el punto en el que estemos superando al tabaco de tipo salvaje, pero estamos en la trayectoria correcta», dijo Gunn. «Solo necesitamos mejoras bastante modestas en el rendimiento de Rubisco, porque incluso un aumento muy pequeño durante toda una temporada de crecimiento puede generar cambios masivos en el crecimiento y el rendimiento de las plantas, y las aplicaciones potenciales abarcan muchos sectores: mayor producción agrícola; biocombustibles más eficientes y asequibles». producción; enfoques de secuestro de carbono; y posibilidades de energía artificial».
Más información: Yu Zhou et al, Injerto de Rhodobacter sphaeroides con algas rojas Rubisco para acelerar la catálisis y el crecimiento de las plantas, Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01436-7
