La agricultura ya monopoliza el 90 por ciento del agua dulce mundial; sin embargo, la producción aún necesita aumentar dramáticamente para alimentar y alimentar a la creciente población de este siglo.
Por primera vez, los científicos han mejorado la forma en que un cultivo utiliza agua en un 25 por ciento sin comprometer el rendimiento al alterar la expresión de un gen que se encuentra en todas las plantas, como se informó en Nature Communications .
La investigación es parte del proyecto de investigación internacional Realizando el aumento de la eficiencia fotosintética (RIPE) que cuenta con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de la Agricultura y la Alimentación y el Departamento de Desarrollo Internacional del Reino Unido.
«Este es un gran avance», dijo el director de RIPE, Stephen Long, presidente de Ikenberry de Biología Vegetal y Ciencias de Cultivos. «Los rendimientos de los cultivos han mejorado constantemente en los últimos 60 años, pero la cantidad de agua requerida para producir una tonelada de grano no ha cambiado, lo que llevó a la mayoría a suponer que este factor no podría cambiar. Demostrar que nuestra teoría funciona en la práctica debería abrir la puerta a mucha más investigación y desarrollo para lograr este objetivo tan importante para el futuro «.
El equipo internacional aumentó los niveles de una proteína fotosintética (PsbS) para conservar el agua engañando a las plantas para que cierren parcialmente sus estomas, los poros microscópicos de la hoja que permiten que el agua escape. Los estomas son los guardianes de las plantas: cuando se abre, el dióxido de carbono ingresa a la planta para alimentar la fotosíntesis, pero se permite que el agua escape a través del proceso de transpiración.
«Estas plantas tenían más agua de la que necesitaban, pero ese no siempre será el caso», dijo la coautora Katarzyna Glowacka, investigadora postdoctoral que dirigió esta investigación en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB). «Cuando el agua es limitada, estas plantas modificadas crecerán más rápido y producirán más, pagarán menos penalización que sus contrapartes no modificadas».
El equipo mejoró la eficiencia en el uso del agua de la planta (la proporción de dióxido de carbono que ingresa a la planta y el escape de agua) en un 25 por ciento sin sacrificar significativamente la fotosíntesis o el rendimiento en ensayos de campo del mundo real. La concentración de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado en un 25 por ciento en los últimos 70 años, lo que permite que la planta acumule suficiente dióxido de carbono sin abrir completamente sus estomas. «La evolución no ha seguido el ritmo de este rápido cambio, por lo que los científicos lo han ayudado», dijo Long, quien también es profesor de ciencias de cultivos en la Universidad de Lancaster.
Cuatro factores pueden provocar que los estomas se abran y cierren: la humedad, los niveles de dióxido de carbono en la planta, la calidad de la luz y la cantidad de luz. Este estudio es el primer informe de piratería de respuestas estomáticas a la cantidad de luz.
PsbS es una parte clave de una vía de señalización en la planta que transmite información sobre la cantidad de luz. Al aumentar PsbS, la señal dice que no hay suficiente energía de luz para que la planta realice la fotosíntesis, lo que provoca que los estomas se cierren ya que no se necesita dióxido de carbono para alimentar la fotosíntesis.
Esta investigación complementa el trabajo anterior, publicado en Science , que mostró que aumentar PsbS y otras dos proteínas pueden mejorar la fotosíntesis y aumentar la productividad hasta en un 20 por ciento. Ahora el equipo planea combinar las ganancias de estos dos estudios para mejorar la producción y el uso del agua al equilibrar la expresión de estas tres proteínas.
Para este estudio, el equipo probó su hipótesis usando tabaco, un cultivo modelo que es más fácil de modificar y más rápido de probar que otros cultivos . Ahora aplicarán sus descubrimientos para mejorar la eficiencia en el uso del agua de los cultivos alimentarios y evaluar su eficacia en condiciones de agua limitada.
«Hacer que las plantas de cultivo sean más eficientes en el uso del agua es posiblemente el mayor desafío para los científicos de plantas actuales y futuros», dijo el coautor Johannes Kromdijk, investigador postdoctoral en el IGB. «Nuestros resultados muestran que una mayor expresión de PsbS permite que las plantas de cultivo sean más conservadoras con el uso del agua, lo que creemos que ayudará a distribuir mejor los recursos hídricos disponibles durante la temporada de crecimiento y mantener el cultivo más productivo durante los períodos secos».