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Environment-coupled metabolic models for engineering high-temperature and drought REsistant LEAF metabolism.

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Modelos del metabolismo de las hojas ayudan a mejorar la eficiencia en el uso del agua en cultivos

Este siglo, la seguridad alimentaria pasará a ser un gran reto para la humanidad debido al cambio climático y el crecimiento demográfico. Por lo tanto, se necesita que los cultivos alimentarios sean resistentes al calor y a las sequías, a la vez que mantienen una elevada productividad y su valor nutritivo.

Cambio climático y medio ambiente
Seguridad

Una solución posible para ayudar a que la agricultura mundial afronte los retos del siglo XXI es la ingeniería metabólica de los cultivos. La modelización del metabolismo de las hojas es fundamental para este planteamiento. Las hojas son el principal lugar de la fotosíntesis, el punto en que el carbono del medio es asimilado (o «fijado») para la síntesis y el mantenimiento de los componentes celulares. Las plantas han desarrollado distintos mecanismos para fijar carbono: la fotosíntesis a través de la vía de 3 carbonos o C3 y de la vía de 4 carbonos o C4, y el metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM, por sus siglas en inglés). Si bien la fotosíntesis C3 es la forma más generalizada, los dos últimos mecanismos presentan una mayor eficiencia en temperaturas más elevadas y en sequías, respectivamente. Los actuales modelos metabólicos a gran escala carecen de una descripción matemática de los procesos que se llevan a cabo en la interfaz entre el entorno y la hoja. El proyecto Re-Leaf, emprendido con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, abordó esta brecha del conocimiento ideando un planteamiento informático que vincula la modelización metabólica a escala genómica con el entorno mediante la modelización explícita del intercambio gas-agua. Re-Leaf aplicó un modelo de estequiométrica a gran escala publicado anteriormente para la simulación del metabolismo nocturno y diurno de las hojas y lo amplió para que representara el metabolismo a lo largo de intervalos de veinticuatro horas durante el día.

Respuesta a las preguntas fundamentales

Este modelo con resolución temporal se combinó con un modelo del intercambio biofísico de gas mediante el parámetro común del flujo de CO2. «Esto nos permitió modelizar la pérdida de agua a través de los estomas según la demanda de CO2 del sistema metabólico, la temperatura y la humedad relativa», declara Nadine Töpfer, becaria de investigación en el marco de las acciones Marie Skłodowska-Curie. Los científicos crearon y analizaron modelos del equilibrio de los flujos de redes metabólicas vegetales a gran escala (hasta escala del genoma). Según explica Lee Sweetlove de la Universidad de Oxford: «Estamos especialmente interesados en emplear este planteamiento para predecir la forma en que debe modificarse la red metabólica de las hojas para dar cabida a formas fotosintéticas más eficientes como la vía C4 y el CAM. También estamos iniciando el proceso de integración de estos modelos metabólicos a los marcos de modelización de toda la planta». Estos modelos multicapa permitieron a los científicos responder preguntas fundamentales relacionadas con el funcionamiento de la C4 y del CAM. En primer lugar, los modelos de intercambio CO2-agua permitieron modificar las condiciones ambientales durante el ciclo diurno, como los ciclos de temperatura y humedad, para combinarlos con el comportamiento de los modelos metabólicos. En segundo lugar, se ampliaron los modelos diurnos ampliados para investigar estrategias de ingeniería metabólica destinadas a mejorar la productividad con temperaturas elevadas. Todo esto mejoró la comprensión del equilibrio entre la productividad y la eficiencia en el uso de agua tanto en plantas C3 como CAM. Los modelos también permitieron que los científicos probaran los cambios necesarios para establecer el CAM que ahorra agua o fotosíntesis parecidas al CAM en una red metabólica C3.

Un descubrimiento interesante

Cuando los investigadores utilizaron el modelo para simular el equilibrio entre la productividad y el ahorro de agua, observaron vías metabólicas que todavía no habían sido descritas en el contexto del CAM. Según Töpfer: «fue muy emocionante ver que nuestro modelo predijo modos de flujos metabólicos alternativos en los que intervienen enzimas y metabolitos distintos a los conocidos del ciclo CAM». Las enzimas identificadas ya están presentes en plantas C3, lo cual las convierte en objetivos interesantes para la ingeniería metabólica a fin de mejorar el flujo a través de las vías ya existentes y generar así plantas de cultivos con una mayor eficiencia en el uso de agua. «Nuestra nueva técnica de modelización también se puede aplicar para modelizar procesos con resolución temporal y difusión limitada de modelos metabólicos a gran escala en otros contextos», concluye Töpfer.

Palabras clave

Re-Leaf, CAM, fotosíntesis, C3, eficiencia en el uso de agua, ingeniería metabólica, metabolismo de las hojas, C4, metabolismo ácido de las crasuláceas

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