Per sfamare i 9 miliardi di persone previsti entro il 2050, gli agricoltori devono coltivare il 50% di cibo in più su una quantità limitata di terra coltivabile. Di conseguenza, gli scienziati stanno affrontando una corsa contro il tempo per progettare colture con rendimenti più elevati e ottenere un miglioramento della fotosintesi. In particolare, le alghe verdi-azzurre (cianobatteri) sono note per eseguire questo processo vitale in modo più efficiente della maggior parte delle colture, così i ricercatori stanno lavorando per inserire elementi tratti dai cianobatteri nelle piante coltivate.
Il miglioramento della fotosintesi passa dalle alghe
Un nuovo studio condotto dalla Cornell University descrive il compimento di un passo significativo per raggiungere questo obiettivo. Lo studio, dal titolo “Absence of Carbonic Anhydrase in Chloroplasts Affects C3 Plant Development but Not Photosynthesis”, è apparso l’11 agosto sulla pubblicazione scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences. Maureen Hanson, docente di biologia molecolare delle piante, è il principale autore dell’articolo. Kevin Hines, un ex studente nel laboratorio di Hanson, e Vishal Chaudhari, un associato post-dottorato nel laboratorio di Hanson, sono coautori principali.
Quando le piante effettuano la fotosintesi, trasformano l’anidride carbonica, l’acqua e la luce in ossigeno e saccarosio, uno zucchero che esse impiegano per ottenere energia e per costruire nuovi tessuti. Durante questo processo, Rubisco, un enzima presente in tutte le piante, cattura il carbonio inorganico dall’aria e lo “fissa” o lo converte in una forma organica che la pianta usa per costruire i tessuti. Un ostacolo che rende difficile migliorare la fotosintesi nelle colture è il fatto che Rubisco reagisce sia con l’anidride carbonica che con l’ossigeno presente nell’aria; quest’ultima reazione crea sottoprodotti tossici, rallenta la fotosintesi e quindi abbassa le rese. Tuttavia, nei cianobatteri, questo enzima si trova in microcompartimenti chiamati carbossisomi, che lo proteggono dall’ossigeno.
L’importante funzione dei carbossisomi
Hanson spiega che il carbossisoma permette inoltre ai cianobatteri di concentrare l’anidride carbonica in modo che Rubisco possa usarla per una più rapida fissazione del carbonio, aggiungendo che le piante coltivate non hanno carbossisomi, quindi l’idea è di inserire l’intero meccanismo di concentrazione del carbonio dai cianobatteri nelle piante coltivate. Per far sì che questo sistema funzioni nelle piante coltivate, gli scienziati devono rimuovere l’anidrasi carbonica, un enzima naturale, dai cloroplasti, ovvero dagli organelli delle cellule vegetali dove avviene la fotosintesi. Questo perché il ruolo dell’anidrasi è quello di creare un equilibrio tra CO2 e bicarbonato nelle cellule vegetali, catalizzando le reazioni in cui CO2 e acqua formano bicarbonato e viceversa.
Ma, affinché il meccanismo di concentrazione del carbonio dei cianobatteri funzioni nelle colture, il bicarbonato nel sistema deve raggiungere livelli molto più alti di quelli che si trovano nel punto di equilibrio. Questo è uno dei motivi per cui la ricerca è ancora lontana dal raggiungere una conclusione definitiva.
