LAS ENREDADERAS AHOGAN LA CAPACIDAD DE UN BOSQUE PARA CAPTURAR CARBONO.

27 de mayo 2014.

Los bosques tropicales son un activo a veces poco apreciados en la batalla contra el cambio climático. Cubren el siete por ciento de la superficie terrestre, aún poseen más del 30 por ciento del carbono terrestre de la Tierra. Como en tierras agrícolas abandonadas en los trópicos es asumido por los bosques, los científicos esperan que estos nuevos bosques limpien cantidades industriales de carbono en la atmósfera. Una nueva investigación de científicos del Smithsonian muestra que cada vez más las abundantes enredaderas podrían obstaculizar este potencial y pueden incluso causar que los bosques tropicales pierdan carbono.

En el primer estudio en demostrar experimentalmente que la competencia entre las plantas puede resultar en pérdidas en todo el ecosistema de carbono de los bosques, los científicos que trabajan en Panamá mostraron que las lianas o enredaderas leñosas, pueden reducir la acumulación de biomasa forestal neta en casi un 20 por ciento. Los investigadores llamaron a este cálculo "conservador" en los resultados publicados este mes en Ecología (Ecology).

"Este trabajo representa la primera cuantificación experimental de los efectos de las lianas sobre la biomasa", dijo el autor principal Stefan Schnitzer, investigador asociado en el Instituto Smithsoniano de Investigaciones Tropicales. "A medida que aumentan las lianas en los bosques tropicales, se va a disminuir la capacidad de los bosques tropicales para acumular carbono."

Stefan Schnitzer está preocupado de que las lianas están reduciendo la cantidad de carbono que los bosques tropicales almacenan en la Isla Barro Colorado en Panamá. Crédito: Smithsonian, Sean Mattson, fotógrafo .

Investigaciones previas realizadas por Schnitzer y otros demostraron que las lianas están aumentando en los bosques tropicales de todo el mundo. Nadie sabe por qué. La disminución de la lluvia es una de las sospechosas, pero las lianas, que son generalmente más tolerantes a la sequía que los árboles, están aumentando en abundancia incluso en las selvas tropicales que no han experimentado cambios aparentes en los patrones climáticos.
Las lianas trepan a los árboles para alcanzar el dosel del bosque donde sus hojas, tapan la luz del sol necesaria para el crecimiento del árbol. Ellas representan hasta el 25 por ciento de las plantas leñosas en un bosque tropical típico, pero sólo un pequeño porcentaje de su carbono. Ellas no compensan el carbono desplazado debido al volumen de madera relativamente bajo, la baja densidad de la madera y una alta tasa de rotación.

Machete en mano, Schnitzer y sus colegas cortaron lianas de parcelas forestales para este estudio. Después de recopilar ocho años de datos que comparan las parcelas libres de lianas con parcelas naturalmente llenas de lianas en el mismo bosque, se cuantificó el grado en que las lianas limitaron el crecimiento del árbol, por lo tanto, la absorción de carbono. En los espacios creados por los árboles caídos, las lianas mostraron reducir la acumulación de biomasa de los árboles en casi un 300 por ciento. Los hallazgos de Schnitzer y sus colegas, publicado también este año en Ecología, mostraron que la distribución y diversidad de las lianas está determinados en gran medida por los espacios del bosque, lo cual no es el caso de los árboles tropicales.

Las condiciones áridas en los claros son similares a las zonas recientemente reforestadas. "La capacidad de las lianas para invadir rápidamente áreas abiertas y bosques jóvenes puede reducir drásticamente la regeneración de árboles tropicales y casi todo el carbono superficial se almacena en los árboles", dijo Schnitzer. Las lianas han demostrado consistentemente obstaculizar el alistamiento de árboles pequeños, y limitar el crecimiento, fecundidad y la supervivencia de los árboles establecidos

"Los científicos han asumido que la batalla por el carbono es un juego de suma cero, en el que la pérdida de carbono de una planta se compensa con la ganancia de un carbono por otro. Este supuesto, sin embargo, está siendo cuestionado porque las lianas impiden que los árboles acumulen grandes cantidades de carbono, pero las lianas no pueden compensar en términos de acumulación el carbono ", dijo Schnitzer. "Si las lianas siguen aumentando en los bosques tropicales, se reducirá la capacidad de los bosques tropicales para la captación el carbono, lo que acelerará el ritmo de aumento de carbono en la atmósfera en todo el mundo."

Fuente: Ecology.

Vines choke a forest's ability to capture carbon, scientists report

DESCIFRANDO EL VOCABULARIO QUÍMICO DE LAS PLANTAS.

01 de mayo 2014.

Las plantas pasan toda su vida arraigadas en un solo lugar. Cuando se enfrentan a una situación difícil, como un enjambre de herbívoros hambrientos o un brote viral, no tienen opción de huir sino que deben luchar para sobrevivir. ¿Cuál es la clave de su defensa? La química.

Gracias a este conflicto en curso, las plantas han evolucionado para convertirse en químicos asombrosos, capaces de sintetizar decenas de miles de compuestos a partir de miles de genes. Estas sustancias químicas, conocidas como metabolitos especializados, permiten a las plantas resistir amenazas transitorias de su entorno. Es más, algunos de los mismos compuestos benefician a los seres humanos, con más de un tercio de los medicamentos derivados de metabolitos vegetales especializados.

Foto de flor del desierto por Seung Yon Rhee.

La comprensión de cómo las plantas evolucionaron este vocabulario químico prodigioso ha sido un objetivo de larga data en la biología vegetal. Un equipo de científicos del Instituto Carnegie dirigidos por Seung Yon Rhee y Lee Chae realizó un análisis comparativo a gran escala del genoma de las plantas para investigar cómo evolucionó a metabolismo especializado. Sus hallazgos, según se ha informado en la revista Science, tienen importantes implicaciones para la forma en que los científicos buscan nuevos metabolitos beneficiosos en las plantas.Para realizar el estudio, el equipo desarrolló un sistema de cálculo proyectado que pueden transformar un genoma vegetal secuenciado en una representación del metabolismo del organismo. Esto se conoce como una red metabólica.
"La clave de nuestro análisis, o cualquier análisis comparativo del genoma, es la consistencia y la calidad de los datos a través de las especies", dice Chae. "Nuestro proyecto garantiza esta coherencia con los niveles de validación de la precisión y la cobertura."

Es importante destacar que, el plan permite al equipo producir una red metabólica fiable para cualquier genoma secuenciado en aproximadamente dos días o menos - un vasto ahorro de tiempo y recursos cuando se compara con el proceso anterior de largos meses-, señala Chae.
Usando el plan, el equipo reconstruyó y analizó las redes metabólicas de 16 especies en el linaje de las plantas verdes, incluyendo las plantas con flores, algas y musgos. Ellos encontraron que los genes que producen metabolitos especializados exhiben propiedades inusuales en la forma en que se desarrollaron, entre ellos su número y organización dentro de cada genoma, los mecanismos genéticos por los cuales se forman, y su tendencia a ser activados simultáneamente.

Colectivamente, estas propiedades representan una firma distintiva de los genes del metabolismo especializados que ofrece una estrategia innovadora para el descubrimiento de nuevos metabolitos especializados de diversas especies de plantas. Tales descubrimientos podrían tener amplias implicaciones para muchos campos de investigación, incluyendo la agricultura, la biotecnología, el descubrimiento de fármacos, y la biología sintética.
"A pesar de nuestra dependencia de los compuestos de la planta para la salud y el bienestar, sabemos muy poco sobre la forma en que se producen o el verdadero alcance de su diversidad en la naturaleza", dice Rhee. "Esperamos que nuestros hallazgos permitirán a los investigadores utilizar estas firmas como una herramienta para descubrir metabolitos especializados hasta ahora desconocidas, para investigar cómo benefician a la planta, y para determinar la forma en que nos pueden beneficiar."

Fuente: Institución para la Ciencia Carnegie.

Decoding the chemical vocabulary of plants

CIENTÍFICOS IDENTIFICAN GENES CLAVES PARA AUMENTAR EL CONTENIDO DE ACEITE EN LAS HOJAS DE LOS VEGETALES.

La acumulación de aceite en las hojas podría aumentar significativamente el contenido energético de los biocombustibles y de los alimentos de origen vegetal
18 de octubre 2013.

Científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven han identificado los genes clave que se requieren para la producción de aceite y la acumulación en las hojas de las plantas y otros tejidos vegetales vegetativos. La potenciación de la expresión de estos genes como consecuencia en un aumento enorme en el contenido de aceite en las hojas, las fuentes más abundantes de la planta de biomasa, un hallazgo que podría tener implicaciones importantes para aumentar el contenido energético de los alimentos de origen vegetal y materias primas renovables para biocombustibles. La investigación se describe en dos nuevas publicaciones en The Plant Journal y Plant Cell.

"Si podemos trasladar esta estrategia a las plantas de cultivo que se utilizan para generar energía renovable o para alimentar al ganado, que aumentaría significativamente su contenido energético y los valores nutricionales", dijo el bioquímico Changcheng Xu, quien dirigió la investigación. Los experimentos se llevaron a cabo en gran parte por los miembros del grupo de Xu, Jilian Fan y Chengshi Yan.

Piense en ello en términos conocidos de calorías: El aceite es dos veces tan denso en energía como en carbohidratos, que constituyen la mayor parte de las hojas, tallos y otras materias vegetativas vegetal. "Si quiere reducir las calorías de su dieta, usted reduce la grasa y los aceites. Por el contrario, si desea aumentar el rendimiento calórico de su biocombustibles o pienso para el ganado, usted quiere más aceite", dijo Xu.

El aumento de la acumulación de aceite en las hojas: La sobre expresion del gen de PDAT, una enzima implicada en la producción de aceite,  causa que las hojas de la planta  acumule grandes cantidades de aceite en grandes glóbulos (izquierda). Cuando los científicos también añadieron un gen para la olesina, una proteína conocida para encapsular gotas de aceite (fusionado a la proteína fluorescente verde para confirmar su ubicación), las agrupaciones de las más pequeñas , formaron gotas de aceite más estables (derecha).

Pero las plantas no suelen almacenar mucho aceite en sus hojas y otros tejidos vegetativos. En la naturaleza, el almacenamiento de aceite es el trabajo de las semillas, en las que los compuestos ricos en energía proporcionan alimento para el desarrollo de los embriones de plantas. La idea detrás de los estudios de Xu era encontrar una manera de "reprogramar" las plantas para almacenar aceite en sus más abundantes formas de biomasa.
El primer paso fue identificar los genes responsables de la producción de aceite en los tejidos vegetativos de las plantas . Aunque el aceite no se almacena en estos tejidos, casi todas las células vegetales tienen la capacidad para hacer aceite. Pero hasta estos estudios, la vía para la biosíntesis de aceite en las hojas era desconocido.

"Mucha gente asume que es similar a lo que ocurre en las semillas, pero tratamos de mirar también a los diferentes genes y enzimas", dijo Xu.

Desentrañando los genes.

Los científicos utilizaron una serie de trucos genéticos para probar los efectos de la sobreexpresión de genes o inhabilitación que permiten a las células fabricar ciertas enzimas que intervienen en la producción de aceite. El bombeo de los factores que normalmente aumentan la producción de aceite en las semillas no tuvo efecto sobre la producción de aceite en las hojas, y uno de éstos, cuando se sobreexpresa en las hojas, causó el crecimiento y problemas de desarrollo en las plantas. La alteración de la expresión de una enzima diferente productora de aceite, sin embargo, tuvo efectos dramáticos en la producción de aceite en las hojas.

"Si eliminas (deshabilitar) el gen de una enzima conocida como PDAT, que no afecta a la síntesis de aceite en las semillas o no causa ningún problema para las plantas, pero disminuye drásticamente la producción de aceite y la acumulación en las hojas", dijo Xu. En contraste, que la sobre expresión el gen de PDAT -que es, obtener células para fabricar más de esta enzima- de como resultado un aumento de 60 veces en la producción de aceite de las hojas.

Una observación importante es que el exceso de aceite no se mezcla con los lípidos de la membrana celular, pero se encontró gotitas de aceite dentro de las células de las hojas. Estas gotitas eran algo similares a las encontradas en las semillas, sólo mucho, mucho más grandes. "Fue como si muchas pequeñas gotas de aceite como las que se encuentran en las semillas que se han fusionado para formar enormes glóbulos", dijo Xu.

Las gotas más grandes pueden parecer mejor, pero no lo son, explicó Xu. El aceite en estas gotas de gran tamaño se descompone fácilmente por otras enzimas en las células. En las semillas, dijo, las gotas de aceite se recubren con una proteína llamada oleosina, lo que evita que las gotas se fusionen, manteniéndolas más pequeñas al tiempo que protege el aceite dentro. ¿Qué pasaría en las hojas, los científicos se preguntaron, si activa el gen de oleosina junto con PDAT?

El resultado: La sobre expresión de los dos genes juntos resultó en un aumento de 130 veces en la producción de aceite de las hojas en comparación con las plantas de control. Esta vez, el aceite se acumula en grandes racimos de diminutas gotas de aceite de oleosina-revestidas.

Identificar el mecanismo.

A continuación los científicos utilizaron carbono radiomarcado (C-14) para descifrar el mecanismo bioquímico por el cual PDAT aumenta la producción de aceite. Ellos rastrearon la absorción de C-14 marcado con acetato en los ácidos grasos, los componentes básicos de las grasas y aceites de membrana. Estos estudios mostraron que PDAT aumentó drásticamente la velocidad a la que se hicieron estos ácidos grasos.

A continuación, los científicos decidieron probar los efectos de la sobre expresión de los recién identificados genes del aceite que se incremento (PDAT y oleosina) en una variante de plantas de prueba que ya contaban con una elevada tasa de síntesis de ácidos grasos. En este caso, el impulso genético resultó en una mayor producción de aceite y la acumulación, 170 veces en comparación con las plantas de control, el punto donde el aceite representó casi el 10 por ciento del peso seco de la hoja.

"Eso es potencialmente igual a casi el doble del rendimiento de aceite, en peso, que se puede obtener de las semillas de canola, que en este momento es uno de los cultivos más altos en producción de aceite usados para la alimentación y la producción de biodiesel", dijo Xu. La quema de biomasa vegetal con tal densidad de energía para generar electricidad liberaría 30 a 40 por ciento más de energía, y el valor nutricional de los alimentos hechos de esta biomasa, la densidad energética también sería mucho mayor.

"Estos estudios se llevaron a cabo en plantas de laboratorio, por lo que aún se tiene que ver si esta estrategia podría funcionar en bioenergía o en cultivos para alimentos ", dijo Xu. "Y hay desafíos en la búsqueda de maneras de extraer el aceite de las hojas por lo que se puede convertir en biocombustible. Pero nuestra investigación ofrece una vía muy prometedora para mejorar el uso de las plantas como fuente de alimento y de materias primas para la producción de energía renovable", dijo.

Xu ahora está colaborando con el bioquímico de Brookhaven John Shanklin para explorar el potencial efecto de la sobre expresión de estos genes clave en la producción de aceite en los cultivos dedicados a la producción de biomasa, como la caña de azúcar.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE (BES). Las imágenes que muestran el almacenamiento del aceite en las gotitas se produjeron utilizando microscopios alojados en el Centro de Brookhaven para los Nanomateriales Funcionales (CFN), también con el apoyo de BES.

Fuente: Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Scientists Identify Key Genes for Increasing Oil Content in Plant Leaves