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Cuaderno Nº 107  

La fotosíntesis II: Fotosíntesis y Biotecnología
 

La población mundial crece a gran velocidad. Uno de los problemas que surge en este escenario es: ¿cómo se responde a la demanda alimentaria creciente?
Para que la demanda de comida en el mundo sea satisfecha será necesario un incremento en el rendimiento de los cultivos. Se cree que el maíz, arroz, trigo, soja, cebada y sorgo serán las más importantes fuentes nutricionales del futuro.
En el caso del arroz, por ejemplo, se estima que se necesitará un incremento del rendimiento del 50% para el año 2030. Dado que el índice de cosecha para muchos cultivos ha alcanzado el máximo valor, es decir que no se puede aumentar la superficie de cultivo, el aumento en el rendimiento se logrará a través de un incremento en la biomasa del cultivo y en la fotosíntesis neta. Para esto es necesario aumentar el área de las hojas, o la fotosíntesis neta por área de hoja. Es decir, habrá que lograr un aumento en la fotosíntesis por hoja.
La pregunta es: ¿qué parte del proceso fotosintético puede ser modificado para aumentar la cantidad de CO2 fijado?
El mejoramiento genético, el uso de fertilizantes, y la optimización del manejo de los diferentes cultivos desde mediados de los ‘50 han generado un importante incremento mundial en el rendimiento potencial y real de la inmensa mayoría de los  cultivos.  Esta tendencia deberá mantenerse, pero aún con mayores tasas de aumento en los rendimientos.  

Factores que modulan la fotosíntesis
Aumentar la tasa de fotosíntesis resulta la estrategia más lógica y promisoria para incrementar el rendimiento de los diferentes cultivos. Esta idea se basa en que toda la materia seca producida depende del proceso de fotosíntesis. Sin embargo, su  puesta en práctica no es tan simple. La fotosíntesis es un proceso que no ocurre aislado de su entorno. El medioambiente tiene un efecto muy marcado en la eficiencia fotosintética de las distintas plantas. ¿Como hacer para regular un proceso en el que están implicadas 50 reacciones enzimáticas? ¿Como regular un proceso en el cual todas las reacciones involucradas se ven alteradas por el medioambiente?
Existen factores internos y externos que pueden regular en mayor o menor medida a la fotosíntesis, como muestra la ilustración:

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Factores internos y externos que influyen en el proceso fotosintético

Cada uno de los factores ambientales citados afecta la tasa de fotosíntesis de diferente manera:
La concentración del CO2 es uno de los factores ambientales con mayor influencia sobre la fotosíntesis y sobre el crecimiento de las plantas. Este gas estimula la fotosíntesis por su función de sustrato. 
En cambio, altas concentraciones de O2 inhiben el proceso de fotosíntesis.
Los altos niveles de luz (energía lumínica) permiten que se exprese la máxima capacidad de fotosíntesis, mientras no haya restricción de agua y nutrientes. Aumentar la penetración de radiación dentro del área de cultivo es una forma de inducir mayores tasas fotosintéticas.
En cuanto a la temperatura, las plantas viven y fotosintetizan en una gran variedad de hábitats con grandes diferencias en sus condiciones térmicas. Como en cualquier otro proceso bioquímico, la capacidad fotosintética de cada especie tiene un óptimo de temperatura. La mayor eficiencia de fotosíntesis ocurre a la temperatura óptima para ese cultivo. Por encima de ese valor, la fotosíntesis disminuye por la desnaturalización (pérdida de la estructura espacial) de las enzimas.
Los factores internos que aumentan la tasa de fotosíntesis son el contenido de clorofila en cloroplastos, la duración del pigmento en las hojas, la apertura de los estomas (que intercambian gases con el entorno), y la actividad de la enzima denominada rubisco).

Una enzima clave: la rubisco
La enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa-oxigenasa) cataliza una reacción clave en la fotosíntesis: la asimilación y fijación del CO2 en la vía de síntesis de materia orgánica (ver cuaderno 106). La actividad de la enzima rubisco es la variable interna de mayor influencia sobre la fijación de CO2. Se han encontrado diferencias importantes en la actividad de esta enzima entre plantas con alta o baja tasa fotosintética. Pero, esta enzima también cataliza un proceso opuesto al anterior: la fotorrespiración. Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como fotorrespiración (que no debe confundirse con la respiración mitocondrial).
La Rubisco es la enzima más abundante de la biosfera y constituye alrededor del 50% de la proteína soluble de las hojas de las plantas. La estructura de la rubisco en eucariotas y algunos procariotas consiste en 8 subunidades grandes y 8 subunidades pequeñas. El sitio activo se encuentra en las subunidad grande. De modo que existen ocho sitios activos por molécula de Rubisco.
En cambio, la mayoría de las bacterias presentan rubisco de 4 subunidades grandes y 4 chicas. En particular, la rubisco de Rhodospirillum rubrum, presenta una estructura más simple aún: dos subunidades grandes y dos pequeñas. 
La reacción catalizada por la rubisco es limitante en la  etapa de foto-asimilación de la fotosíntesis. Se trata de una enzima ineficiente, por ello se esta investigando la optimización de su actividad catalítica por ingeniería genética.  

La enzima rubisco es considerada ineficiente por dos motivos:

1. Tiene baja tasa de recambio de sustrato (la cantidad de sustrato que une por unidad de tiempo). Su actividad catalítica es lenta: la rubisco cataliza la condensación de tres moléculas de CO2 por segundo, mientras que la mayoría de las enzimas unen alrededor de mil moléculas de sustrato por segundo.
2. Cataliza dos reacciones competitivas: la carboxilacion y la oxigenación de la RuBP (ribulosa-1,5-bifosfato). De ahí su nombre: carboxilasa/oxigenasa. Esta enzima presenta actividad oxigenasa, lo que implica que, en su sitio activo, puede unir O2 en lugar de CO2, y en ese caso ocurre el proceso de fotorrespiración. En este proceso la planta consume O2. El O2 desplaza al CO2 del sitio activo de la enzima, y esto disminuye la tasa de fijación de CO2 y la eficiencia de la fotosíntesis. La reacción de oxigenación puede resultar en pérdidas del 30-50% del carbono fijado. En condiciones de alta temperatura y sequía, las pérdidas por fotorrespiración aumentan sustancialmente.  Esto ocurre ya que, a altas temperaturas, la solubilidad del CO2 disminuye drásticamente, resultando en una menor disponibilidad del CO2 respecto del O2 en el sitio activo de la rubisco.

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La enzima rubisco cataliza dos reacciones competitivas: la carboxilacion de la RuBP (Fotosíntesis) y la oxigenación de la RuBP (Fotorrespiración).

Actualmente, la fotorrespiración y su marcado efecto en la producción agrícola están siendo investigados para el desarrollo de estrategias tendientes a minimizar la fotorrespiración en plantas. 
Sin embargo, cabe la posibilidad de que con el tiempo la fotorrespiración pueda minimizarse sin estrategia de modificación genética alguna. La industrialización, la deforestación, la combustión de medios de transporte, entre otras causas, están provocando un fuerte aumento en la concentración atmosférica de CO2. A pesar de todos los efectos nocivos que esto tiene sobre la Tierra, las plantas cuya eficiencia fotosintética es menor debido a la actividad oxigenasa de la rubisco, podrían verse favorecidas. Bajo estas condiciones, habría una supresión natural de la fotorrespiración y, en consecuencia, mayores tasas fotosintéticas. 

Estrategias fotosintéticas: Plantas C3, C4 y CAM
En células del mesófilo, donde ocurre la fotosíntesis, la concentración efectiva de CO2 es baja, al igual que en la atmósfera. Además, existen diversas barreras, sobre todo en la apertura de los estomas, que limitan el flujo de CO2 hacia la rubisco. Por otro lado, mantener los estomas abiertos tiene un costo elevado en pérdida de agua por transpiración. Algunas plantas de zonas calidas, áridas o semiáridas tienen mecanismos para concentrar el CO2 en el entorno de la rubisco, y  presentan diferentes anatomías foliares que hacen disminuir la fotorrespiración y la pérdida de agua por transpiración.

Las plantas terrestres se pueden clasificar en tres tipos fotosintéticos:
•    C3 (arroz, trigo, papa, cebada, tomate, etc.)
•    C4 (maíz, caña de azúcar, sorgo, etc.)
•    CAM (cactus, orquídeas, aloe vera, nopal, piña, etc.)

Las vías C4 y CAM involucran mecanismos especializados, con costo de energía, para la concentración y transporte del CO2 a los sitios de fijación de la enzima rubisco. Están adaptadas a zonas donde existe una limitada disponibilidad de agua. La eficiencia fotosintética de estos dos grupos de plantas es superior a la de las plantas C3 bajo estas mismas condiciones ya que evolutivamente han desarrollado estrategias para reducir el proceso de fotorrespiración.

1. Plantas C3: La mayoría de las plantas vasculares, las cianobacterias y las algas verdes están incluidas en este grupo (ver Cuaderno nº 106).

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Anatomía foliar de planta C3
Fuente: Taiz, L.; Zeiger, E. Plant physiology. 3rd. ed. Sunderland: Sinauer Associates, cop. 2002

2. Plantas C4: Este grupo de plantas debe su nombre a que el producto inmediato de la fijación del CO2 es un ácido de 4 carbonos. Son plantas adaptadas a climas tropicales y cálidos. En sus hojas los haces vasculares están rodeados de un conjunto de células, llamadas del “haz de la vaina”, y por fuera de ellas se encuentran las células del mesófilo. 

Anatomía foliar de planta C4.

Fuente: Taiz, L.; Zeiger, E. Plant physiology. 3rd. ed. Sunderland: Sinauer Associates, cop. 2002

Las plantas C4 han desarrollado evolutivamente una estrategia tendiente a minimizar las pérdidas ocasionadas por fotorrespiración. Estas plantas poseen una enzima adicional, la PEP carboxilasa, que es capaz de fijar CO2 sin ser inhibida por la presencia de O2 (como ocurre con la rubisco).  El mecanismo empleado por las plantas C4 (ver imagen) consiste en que la PEP carboxilasa fija el CO2 en las células del mesófilo y forma un compuesto de 4 carbonos. Este compuesto es transportado a las células del haz de la vaina donde libera el CO2, que es fijado definitivamente por la rubisco. En las células del haz de la vaina ocurre el ciclo de Calvin. Es decir que existe una separación espacial entre la fijación primaria de la PEP carboxilasa y la definitiva de la rubisco. 

Estrategia fotosintética de plantas C4

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3. Plantas CAM (Crassulacean acid metabolism): El mecanismo fotosintético de este grupo fue descubierto en plantas de la familia de las crasuláceas, de allí su nombre. Estas plantas cuentan con adaptaciones para tolerar el estrés hídrico, en su mayoría son plantas suculentas, con hojas carnosas, que habitan desiertos cálidos, con alta radiación solar y escasez de agua. Mantienen cerrados sus estomas durante el día para evitar la pérdida de agua por transpiración y, durante la noche, el CO2 que ingresa por los estomas es fijado por la enzima PEP carboxilasa con formación de acido málico (malato). Este compuesto de 4 carbonos es almacenado en vacuolas. Durante el día, en los cloroplastos, el malato pierde un carbono en forma de  CO2. Este CO2 ingresa al ciclo de Calvin y es fijado por la enzima rubisco. Por lo tanto, el entorno de la rubisco se encuentra enriquecido en CO2 mientras que la enzima PEP carboxilasa fija el CO2 de forma transitoria en un entorno más oxidante. Este mecanismo, al igual que en las plantas C4, tiende a minimizar la fotorrespiración.  En este caso existe una separación temporal entre las actividades de la PEP carboxilasa y la rubisco (ver imagen).

Estrategia fotosintética de plantas CAM



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El rendimiento de los cultivos y el mejoramiento tradicional
El rendimiento de cultivos económicamente importantes  como el trigo, arroz y maíz se ha duplicado en el último siglo por mejoramiento tradicional (ver Cuaderno nº 5).

El rendimiento de un cultivo puede entenderse desde dos perspectivas:
- Biológica: rendimiento en biomasa,
- Agronómica: rendimiento de semilla o grano. 

El rendimiento es el resultado de la interacción de diferentes factores como la fotosíntesis, la respiración, los nutrientes disponibles, el estado hídrico de las plantas, entre otros. A su vez, estos factores son alterados por las condiciones climáticas reinantes durante el crecimiento del cultivo y por el manejo del cultivo (control de malezas, fertilizantes, densidad de siembra, etc.). Por eso, una estrategia factible  para incrementar  el rendimiento de los cultivos es la de aumentar la tasa fotosintética.
Los mejores  rendimientos fueron logrados principalmente por el aumento del área foliar, la duración diaria de la fotosíntesis, variantes “stay green” con senescencia retardada, nivel de clorofila en hoja, etc.
Todavía quedan oportunidades para continuar mejorando la fotosíntesis total y el rendimiento de la cosecha utilizando técnicas convencionales de mejoramiento. Un ejemplo de mejoramiento tradicional para la optimización de la fotosíntesis es la selección de cultivos con hojas que no sean completamente horizontales y que permitan que la radiación también incida en las hojas inferiores de la planta.
Un cultivo maduro típico posee tres o más niveles de hojas. Si las hojas del cultivo están dispuestas completamente horizontales, la capa superior de hojas interceptara la mayor parte de la radiación. La luz  capturada por el primer nivel de hojas no será aprovechada para fotosíntesis, ya que las hojas superiores estarán por encima del nivel de saturación lumínico. Una mejor disposición del canopeo seria el esquematizado en la figura (Canopeo “B”). Al distribuir la energía lumínica uniformemente entre los distintos niveles de hojas, se logran eficiencias fotosintéticas de más del doble con respecto a la disposición foliar de Canopeo “A”. El mejoramiento tradicional ha optimizado estas variables para lograr mejores rendimientos fotosintéticos.

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Canopeo de plantas hipotéticas antes del programa de mejoramiento tradicional (Canopeo “A”) o luego del programa (Canopeo “B”). Esta ha sido la estrategia aplicada para mejorar el rendimiento de arroz. Variedades originales con hojas de disposición horizontal han sido reemplazadas por variedades nuevas, obtenidas por mejoramiento tradicional, con hojas más verticales y mejores eficiencias fotosintéticas.

Mejoramiento de la fotosíntesis asistida por marcadores moleculares
El mejoramiento tradicional de cultivos se basa en la selección de individuos con la mayor cantidad de caracteres agronómicamente deseables (ver cuaderno Nº 5). El éxito de esta estrategia depende del tipo de herencia que tenga el carácter en cuestión (ver Cuadernos Nº 20 40, 41). En el caso de la eficiencia fotosintética el mejoramiento tradicional se ve dificultado por lo complejo del proceso, por la cantidad de genes involucrados y por la interacción con el ambiente.
La fotosíntesis es un carácter fisiológico cuantitativo, por lo que el programa de mejoramiento puede resultar sumamente complejo. Los caracteres cuantitativos suelen ser codificados por muchos genes. Una estrategia para resolver las dificultades de este tipo de programas de mejoramiento, consiste en utilizar herramientas biotecnológicas para la selección de los distintos individuos, tales como los marcadores moleculares. La selección asistida por marcadores moleculares (ver cuadernos nº 69 y 108) es una forma económica y rápida de incorporar rápidamente caracteres valiosos en un germoplasma cualquiera. Esta tecnología se basa en la identificación de secuencias de ADN (marcadores) cercanas al carácter de interés agronómico. 

Fotosíntesis e Ingeniería genética
La biotecnología moderna, mediante técnicas de ingeniería genética (ver cuadernos nº 4, 5, 6, 67), promete ofrecer alternativas para resolver las bajas tasas fotosintéticas de ciertas especies vegetales, debido a baja fijación de CO2.
En los últimos 20 años, se han realizado grandes esfuerzos en aumentar la eficiencia de la actividad carboxilasa de la enzima rubisco para reducir pérdidas en los rendimientos de los cultivos. Una de las principales estrategias consiste en minimizar los niveles de fotorrespiración. 
En general, la rubisco es el factor limitante de la fotosíntesis en plantas. Este efecto se ve exacerbado en plantas tipo C3 en condiciones de alta temperatura y escasez de agua. El objetivo de las diferentes líneas de investigación es aumentar la actividad carboxilasa de la rubisco y/o disminuir su tasa de oxigenación. Actualmente se están desarrollando diferentes estrategias con tal fin como:

• Expresión de genes de rubisco de un organismo en otro: Mediante transformación de cloroplastos de tabaco (ver cuaderno nº 26) se logró reemplazar la rubisco por una variante mas simple, de origen bacteriano (Rhodospirillum rubrum). La transformación fue efectiva y las plantas resultaron viables. 
• Introducción de genes de plantas C4 en plantas C3: Al expresar la enzima PEPCK (Phosphoenolpyruvate carboxykinase) de una planta C4 en cloroplastos de arroz se midió un incremento en la concentración de compuestos de la vía C4, probando que esta estrategia puede aumentar la capacidad fotosintética de plantas C3.
• Expresión de un gen de cianobacterias en plantas superiores: Se obtuvieron mayores tasas fotosintéticas, crecimiento mas rápido y mayor peso final en plantas transgénicas de Nicotiana tabacum  y Arabidopsis thaliana que expresan el gen ictB. El producto de ese gen está implicado en el transporte de CO2 y fue aislado de cianobacterias que requieren altas concentraciones de ese gas  para sobrevivir.
• Aumento en la activación de la rubisco: Por encima de los 30-35 °C,  la asimilación de CO2 en plantas C3 se ve reducida por la menor actividad de la rubisco. El estado activo o inactivo de la rubisco depende de la enzima rubisco activasa, que es inestable a temperaturas moderadamente altas. Se aisló el gen de la rubisco activasa de una planta adaptada al desierto, que presenta su máxima tasa fotosintética  a 48 °C. Ese gen se introdujo en plantas de Arabidopsis thaliana. Bajo condiciones de temperaturas levemente altas, las plantas transgénicas desarrollaron el doble del área foliar con una tasa fotosintética un 30% mayor que las plantas no modificadas genéticamente.
• Inhibición de la fotorrespiración: Se ha logrado minimizar la fotorrespiración en Arabidopsis thaliana  al introducir por técnicas de ingeniería genética una ruta metabólica de E. coli implicada en el catabolismo de uno de los sustratos de la fotorrespiración.

 
 

Ver cuaderno anterior

 
 
 

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