Ancestro común con sorgo y arroz, el genoma de la piña describe la fotosíntesis en plantas resistentes a la sequía

Los seres humanos han cultivado la piña durante más de 6.000 años, empezando por lo que en la actualidad es el suroeste de Brasil y el noreste Paraguay. Hoy en día, más de 85 países producen unos 25 millones de toneladas de frutas de piña cada año, con un valor bruto de producción de los 9.000 millones de dólares.

Al secuenciar su genoma, los científicos están viendo los genes y las vías genéticas que permiten a la planta de la piña prosperar en ambientes limitados de agua.

Los nuevos resultados, publicados en la revista ‘Nature Genetics’, abren una nueva ventana en la historia de la complicada evolución de las gramíneas, como el sorgo y el arroz, que comparten un ancestro distante con la piña.

Los seres humanos han cultivado la piña durante más de 6.000 años, empezando por lo que en la actualidad es el suroeste de Brasil y el noreste Paraguay. Hoy en día, más de 85 países producen unos 25 millones de toneladas de frutas de piña cada año, con un valor bruto de producción de los 9.000 millones de dólares.

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Como muchas plantas, los antepasados de la piña y los pastos experimentaron múltiples duplicaciones de sus genomas. Seguir los restos de estas «duplicaciones de todo el genoma» en diferentes especies de plantas ayuda a los investigadores a trazar sus historias evolutivas compartidas e independientes.

«Nuestro análisis indica que el genoma de la piña tiene al menos una duplicación de todo el genoma de las gramíneas que comparten un antepasado con la piña, haciendo de la piña el mejor grupo de comparación para el estudio de los genomas de los cultivos de cereales», explica el profesor de Biología Vegetal de la Universidad de Illinois Ray Ming, quien lideró el esfuerzo multi-institucional de secuenciación del genoma de la piña.

El trabajo descubrió evidencia de dos duplicaciones de todo el genoma en la historia de la piña y validó resultados anteriores de tres de estas duplicaciones en las gramíneas.

La fotosíntesis convierte la energía solar en energía química, permitiendo que las plantas construyan los tejidos que sostienen la vida en la Tierra. La piña hace uso de un tipo especial de fotosíntesis, llamado metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM), que ha evolucionado independientemente en más de 10.000 especies de plantas, entre las cuales, la piña es la planta económicamente más valiosa, según Ming.

La mayoría de las plantas de cultivo utilizan un tipo diferente de fotosíntesis, llamado C3. «Las plantas CAM emplean sólo el 20 por ciento del agua utilizada por las típicas plantas de cultivo que usan C3 y las plantas CAM pueden crecer en tierras áridas y marginales que son inadecuados para la mayoría de las plantas de cultivo», detalla Ming.

Una mirada más cercana del genoma de piña reveló que algunos genes que contribuyen la fotosíntesis CAM son reguladas por los genes del reloj circadiano de las plantas, que permiten a las plantas diferenciar el día y la noche y ajustar su metabolismo en consecuencia.

«Esta es la primera vez que los científicos han encontrado una relación entre elementos reguladores de los genes de la fotosíntesis CAM y la regulación del reloj circadiano –subraya Ming–. Esto tiene sentido porque la fotosíntesis CAM permite a las plantas cerrar los poros de sus hojas durante el día y abrirlos por la noche. Esto contribuye a la resistencia de la piña en climas cálidos y áridos, ya que la planta pierde muy poca humedad a través de sus hojas durante el día».
LA PLANTA ABSORBE Y FIJA EL DIÓXIDO DE CARBONO

La fotosíntesis CAM permite a la planta absorber y «fijar el dióxido de carbono en moléculas durante la noche, concentrarlo en sus hojas y liberarlo al día siguiente para la fotosíntesis –apunta Ming–. La sequía es responsable de la mayor parte de la pérdida mundial de cultivos, por lo que entender los mecanismos que han desarrollado las plantas para sobrevivir al estrés hídrico es vital para diseñar tolerancia a la sequía en especies de cultivo», escriben los investigadores.

«Las plantas CAM pueden mantener sus estomas cerrados durante el día, reduciendo en gran medida la pérdida de agua», agrega. Las fotosíntesis CAM y C4 fotosíntesis, que son comunes entre los pastos, utilizan muchas de las mismas enzimas para concentrar dióxido de carbono en las hojas de la planta, según informan los investigadores. Otras plantas, como la soja, usan la fotosíntesis C3 menos eficiente, que carece de los mecanismos de concentración de CO2 de las fotosíntesis C4 y CAM.

El equipo descubrió que la fotosíntesis CAM ha evolucionado mediante la reconfiguración de las vías moleculares que intervienen en la fotosíntesis C3.

«Todas las plantas contienen los genes necesarios para la fotosíntesis CAM y la evolución de CAM simplemente requiere desviar a los caminos preexistentes», escriben los investigadores. Comprender la evolución de estos diferentes tipos de fotosíntesis ayudará a los científicos en sus esfuerzos para desarrollar variedades más productivas y resistentes a la sequía de los cultivos esenciales, según Ming, quien agrega que adaptar los cultivos de alimentos para ser más tolerantes a la sequía también ayudará a los seres humanos a adaptarse al cambio climático.

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