Un ‘atajo genético’ aumenta la productividad de los cultivos en un 40%

^{Cuatro plantas no modificadas (izquierda) crecen junto a cuatro plantas (derecha) diseñadas con rutas alternativas para eludir la fotorrespiración. /Claire Benjamin/RIPE Project}

Las plantas convierten la luz solar en energía a través de la fotosíntesis; sin embargo, la mayoría de los cultivos en el planeta padecen de un fallo en este proceso que ha provocado que las plantas desarrollen un sistema costoso en energía llamado fotorrespiración, que suprime drásticamente su potencial de rendimiento. Un nuevo estudio genético, publicado en Science, ha diseñado un atajo fotorrespiratorio, que ha dado como resultado cultivos un 40% más productivos en las condiciones agronómicas del mundo real.

Según los investigadores, de la Universidad de Illinois y el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura (EE.UU.), "podríamos alimentar hasta 200 millones de personas adicionales con las calorías perdidas por la fotorrespiración en el medio oeste de los Estados Unidos cada año. Recuperar incluso una parte de estas calorías en todo el mundo contribuirá en gran medida a satisfacer la demanda de alimentos en rápida expansión del siglo XXI, impulsada por el crecimiento de la población y las dietas más ricas en calorías".

La fotosíntesis utiliza la enzima Rubisco (la proteína más abundante del planeta) y la energía solar para convertir el dióxido de carbono (CO₂) y el agua en azúcares que estimulan el crecimiento y el rendimiento de las plantas. Durante milenios, Rubisco se ha convertido en víctima de su propio éxito, creando una atmósfera rica en oxígeno, pero incapaz de distinguir de manera confiable entre las dos moléculas, tomando oxígeno (O₂) en lugar de CO₂ aproximadamente el 20% del tiempo. Esto resulta en un compuesto tóxico para las plantas que debe reciclarse a través del proceso de fotorrespiración. "La fotorrespiración es anti-fotosíntesis", indica el autor principal Paul South, un biólogo de investigación molecular del Servicio de Investigación Agrícola, que trabaja en el proyecto RIPE en Illinois. "Le cuesta a la planta una energía y recursos valiosos que podría haber invertido en la fotosíntesis para producir más crecimiento y rendimiento".

^{Vista aérea de los ensayos de campo en los que los científicos estudiaron las plantas modificadas con un atajo de fotorrespiración, al lado de plantas no modificadas en condiciones reales. / James Baltz / Colegio de Ciencias Agrícolas, Consumidores y Ambientales}

Acortar el viaje

La fotorrespiración normalmente toma una ruta complicada a través de tres compartimentos en la célula de la planta. Los científicos diseñaron vías alternativas para redirigir el proceso, acortando drásticamente el viaje y ahorrando suficientes recursos para impulsar el crecimiento de las plantas en un 40%. Esta es la primera vez que una solución de fotorrespiración diseñada se prueba en condiciones agronómicas del mundo real. "Al igual que el Canal de Panamá fue una hazaña de ingeniería que aumentó la eficiencia del comercio, estos accesos directos fotorrespiratorios son una hazaña de ingeniería de planta que demuestra ser un medio único para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis", dijo el Director de RIPE, Stephen Long, de Ikenberry. Cátedra Universitaria de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal en Illinois.

El equipo diseñó tres rutas alternativas para reemplazar la vía nativa tortuosa. Para optimizar las nuevas rutas, diseñaron construcciones genéticas utilizando diferentes conjuntos de promotores y genes, esencialmente creando un conjunto de mapas de ruta únicos. Hicieron pruebas de estrés en estas hojas de ruta en 1.700 plantas para evaluar a los mejores. A lo largo de dos años de estudios de campo replicados, encontraron que estas plantas diseñadas se desarrollaron más rápido, crecieron más y produjeron aproximadamente un 40% más de biomasa, la mayoría de las cuales se encontraron en tallos de 50% más grandes.

El equipo probó sus hipótesis en el tabaco: una planta modelo ideal para la investigación de cultivos porque es más fácil de modificar y probar que los cultivos alimentarios. Ahora, el equipo está traduciendo estos hallazgos para aumentar el rendimiento de la soja, el frijol, el arroz, la papa, el tomate y la berenjena.

Durante mucho tiempo, se ha creído que la fotosíntesis, realizada por las cianobacterias, había surgido hace 2.400 millones de años, relacionada con un aumento de los niveles de oxígeno. Ahora, un estudio publicado en Geobiology, señala que los microbios pudieron evolucionar para hacer la fotosíntesis que produce oxígeno al menos mil millones de años antes. El hallazgo podría cambiar las ideas del momento y la manera en los que evolucionó la vida compleja en la Tierra, y con qué probabilidad puede darse este proceso en otros planetas.

Beatriz de Vera

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma. 

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