Hace más de 3 millones de años, la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas convierten luz, agua y dióxido de carbono en energía, apareció por primera vez en bacterias antiguas.
Este proceso evolucionó en plantas más complejas hasta alcanzar dos tipos principales: C3 y C4.
Mientras que la mayoría de las plantas continúan utilizando el sistema C3, más antiguo y prevalente, alrededor de 8,000 especies han adoptado la fotosíntesis C4, una versión más eficiente que surgió hace 30 millones de años y permite un mejor desempeño en condiciones de calor y sequía.
Diferencias entre fotosíntesis C3 y C4
El 95 % de las plantas actuales dependen de la fotosíntesis C3, en la cual las células del mesófilo convierten los insumos en azúcares.
Sin embargo, este sistema presenta limitaciones: en un 20 % de los casos, utiliza oxígeno en lugar de dióxido de carbono, lo que desperdicia energía.
Además, los poros foliares permanecen abiertos por mucho tiempo, aumentando la pérdida de agua.
Por otro lado, las plantas C4, como el maíz y el sorgo, han optimizado el proceso al integrar células de la vaina del haz, que realizan la fotosíntesis junto con las del mesófilo.
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Esto elimina errores en el uso del oxígeno y permite mantener los poros cerrados con mayor frecuencia, conservando agua y aumentando la eficiencia energética en un 50 %.
Descubrimiento clave
Un estudio reciente realizado por científicos del Instituto Salk y la Universidad de Cambridge ha identificado cómo las plantas C4 alcanzaron esta eficiencia.
Utilizando tecnología de genómica unicelular, los investigadores descubrieron que la transición de C3 a C4 no implica la adición o eliminación de genes, sino una reorganización en la regulación de los mismos.
Los factores de transcripción DOF desempeñan un papel importante en este proceso.
Estas proteínas, responsables de activar genes específicos, permiten que las células de la vaina del haz realicen la fotosíntesis al vincular elementos reguladores ancestrales a los genes relacionados con este proceso.
Según el profesor José Ecker, autor principal del estudio, “la diferencia está en un nivel regulatorio, lo que podría facilitarnos a largo plazo activar una fotosíntesis C4 más eficiente en los cultivos C3”.
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Cultivos más productivos y sostenibles
El objetivo principal de los investigadores es determinar si cultivos básicos como el arroz, que utilizan fotosíntesis C3, pueden modificarse genéticamente para emplear el sistema C4.
Aunque este reto técnico es a largo plazo, los hallazgos ya han generado gran entusiasmo en la comunidad científica.
El “Proyecto de arroz C4”, un esfuerzo colaborativo global, busca desarrollar estas mejoras, mientras que iniciativas como la de “Plantas de aprovechamiento de Salk” trabajan en soluciones inmediatas para crear cultivos más robustos frente al cambio climático.
Modificar genéticamente una planta C3 para que utilice el sistema C4 implica superar varios obstáculos complejos.
En primer lugar, los cambios genéticos deben garantizar que las células de la vaina del haz, propias de las plantas C4, adopten características estructurales y realicen la fotosíntesis.
Esto requiere una regulación precisa de los factores de transcripción y los elementos reguladores que activan los genes correctos en el momento adecuado.
Además, la fotosíntesis C4 depende de una anatomía foliar especializada, conocida como anatomía de Kranz, que no está presente en las plantas C3.
Crear esta estructura requiere coordinar múltiples procesos de desarrollo que hasta ahora no se comprenden completamente.
Otro reto es lograr que las plantas C3 modifiquen su metabolismo para incorporar las enzimas características de la fotosíntesis C4, como la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC), sin comprometer la función de otros sistemas celulares.
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Finalmente, la implementación de estos cambios debe ser económicamente viable y mantenerse estable a través de generaciones, algo que sigue siendo un obstáculo técnico y logístico considerable.
El estudio involucró a científicos de renombre de diversas instituciones, como Travis Lee y Joseph Nery del Instituto Salk, y Julian Hibberd de Cambridge.
Fue financiado por entidades como el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Bill y Melinda Gates, y el Proyecto C4 Rice, demostrando la relevancia global de este tema.
Relevante estudio
Los avances en la comprensión de la fotosíntesis C4 representan un paso importante hacia la agricultura sostenible en un mundo en constante cambio.
Al modificar los cultivos para aprovechar esta forma más eficiente de fotosíntesis, se vislumbra la posibilidad de enfrentar los retos de la inseguridad alimentaria con una base científica sólida.
Como afirma Joseph Swift, investigador principal del estudio, “el objetivo final es intentar activar la fotosíntesis C4 y, a su vez, crear cultivos más productivos y resistentes para el futuro”.
Fuente: Salk
