Inmersa nun mar remado dos seus irmáns, unha folla de millo relegada ao chanzo máis baixo do seu talo pasa boa parte da tarde de xuño bañada na sombra que proxectan os altos.
Entón, unha ráfaga comeza a empurrar, tirar e torcer as ás cerosas en concerto, abrindo unha fiestra á bóla de lume que se move a 93 millóns de quilómetros de distancia. É unha excelente e preciosa oportunidade para que a fotosíntese transforme a luz solar en alimento. Desafortunadamente, o equivalente fotosintético dun protector contra sobretensións -un que evolucionou para axudar ás plantas a mitigar os danos provocados por picos repentinos de luz de alta intensidade- tarda en restablecerse despois de tanto tempo á sombra. O refacho dispárase, o momento pasado antes de que a folla e a súa cociña celular poidan aproveitar.
O verán destes minutos, pero as oportunidades perdidas de coller luz pode custar aos campos de millo e aos que os cultivan, unha parte considerable das posibles colleitas que producen no outono. Ao identificar e medir recentemente a influencia do novo xenes que regulan o protector contra sobretensións, Kasia Glowacka da Universidade de Nebraska-Lincoln e os seus colegas poderían axudar a aumentar eses rendementos nun 20%.
O que non quere restar importancia á salvagarda, que recibe o nome de extinción non fotoquímica, ou NPQ, e que pode transformar a luz en calor sempre que unha planta absorbe máis do que pode destinar á fotosíntese. A falla de cortar o circuíto bioquímico, despois de todo, pode levar a unha acumulación tóxica de osíxeno ultrarreactivo que dana o ADN e incluso pode matar unha célula. Pero a medida de seguridade ten un inconveniente: canto máis lento é relaxarse e retomar a fotosíntese de combustible lixeiro absorbido, máis desperdicia esa luz que outorga enerxía.
“Cando pensas dende a perspectiva dun cloroplasto nun célula vexetal, a vida é realmente difícil", dixo Glowacka, profesor asistente de bioquímica en Nebraska. "Cada poucos segundos, o ambiente está cambiando".
En 2016, Glowacka contribuíu a un estudo que mostra que aumentar a actividade de tres xenes en particular permitiu plantas de tabaco para activar e desactivar NPQ a un ritmo moito máis rápido, otorgándolle unha mellor protección e unha fotosíntese máis eficiente. Ese tabaco, á súa vez, produciu follas aproximadamente un 20% máis grandes, con simulacións que suxiren que poderían ser posibles aínda maiores ganancias. A investigación de seguimento descubriu que a mesma técnica podería xerar beneficios similares na soia, non só para as follas, senón tamén para os feixóns.
Pero o tabaco e a soia empregan unha forma diferente de fotosíntese que o millo, o sorgo, a cana de azucre e varios outros cultivos máis axeitados para condicións de calor e seca, cultivos cuxos rendementos deben aumentar para axudar a alimentar aos 10 millóns de persoas que se espera poboen o globo en 2050. Glowacka preguntouse. se os xenes que codificaron para a actividade NPQ nun poderían desempeñar o mesmo papel no outro. Aínda que o fixesen, James Schnable de Glowacka e Nebraska pensou que debía haber outros xenes que axudasen a un proceso tan complexo como o NPQ.
Tiñan razón. O seu descubrimento comezou co traballo nos campos durante os veráns de 2020 e 2021, cando o equipo plantou máis de 700 liñas de millo xeneticamente diferentes na Granxa de Investigación Havelock, no nordeste de Lincoln. O plan de Glowacka: buscar diferenzas no rendemento do NPQ entre as liñas e despois tentar descubrir cales son os xenes responsables desas diferenzas. Aínda así, os métodos existentes para medir NPQ, sabía Glowacka, eran caros e consumían moito tempo. Ademais, loitaron por aplanar as disparidades diarias na exposición á luz de cada liña, o que podería estropear a validez de calquera achado.
En lugar de conformarse, Glowacka desenvolveu o seu propio método. O equipo utilizou un perforador modificado para extraer pequenas mostras das follas de cada liña do campo. De volta ao laboratorio, os investigadores deron ás mostras de tecido case un día para que se adaptasen á escuridade, e finalmente mediron a súa fluorescencia, un proxy para a fotosíntese e o NPQ, antes e despois de expolas a escintileos de luz. En lugar de medir unha mostra cada 20 minutos, o equipo foi capaz de manexar 96 mostras durante ese mesmo período.
Os investigadores descubriron que a velocidade e magnitude das respostas NPQ variaban moito entre as liñas, un feito que axudou a facilitar a busca de novos xenes que puidesen impulsar esa variación no millo. Unha comparación das liñas' código xenético, en referencia cruzada coas diferenzas no rendemento do NPQ, revelou finalmente seis xenes candidatos prometedores. Varios deses candidatos xa eran coñecidos polo equipo. Outros non o foron, incluído un chamado PSI3, que introduciu máis desa variación que calquera outro candidato.
Despois de identificar as contrapartes deses seis xenes en Arabidopsis, a planta con flores usado habitualmente para estudar bioloxía vexetal, o equipo procedeu a ordenar mutantes: as sementes de Arabidopsis carecían cada unha dun dos seis xenes. Nos seis mutantes, o protector contra sobretensións era xeralmente lento para responder baixo as luces, pero tamén máis lento para relaxarse cando as luces estaban apagadas. Os picos NPQ tamén eran normalmente máis baixos e os depredadores máis altos, o que suxire que as plantas amortiguaban menos contra as ondas e malgastaban máis da luz dispoñible para a fotosíntese.
A identificación deses xenes, combinada coa cantidade de variación natural de NPQ entre liñas de millo, podería abrir o camiño para a reprodución. plantas moito mellor para aproveitar a luz solar que aumenta o rendemento, dixeron os investigadores. No mellor dos casos, dixo Schnable, eses esforzos poderían dar os seus froitos en tan só media ducia de anos.
Se o fan, os resultados poderían ser unha bendición para os produtores de cultivos que agora investigan todas e todas as posibilidades para evitar a escaseza mundial de alimentos nas próximas décadas.
"Podemos gañar un 22% dese rendemento dos cultivos, potencialmente, se aceleramos o NPQ", dixo Glowacka.
Dado que os investigadores iniciaron o estudo a principios de 2020, os seus intentos por axudar a deter unha crise global inminente significaron tratar con outra contemporánea. Dous dos membros do equipo, Seema Sahay e Marcin Grzybowski, chegaran recentemente aos Estados Unidos, hai pouco que ningún dos dous tiña aínda o carné de conducir. Antes do COVID-19, os dous terían enganchado ata a granxa de investigación Havelock.
Non obstante, os protocolos universitarios deseñados para frear a propagación do virus suspenderon temporalmente esa opción. Sen inmutarse, Sahay e Grzybowski recorrían regularmente a andar en bicicleta uns sete quilómetros ata a granxa de investigación, unha camiñada de máis de 30 minutos no medio da calor e humidade dun verán de Nebraska.
"Seema e Marcin", dixo Glowacka, "son os verdadeiros heroes deste experimento".
O estudo publícase na revista Novo Fitólogo.