Descubrimiento sobre proteína Fotosintética podría aumentar rendimientos agrícolas
La fotosíntesis es uno de los procesos más complicados e importantes, responsable de la puesta en marcha de la cadena alimentaria del planeta. Si bien hemos modelado sus más de 100 pasos importantes, los científicos todavía están descubriendo el propósito de las proteínas que pueden ser modificadas para aumentar el rendimiento, como un grupo de científicos reportó recientemente en la revista Science. Ahora investigadores han descubierto secretos sobre otra proteína, CP12, cuya comprensión completa puede proporcionar una ruta adicional para aumentar los rendimientos en el futuro.
Hay tres formas de la proteína CP12 que regulan a las enzimas GAPDH y PRK. Piense en las enzimas como los caballos de trabajo y CP12 como el cuidador que sostiene las riendas. CP12 les dice que se pongan a trabajar cuando hay luz y los detiene cuando está oscuro.
“CP12 es un componente importante porque ayuda a las plantas a responder a los cambios en los niveles de luz, por ejemplo cuando la planta está sombreada por una hoja o una nube”, dijo Patricia López, investigadora postdoctoral del proyecto “Realizing Increased Photosynthetic Efficiency” (RIPE), quien dirigió la investigación. “CP12 detiene la actividad de las enzimas en cuestión de segundos, pero sin CP12, tardará varios minutos en retrasar la actividad, costando a la planta una energía importante”.
Publicado en el Journal of Experimental Botany, López y los co-autores encontraron que no todas las enzimas CP12 se crean iguales. Resulta que CP12-3 no es parte de este proceso, mientras que CP12-1 y CP12-2 sí están a cargo y pueden cubrirse entre sí. Si se eliminan los tres, la planta no puede fotosintetizar eficientemente, dando por resultado una planta drásticamente más pequeña con menos semillas y además más pequeñas.
Las plantas de Arabidopsis, de diez semanas de antigüedad, destacan el sorprendente efecto de la ausencia de CP12 sobre el crecimiento de las plantas. De izquierda a derecha: planta convencional con niveles normales de CP12; planta sin CP12-1 o CP12-3, y niveles reducidos de CP12-2; y las dos plantas de la derecha apenas tienen CP12. Crédito: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
De hecho, sin CP12 para “sostener las riendas”, PRK también desaparece. “PRK es un caballo de trabajo vital que proporciona las materias primas para que la enzima Rubisco los transforme en hidratos de carbono – los azúcares que la planta usa para crecer más y producir más rendimiento”, dijo Christine Raines, profesora de fisiología molecular en la Universidad de Essex.
La agricultura se está acercando a los límites de los rasgos de rendimiento que impulsaron los grandes aumentos de rendimiento durante el siglo pasado, dijo Don Ort, Director Asociado de RIPE, científico del ARS/USDA y el profesor de Biología Vegetal en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica. “Mejorar la fotosíntesis tiene la promesa de ser la próxima frontera para aumentar fuertemente los rendimientos de los cultivos, y por primera vez hay una comprensión molecular de la fotosíntesis y poderosas herramientas tecnológicas para hacer la fotosíntesis modificada una meta realista y alcanzable”.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionSimplemente no hay suficiente agua.
La próxima vez que abras una lata de refresco, piensa de dónde vino el agua que contiene.
Una lata india de Coca-Cola incluye agua de lluvia tratada, mientras que la de Maldivas puede haber sido agua de mar.
La razón por la que el líquido debe venir de fuentes tan diferentes es simple: hay una crisis global de agua potable.
Dado que el 70% de la superficie de la Tierra está cubierta de agua, y ese volumen permanece constante (1.386.000.000 kilómetros cúbicos), ¿cómo es posible que haya escasez de agua?
Bueno, el 97,5% es agua de mar no apta para el consumo humano y tanto las poblaciones como las temperaturas están aumentando continuamente.
Se prevé que la demanda mundial de agua se incrementará en un 55% entre 2000 y 2050.
Gran parte está impulsada por la agricultura, que representa el 70% del consumo mundial de agua dulce. Y la producción de alimentos tendrá que crecer un 69% para 2035 si queremos satisfacer las necesidades de la población.
También se estima que la extracción de agua con fines energéticos, utilizada para centrales de refrigeración, va a aumentar en más del 20%.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionDe las principales reservas acuíferas del mundo, 21 de 37 están disminuyendo.
A la vez, según un estudio dirigido por la NASA, muchas de las fuentes de agua dulce del mundo están siendo drenadas más rápido de lo que se están reponiendo.
De las principales reservas acuíferas del mundo (yacimientos subterráneos llenos de grava y arena), 21 de 37 están disminuyendo, desde India y China hasta Estados Unidos y Francia. La Cuenca del Ganges se está agotando en un estimado de 6,31 centímetros cada año, debido a la población y las demandas de riego.
Jay Famiglietti, científico experto en agua de la NASA, advierte que "la capa freática está cayendo por todo el mundo".
"No hay un suministro infinito de agua", dice.
México y California
La Ciudad de México, construida sobre antiguos lechos lacustres, ahora se hunde en algunas áreas a una velocidad de 22,85 centímetros al año.
Como la ciudad aprovecha del acuífero subterráneo, el efecto es como beber un batido de leche a través de un sorbete.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionLas fuentes de agua dulce son especialmente importantes después de un desastre natural, como ocurrió en Bangladesh después del ciclón Sidr en 2008.
La capital mexicana importa el 40% del líquido y Ramón Aguirre Díaz, director del Sistema de Aguas de la Ciudad de México, ha culpado de la situación a "lluvias más intensas y pesadas, lo que significa más inundaciones, pero también sequías más largas".
Algo similar ocurre en California.
De 2011 a 2016, el estado sufrió su peor sequía en 1.200 años. Sus principales recursos acuíferos disminuyeron a un ritmo combinado de 19 billones de litros por año, y aproximadamente 1.900 pozos se secaron.
Luego, en los primeros tres meses de 2017, cayeron precipitaciones un 228% por encima del nivel normal debido al cambio climático, señalan los científicos.
Sin embargo, incluso cuando una sequía termina tan espectacularmente como la de California, los acuíferos subterráneos no se vuelven a llenar repentinamente.
Según Famiglietti, en California se necesitarían cuatro años de lluvia por encima del promedio para que eso suceda. E incluso entonces, "California seguirá perdiendo agua; el estado simplemente no tiene suficiente agua para hacer todas las cosas que quiere hacer".
Las consecuencias
¿Pero qué más podría significar todo esto, más allá del hecho de que nuestro suministro de agua potable podría estar muy limitado?
Algunas hipótesis sugieren que la mayor escasez de agua en todo el mundo dará lugar a guerras.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionTodas las soluciones que conocemos para el problema del agua tienen desventajas en términos de costo y eficiencia.
La actual guerra civil siria ha sido citada como ejemplo reciente de ello por muchos, entre ellos Peter Engelke, investigador del Consejo Atlántico, con sede en Washington.
"Entre 2007 y 2010, Siria experimentó una de las peores sequías de su historia. Su efecto fue diezmar a las comunidades rurales y expulsar a cientos de miles de personas de las tierras y ciudades de Siria, donde fueron marginadas", señala.
Anders Berntell, director ejecutivo de 2030 Water Resources Group, un organismo multisectorial de recursos hídricos, también sugiere un vínculo con Boko Haram y Al Shabab, ya que los jóvenes "se dan cuenta de que, como resultado de la falta de recursos naturales, las tierras degradadas y la falta de agua no hay oportunidades de subsistencia".
"No hay futuro para ellos. Se convierten en blanco fácil", agrega Berntell. Son más fáciles de radicalizar.
Todo esto podría predecir un futuro sombrío. Pero algunas naciones han creado soluciones. Y es impresionante lo que el resto del mundo puede aprender.
Lecciones globales
Por ejemplo, Australia sobrevivió a su "sequía del milenio", de 1997 a 2009, mediante la aplicación rápida de medidas que redujeron a la mitad el uso comercial y residencial del agua.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionLas capas de hielo de la Tierra y los glaciares conservan 68% del agua dulce en el planeta, pero los científicos creen que el cambio climático inducido por el ser humano es responsable de su rápido derretimiento.
"Australia es el modelo de referencia", dice Richard Damania, economista encargado de Práctica Global de Agua del Banco Mundial; la clave era ponerle un precio al agua y convertirla en un producto comercializable.
Otro modelo es Israel, que considera la disponibilidad de agua como una cuestión de seguridad nacional.
Mediante el reciclaje de aguas residuales, incluyendo las domésticas, la instalación de tratamiento de aguas residuales de Shafdan cerca de Tel Aviv suministra aproximadamente 140 millones de metros cúbicos de agua al año para uso agrícola, cubriendo unas 20.234 hectáreas de tierras de regadío.
Más del 40% de las necesidades agrícolas de agua de Israel son ahora abastecidas con aguas residuales.
El lodo residual también se envía a una planta de digestión anaeróbica, que utiliza el metano como combustible para producir energía renovable.
Los sistemas de tratamiento de agua de Israel recuperan el 86% del agua que cae por el desagüe; el país que le sigue, España, recicla sólo el 19%.
Israel es también líder mundial en la desalinización, o sea, en convertir el agua de mar en potable. Más de la mitad del agua potable de Israel proviene ahora de la desalinización.
Posibles soluciones
¿Puede el mundo simplemente desalinizar como salida a la crisis de agua dulce? Es improbable, dice Damania.
"En promedio es de cinco a siete veces más caro. El gasto energético es enorme, y tienes que hacer algo con la sal", dice.
Derechos de autor de la imagenGETTY IMAGESImage captionLas plantas de tratamiento, como ésta en Bolivia, dependen de la lluvia y del agua de los glaciares. Y estas dos fuentes están amenazadas por el cambio climático.
Y pone como ejemplo lo que ha sucedido en dos zonas que dependen mucho de la desalinización como Kuwait y Dubái.
"Si observas imágenes aéreas alrededor de las costas, verás los estragos causados a los ecosistemas marinos. Dado los costos, tanto económicos como ecológicos, es sólo una solución de boutique en lugares muy ricos".
Una respuesta más simple y más barata es recoger agua de lluvia.
El tanque de recogida de aguas pluviales más grande de Melbourne puede almacenar cuatro millones de litros de agua parcialmente tratada.
Autoridades de Kerala, Bermuda y las Islas Vírgenes de Estados Unidos requieren que todos los edificios nuevos incorporen la recolección de agua de lluvia, mientras que Singapur satisface hasta el 30% de sus necesidades de agua potable de este modo.
Incluso en Manchester, Inglaterra, donde llueve en promedio 12 días al mes, se están haciendo esfuerzos para recolectar la lluvia.
Debido a las presiones de costos, las empresas podrían ser un factor aún mayor que los gobiernos para lograr eficiencia del agua.
En Coca-Cola, Greg Koch, director de Administrador Global del Agua, está de acuerdo en que hay "intereses creados".
"Acabamos de abrir una planta de US$100 millones en Camboya, una planta de US$60 millones en Bangladesh. Queremos que estén allí durante décadas y sirvan a un mercado contiguo, así que tenemos que actuar", señala.
Esto ha incluido la instalación de las últimas técnicas de riego por goteo en granjas que comparten los mismos acuíferos que Coca-Cola, independientemente de si son proveedores directos o no de la compañía.
Cualquiera que sea el modelo efectivo de conservación de agua dulce que obtengamos, necesitamos encontrar uno. Y más temprano que tarde.
Nuevo descubrimiento ayudaría a aumentar en 50% la tolerancia a la sequía en cultivos agrícolas
Un nuevo hallazgo de científicos de Australia ha ayudado a que algunas plantas sobrevivan un 50% más en condiciones de sequía y podría beneficiar eventualmente a importantes cultivos como la cebada, el arroz y el trigo, que son cruciales para el suministro mundial de alimentos.
El equipo de investigación, liderado por el Dr. Wannarat Pornsiriwong, el Dr. Gonzalo Estavillo, el Dr. Kai Chan y el Dr. Barry Pogson, de la Escuela de Biología de la Universidad Nacional de Australia (ANU), mapearon una nueva vía de señalización molecular que controla la capacidad de las plantas de cerrar los poros de sus hojas para conservar agua durante el estrés por sequía. La investigación fue publicada en eLIFE.
“Esta investigación científica básica tiene el potencial de mejorar la productividad agrícola no sólo en Australia, sino potencialmente en otros países que sufren de estrés por sequía”, dijo el Dr. Pogson. “Si podemos incluso aliviar el estrés por sequía un poco, tendría un impacto significativo en nuestros agricultores y en la economía”.
Los investigadores descubrieron que los cloroplastos, orgánulos de la célula vegetal mejor conocidos por su papel en la fotosíntesis, son en realidad actores clave que trabajan junto con las hormonas vegetales durante el estrés por sequía.
El Dr. Pogson dijo que la investigación encontró cloroplastos en las células que rodean los poros de las hojas, llamados estomas, pueden sentir el estrés por sequía y por lo tanto activar una señal química que cierra los estomas para así conservar el agua.
“Este hallazgo fue completamente inesperado y abre nuevas vías de investigación sobre cómo los cloroplastos pueden contribuir a las respuestas de la planta al medio ambiente”, dijo el Dr. Pogson.
El equipo realizó pruebas en la cebada y Arabidopsis, una pequeña planta ampliamente usada como modelo de investigación en laboratorio, y mejoraron los niveles de la señal del cloroplasto que ayuda a las plantas a cerrar los estomas.
“Aumentar los niveles de esta señal del cloroplasto también restablece la tolerancia en plantas sensibles a la sequía y extendió su supervivencia a la sequía en un 50%”, dijo Chan.
Afirmó que impulsar la señal del cloroplasto, mediante estrategias de fitomejoramiento, modificación genética o técnicas agronómicas, podría ser la clave para ayudar a las plantas a preservar el agua y aumentar la tolerancia a la sequía.
“La Dra. Pornsiriwong, que ha iniciado su propio laboratorio de investigación en Tailandia, está investigando actualmente estrategias de mejoramiento que, naturalmente, aumentan los niveles de esta señal de cloroplasto que promueve la tolerancia a la sequía en el arroz”, dijo Chan.
La investigación fue financiada por el Centro Australiano de Investigación de Excelencia en Biología de la Energía Vegetal y fue una colaboración entre ANU, la Universidad de Adelaida, la Universidad de Western Sydney, CSIRO, la Universidad de Kasertsart (Tailandia) y la Universidad de California San Diego).
