Investigadores de MSU descubren vínculo entre clima y nutrición en el metabolismo de las plantas
Puntos fuertes:
- En un nuevo artículo publicado en la revista Nature Plants, los investigadores de MSU muestran que el aumento del carbono atmosférico podría afectar la forma en que las plantas producen proteínas y otros nutrientes.
- Se ha demostrado que los altos niveles de dióxido de carbono, que contribuyen al calentamiento global, afectan la forma en que las plantas metabolizan el carbono, incluido un proceso conocido para producir aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas.
- Aunque se necesita más trabajo para comprender el impacto final en el contenido de proteína de una planta, los investigadores han introducido una nueva forma de sondear el metabolismo de la planta en un entorno cambiante.
EAST LANSING, Michigan — Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Michigan señala que todavía tenemos mucho que aprender sobre cómo funcionan las plantas, y su valor nutricional, a medida que más carbono ingresa a nuestra atmósfera.
Esa misma entrada de carbono contribuye al cambio climático, por lo que este nuevo trabajo, publicado en la revista plantas naturalespuede revelar una forma inesperada en la que este fenómeno global está remodelando la naturaleza y nuestras vidas.
“Lo que estamos viendo es que existe un vínculo entre el cambio climático y la nutrición”, dijo andador berkleyprofesor asistente en Departamento de Biología Vegetal cuyo equipo de investigación es el autor del nuevo informe. «Es algo que no sabíamos que estaríamos viendo cuando comenzamos».
Aunque los altos niveles de dióxido de carbono pueden ser buenos para la fotosíntesis, Walker et al. su laboratorio también mostró que el aumento de los niveles de CO2 puede alterar otros procesos metabólicos en las plantas. Y estos procesos menos conocidos podrían tener implicaciones para otras funciones como la producción de proteínas.
«A las plantas les encanta el CO2. Si les das más, producirán más comida y se harán más grandes», dijo Walker, quien trabaja en el Facultad de Ciencias Naturales y el MSU-Departamento de Energía Laboratorio de Investigación de Plantas. «Pero, ¿qué pasa si obtienes una planta más grande que tiene un contenido de proteína más bajo? En realidad, será menos nutritiva.
Es demasiado pronto para decir con seguridad si las plantas se enfrentan a un futuro bajo en proteínas, dijo Walker. Pero la nueva investigación plantea preguntas sorprendentes sobre cómo las plantas fabricarán y metabolizarán los aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas, con más dióxido de carbono.
Y cuanto más trabajemos para responder estas preguntas ahora, mejor preparados estaremos para enfrentar el futuro, dijo el primer autor del informe e investigador postdoctoral, Xinyu Fu.
“Cuanto más sepamos sobre cómo las plantas usan diferentes vías metabólicas en entornos fluctuantes, mejor podremos encontrar formas de manipular el flujo metabólico y, en última instancia, diseñar plantas para que sean más eficientes y nutritivas”, dijo Fu.
Si al principio las plantas no tienen éxito, hay fotorrespiración
Se dice que los fundamentos de la fotosíntesis son simples: las plantas toman agua y dióxido de carbono de su entorno y, mediante el poder de la luz solar, convierten estos ingredientes en azúcar y oxígeno.
Pero a veces este proceso comienza con el pie izquierdo. En cambio, la enzima responsable de recolectar dióxido de carbono puede adherirse a las moléculas de oxígeno.
Esto produce un subproducto que, si no se controla, esencialmente ahogaría la planta, dijo Walker. Afortunadamente, sin embargo, las plantas han desarrollado un proceso llamado fotorrespiración que elimina el subproducto dañino y permite que la enzima tome otro giro durante la fotosíntesis.
La fotorrespiración no es tan famosa como la fotosíntesis y, a veces, tiene mala reputación porque absorbe carbono y energía que podría usarse para fabricar alimentos. Ineficaz aunque puede ser, la fotorrespiración es mejor que la alternativa.
«Es como reciclar», dijo Walker. «Sería genial si no lo necesitáramos, pero mientras produzcamos desechos, también podríamos usarlos».
Para hacer su trabajo, la fotorrespiración incorpora carbono a otras moléculas o metabolitos, algunos de los cuales son aminoácidos, precursores de las proteínas.
«Entonces, la fotorrespiración no es solo reciclaje, podría ser upcycling», dijo Walker.
Hay una razón por la que Walker usó «podría ser» en lugar de «es» en su declaración. La fotorrespiración aún alberga algunos misterios, y el destino de sus metabolitos es uno de ellos.
detective metabólico
En cuanto al destino de los aminoácidos producidos por la fotorrespiración, una teoría establecida era que permanecían en un circuito cerrado. Esto significa que los metabolitos producidos durante el proceso están restringidos a un grupo selecto de orgánulos y procesos bioquímicos.
Ahora, los investigadores de la MSU han demostrado que no siempre es así. En particular, demostraron que los aminoácidos glicina y serina pueden escapar de los límites de este circuito cerrado.
Lo que eventualmente sucede con los compuestos es una pregunta persistente y que podría volverse cada vez más importante a medida que aumentan los niveles de dióxido de carbono.
Las plantas fotorrespiran menos cuando hay más dióxido de carbono disponible, por lo que los científicos deberán profundizar en cómo las plantas producen y usan estos aminoácidos en su conjunto, dijo Walker.
Por ahora, sin embargo, él y su equipo están encantados de haber llegado a este descubrimiento, que no fue poca cosa. Se trataba de alimentar a las plantas con un tipo especial de dióxido de carbono en el que los átomos de carbono tenían un neutrón más que el carbono que normalmente se encuentra en la atmósfera.
Un neutrón es una partícula subatómica y como tal tiene una masa muy pequeña. Si tomas un sujetapapeles, lo cortas en un billón de pedazos y luego cortas uno de esos pedazos en un billón más, los pedazos más pequeños tendrían aproximadamente la misma masa que un neutrón.
Pero la colaboración de MSU tenía las herramientas y la experiencia para medir esta sutil diferencia de masa. Estas mediciones, combinadas con el modelado por computadora, permitieron a los investigadores rastrear este carbono ligeramente carnoso y ver cómo las plantas lo integran en diferentes etapas metabólicas cuando las condiciones favorecen la fotorrespiración.
«Esta nueva técnica ha permitido una comprensión mejor y más cuantitativa de importantes vías metabólicas en las plantas», dijo Fu. «Con el nuevo enfoque de flujo, hemos comenzado a revelar el estado dinámico de las vías metabólicas y a comprender el metabolismo como un sistema completo».
«Dije que mi laboratorio podría hacerlo en mi solicitud de empleo, pero no estaba completamente seguro de que funcionaría», dijo Walker, quien se unió a MSU en 2018. El hecho de que funcionó es un mérito para el equipo en papel, que también incluye al estudiante graduado Luke Gregory y al profesor asistente de investigación Sean Weise.
Pero otros colegas de la MSU también ayudaron, incluido el profesor emérito de la universidad. Thomas SharkeyProfesor Cerro Yair Shachar y el equipo de Núcleo de espectrometría de masas y metabolómica.
“Venir a MSU hizo que eso sucediera”, dijo Walker.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., con contribuciones del Instituto MSU para la Investigación Cibernética, el Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos y la Fundación Nacional de Ciencias.
Por Matt Davenport
