¿Es el arroz C4 la próxima revolución verde?
C3, C4 y CAM se refieren a las diferentes vías fotosintéticas que están presentes en las especies individuales de plantas y son el resultado de la adaptación a diversas condiciones climáticas.
C3 y C4 indica el número de átomos de carbono en las moléculas de azúcar producidas por la fotosíntesis. CAM es el metabolismo ácido crasuláceo en el que el dióxido de carbono CO2 se fija por la noche.
En general, las plantas C3 se adaptan a condiciones frescas y húmedas, las C4 a condiciones cálidas y secas, y las CAM a condiciones áridas.
Términos:
Anatomía de Kranz o grandes células de la vaina del haz alrededor de las venas, que se encuentran en las plantas C4.
Malato, ácido málico, CO2 transportado como malato a las células de la vaina del haz en las plantas C4.
Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa, una enzima utilizada para fijar el CO2 en las plantas C4 y que funciona bien en temperaturas superiores a los 15 grados C.
Rubisco, una enzima utilizada en la fijación del CO2 en las plantas C3 y que funciona bien en temperaturas inferiores a los 15 grados C.
Estómatas, aberturas de las hojas que son capaces de regular la difusión del vapor de agua, el dióxido de carbono y el oxígeno.
Planta C4, dibujo de la anatomía de la hoja:
La mayoría de las plantas realizan la fotosíntesis C3, por ejemplo el arroz, el trigo, la cebada y la avena; las hierbas tropicales, por ejemplo, son C4, el sorgo, la caña de azúcar y el maíz; y las plantas CAM, como la piña, el agave y el nopal, se encuentran en condiciones muy secas.
Los términos C3 y C4 también se utilizan a menudo para describir las hierbas, como las hierbas autóctonas australianas cada vez más cultivadas, por ejemplo, las especies C3 de crecimiento de estación fría a cálida como el pasto de arroz llorón, el pasto wallaby y el pasto de lanza y el pasto canguro de crecimiento de estación cálida C4. Los céspedes deportivos C4 más utilizados son el kikuyu, el búfalo y la hierba de sofá y crecen en condiciones cálidas, mientras que otros céspedes comunes como el centeno y la hierba doblada son C3 y crecen en condiciones frescas.
En la vía C3 o Calvin-Benson de la fotosíntesis (llamada así por los bioquímicos que la descubrieron en 1950 en la Universidad de California, Berkeley), se producen azúcares de tres átomos de carbono en la fijación de CO2. La captación (los estomas de la hoja están abiertos) y la fijación del CO2 junto con la producción de azúcares se producen durante la luz del día, y las 3 acciones ocurren dentro de las células del mesófilo. En este proceso de fotosíntesis, el CO2 se une a la ribulosa bifosfato, RuBP, formando la enzima Rubisco, una molécula de 6 carbonos que se divide rápidamente en dos, la C3. Se trata de un proceso limitado por la temperatura, que funciona mejor a temperaturas más bajas, <1⁵⁰ C y es capaz de hacer frente a niveles de luz más bajos, por ejemplo, cuando compite por la luz en un bosque.
C4 o la vía Hatch-Slack de la fotosíntesis (llamada así por los científicos que trabajaban en la refinería de azúcar Colonial en Brisbane en la década de 1960), se producen azúcares de cuatro átomos de carbono en la fijación de CO2 utilizando la enzima fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa. La fijación del carbono sigue produciéndose en las células del mesófilo, pero las plantas C4 también concentran el CO2 en células adicionales, las células de la vaina del haz. Bombean eficazmente el CO2 en forma de malato (ácido málico) a las células de la vaina, lo que permite una respiración más eficiente debido a esta mayor concentración de CO2, donde se producen los azúcares. Como las células del mesófilo y las de la vaina están separadas espacialmente en las plantas C4, según la anatomía de Kranz, los estomas de la hoja (poros que pueden abrirse y cerrarse para permitir el paso del vapor de agua, el CO2 y el oxígeno) no tienen que permanecer abiertos durante tanto tiempo para permitir la entrada de CO2, lo que reduce la pérdida de agua a través de los estomas hacia la atmósfera exterior. El PEP también funciona mejor a temperaturas superiores a 1⁵⁰ C. Ambos factores dan a las plantas C4 una ventaja en condiciones de calor y sequedad.
CAM, metabolismo ácido crasuláceo, la fotosíntesis produce azúcares de 4 átomos de carbono como en la vía C4 pero el CO2 es capaz de fijarse y almacenarse por la noche. El CO2 se fija formando malato en las células del mesófilo y luego se almacena en compartimentos vacuolares en esas mismas células, hasta la luz del día cuando se libera en el citoplasma de la célula y es utilizado por los cloroplastos para producir azúcares por el ciclo de Calvin-Benson C3. La capacidad de la planta CAM de abrir sus estomas por la noche para permitir la entrada de CO2 reduce en gran medida la pérdida de agua de la planta, ya que la noche es cuando el vapor de agua de la atmósfera está en su nivel más alto.
Entender si una planta tiene una vía fotosintética C3, C4 o CAM permite la selección de especies en entornos manipulados por el hombre, como el establecimiento de pastos nativos australianos con hierbas que crecen tanto en la estación cálida como en la fría para proporcionar un pastoreo más continuo a lo largo del año, hasta la plantación de un paisaje de amenidad con especies que florecerán o tendrán su mejor aspecto en momentos alternativos, o la selección de cultivos agrícolas apropiados para las condiciones en cuestión.
Muchos deportes de campo, por ejemplo el fútbol, se practican en condiciones invernales frías, cuando las hierbas C4, como el kikuyu, no están creciendo activamente y pueden parecer un poco amarillas; en este caso, los conservadores suelen sembrar en exceso con semillas de centeno C3, que al germinar dan al óvalo un aspecto verde brillante en condiciones frías. Las rayas anchas que se ven en el césped de los óvalos se deben a los grandes cortacéspedes y a los rodillos que hay detrás de las cuchillas. Estos rodillos empujan la hierba de centeno vertical al pasar, empujando la hierba en direcciones alternas da la apariencia rayada.
Las plantas C4 son capaces de hacer un 50% más de uso de la luz solar que las plantas C3 debido a su capacidad para concentrar el CO2 y para soportar la luz del sol brillante, mientras que la reducción de la transpiración de la humedad.
Si las características físicas de la vaina del haz de la hoja C4 y las características bioquímicas de producción de malato pudieran ser trasplantadas a una planta productora de alimentos como el arroz C3, esto haría un aumento significativo en el rendimiento de los agricultores de arroz en todo el mundo.
El Proyecto de Arroz C4 https://c4rice.com es un consorcio internacional de universidades y organizaciones de investigación que intentan crear un nuevo arroz, con el fin de proporcionar a los pequeños agricultores de todo el mundo un medio para aumentar la producción con la que alimentar a una población creciente.
En concreto, están intentando introducir los genes de la anatomía de Kranz en el arroz con herramientas de edición del genoma para editar el ADN y para ello todavía hay que identificar los genes reguladores. Se ha identificado la bioquímica de los genes de las enzimas C4, pero se necesita más trabajo para activarlas todas al mismo tiempo.
Es una tarea increíblemente compleja, pero las plantas han evolucionado en la naturaleza de las vías fotosintéticas C3 a C4 de forma independiente más de 60 veces. Los investigadores se animan a pensar que debe ser posible una vez que se comprenda el mecanismo.
Un arroz C4 de alto rendimiento es de tal importancia para alimentar a una población mundial creciente que tiene el potencial de ser la segunda revolución verde.
La primera revolución verde, o la tercera revolución agrícola, se produjo entre los años 30 y 60 con un aumento de la producción asociado a la plantación de monocultivos de variedades de grano de alto rendimiento, la introducción de fertilizantes químicos y pesticidas, el cultivo de más de una cosecha cada año, junto con una mayor mecanización agrícola y más riego.
La segunda revolución agrícola se produjo en Gran Bretaña y otros países a lo largo de la década de 1700 por muchas razones, entre ellas el descubrimiento de depósitos naturales de fertilizantes minerales (además de los abonos animales como fertilizantes) como el nitrato de sodio en Chile, el salitre de Chile, un fertilizante nitrogenado, la extracción de guano de aves marinas que contiene fosfato y potasio, y la extracción de depósitos de coprolitos que contienen fosfatos. El cambio en las prácticas culturales del barbecho a la rotación utilizando el trébol para añadir nitrógeno al suelo, es una leguminosa con bacterias rizobias dentro de los nódulos de las raíces que fijan el nitrógeno atmosférico, y los nabos, una hortaliza de raíces profundas que traía valiosos nutrientes a la superficie desde un suelo más profundo. Un cambio legislativo de la propiedad de la tierra, que pasó de ser común a ser propiedad de un individuo, ayudó a aumentar la productividad.
La primera revolución agrícola, por supuesto, fue el cambio gradual de un estilo de vida nómada de caza y recolección a la agricultura asentada, que se cree que ocurrió alrededor de 10.000 a.C.
La comprensión de 3 tipos de fotosíntesis tiene el potencial de muchas mejoras en nuestras prácticas hortícolas y agrícolas.
Knox, B., Ladiges, P., Evans, B., Saint, R., (2014). Biología: Un enfoque australiano (5ª Ed.). NSW. Australia: McGraw-Hill Education. Libro.
Miller, G.T. y Spoolman, S.E. (2016). Vivir en el medio ambiente, (Ed.19) Canadá.: Cengage Learning. Libro.