La alta concentración de CO2 protege al sorgo contra la sequía y mejora las semillas

Al estudiar las interacciones entre los órganos del cereal, investigadores observaran que el CO2 elevado preserva la humedad del suelo seco y ajusta el metabolismo de la planta

Por Diego Freire

Agência FAPESP – La alta concentración de dióxido de carbono (CO₂) en la atmósfera, una de las principales causas del efecto invernadero, tiene un efecto benéfico en la fisiología del sorgo, uno de los cereales más cultivados en el mundo, según se concluyó en un estudio realizado en el Instituto de Biociencias (IB) de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, que se publicó en Plant Physiology.

Los investigadores observaron que, cuando la planta se encuentra en ambientes con baja humedad, el CO₂ no sólo la protege contra la sequía, sino que promueve un ajuste metabólico sistémico que lleva a sus semillas a acumular un 60% más de proteínas.

“De esta forma, a ejemplo del sorgo, plantas en situación de estrés hídrico debido al avance de los cambios climáticos podrán verse protegidas como consecuencia del aumento de CO₂ en la atmósfera. Se trata de una condición indeseable, pero que puede enseñar mucho en lo atinente al comportamiento de plantas similares al sorgo y al desarrollo de estrategias de mejoramiento”, dijo Marcos Silveira Buckeridge, responsable de la investigación intitulada Uso del abordaje de la biología de sistemas para desarrollar un modelo de funcionamiento en plantas, realizada con el apoyo de la FAPESP en el marco de un acuerdo de cooperación con Microsoft Research.

Este descubrimiento expande la comprensión referente a los impactos de los cambios climáticos globales sobre otras gramíneas, tales como la caña de azúcar y el maíz. Según Buckeridge, se trata del primer análisis sistémico de los efectos de la combinación de alta concentración de CO₂ y sequía sobre el sorgo considerando interacciones entre diferentes órganos de la planta.

“Mientras que la mayoría de los estudios en el área se concentra en partes específicas de las plantas, tales como la hoja, el tallo o la raíz, nosotros apuntamos a entender al sorgo como un sistema, estudiando las interacciones entre sus órganos cuando se los somete al estrés hídrico combinado a altos niveles de CO₂. De esta forma es posible comprender mejor las implicaciones de modificarse una serie de genes de esa planta o introducir una vía metabólica entera en uno de sus órganos, por ejemplo: un sistema en el tallo que haga que la misma transporte más rápido el agua. Para ello es necesario entender qué sucede no sólo en el tallo, sino también en la hoja, en la flor y en la semilla. Este trabajo aporta una visión más amplia, sin perder la especificidad de una mirada al nivel más reducido de los procesos, o de la bioquímica”, comentó.

El sorgo, muy similar genéticamente a la caña de azúcar, es un modelo excelente para estudiar gramíneas económicamente más importantes para Brasil debido a la simplicidad de su genoma, ya completamente secuenciado y disponible en el seno de la comunidad científica internacional.

El origen de la capacidad de utilizar el CO₂ a su favor reside en una peculiaridad de la fotosíntesis de esa familia de plantas, del tipo C4, que incluye a varias gramíneas, tales como la caña de azúcar y el maíz.

“Las gramíneas tienen esa peculiaridad: la fotosíntesis C4, un sistema sumamente eficiente que deriva en modificaciones anatómicas y bioquímicas en las hojas y que hacen que el CO₂ sea aprovechado de una manera más eficiente”, explicó Buckeridge.

Para analizar las interacciones entre los órganos de la planta a lo largo del proceso, los investigadores del IB, en colaboración con la Ohio University, en Estados Unidos, realizaron estudios de metabolómica, que tienen en cuenta el conjunto de todos los metabolitos producidos o modificados en un organismo y dilucidan la función y la relación entre los genes, sus mecanismos de expresión, las proteínas expresadas, su regulación y el resultado metabólico de ese sistema.

Las plantas estudiadas fueron sometidas a una combinación de alto dióxido de carbono y baja humedad durante 120 días, en la etapa de llenado de los granos. La fotosíntesis de las hojas, la respiración y la conductancia estomática –el intercambio gaseoso entre la hoja y el medio externo– se midieron a los 90 y a los 120 días después del plantío, y los órganos de la planta –las hojas, el culmo o tallo, las raíces y los granos– se recabaron al final. Se evaluaron la biomasa y los metabolitos intracelulares de cada órgano, y los investigadores observaron que el CO₂ elevado disminuyó la conductancia estomática, lo que preservó la humedad del suelo bajo la sequía.

“Aunque se hayan observado pequeños efectos fisiológicos, el cultivo de sorgo bajo CO₂ atmosférico elevado alivió la pérdida de la calidad de los granos causada por la baja humedad durante la etapa de llenado, debido a un atraso en las respuestas fisiológicas y metabólicas a la sequía. Aparte de demostrar por primera vez las respuestas metabólicas simultáneas de distintos órganos de una planta cultivada en esas esas condiciones, el estudio también apunta de qué modo los cambios en cada órgano pueden tener efectos sobre la composición de los granos.”

El descubrimiento abre el camino hacia la comprensión de cuáles son los genes responsables de esto, con relieve para posibles aspirantes que ayuden a entender mejor de qué manera interactúan los órganos de la planta para hacer que la semilla se perfeccione. “Podemos llegar al desarrollo de un mapa genético que permita una ingeniería del sorgo y de otras plantas, pese a las diferencias metabólicas entre ellas. Esto puede ayudarnos a enfrentar mejor los cambios climáticos en el futuro, ya que podremos ajustar el metabolismo de las plantas, de ser necesario”, consideró Buckeridge.

Puede leerse el artículo intitulado Changes in whole-plant metabolism during grain-filling stage in Sorghum bicolor L. (Moench) grown under elevated CO₂ and drought (doi: http://dx.doi.org/10.1104/pp.15.01054), de Amanda Pereira de Souza y otros, en la siguiente dirección: www.plantphysiol.org/content/early/2015/09/02/pp.15.01054.abstract.