Las plantas tienen la extraordinaria capacidad de convertir la luz solar en alimento a través de la fotosíntesis. Sin embargo, solo porque algo es natural no significa que sea eficiente. La mayoría de los cultivos en el planeta tienen que lidiar con un proceso llamado fotorrespiración que reduce significativamente su rendimiento.
Las plantas convierten la luz solar en energía a través de la fotosíntesis; sin embargo, la mayoría de los cultivos en el planeta están plagados de una falla en la fotosíntesis, y para lidiar con esto, evolucionó un proceso costoso en energía llamado fotorrespiración que suprime drásticamente su potencial de rendimiento. Hoy, investigadores de la Universidad de Illinois y del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos informan en la revista Science que los cultivos diseñados con un atajo fotorrespiratorio son 40 por ciento más productivos en las condiciones agronómicas del mundo real.
“Podríamos alimentar hasta 200 millones de personas adicionales con las calorías perdidas por la fotorrespiración en el medio oeste de los EE. UU. Cada año”, dijo el investigador principal Donald Ort , profesor Robert Emerson de Ciencias de las Plantas y Ciencias de los Cultivos del Instituto Carl R. Woese de Genómica de Illinois. biología. “Recuperar incluso una parte de estas calorías en todo el mundo contribuiría 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 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. Incapaz de distinguir de manera confiable entre las dos moléculas, Rubisco toma oxígeno en lugar de dióxido de carbono aproximadamente el 20 por ciento del tiempo, lo que resulta en un compuesto tóxico para las plantas que debe reciclarse a través del proceso de fotorrespiración.
“La fotorrespiración es anti-fotosíntesis”, dijo 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”.
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 por ciento. Esta es la primera vez que se prueba una solución de fotorrespiración diseñada en condiciones agronómicas del mundo real.
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.
Durante dos años de estudios de campo replicados, encontraron que estas plantas modificadas por ingeniería genética se desarrollaron más rápido, crecieron y produjeron aproximadamente un 40 por ciento más de biomasa, la mayoría de las cuales se encontraron en tallos de un 50 por ciento 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, pero a diferencia de los modelos de plantas alternativas, desarrolla un dosel foliar y puede probarse en el campo. 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.
“Rubisco tiene aún más problemas para seleccionar el dióxido de carbono del oxígeno a medida que se calienta, causando más fotorrespiración”, dijo la coautora Amanda Cavanagh , una investigadora postdoctoral de Illinois que trabaja en el proyecto RIPE. “Nuestro objetivo es construir mejores plantas que puedan soportar el calor hoy y en el futuro, para ayudar a equipar a los agricultores con la tecnología que necesitan para alimentar al mundo”.
“La fotorrespiración es anti-fotosíntesis”, agregó el autor principal Paul South, un biólogo de investigación molecular del Servicio de Investigación Agrícola. “Le cuesta a la planta una energía y recursos valiosos que podría haber invertido en la fotosíntesis para producir más crecimiento y rendimiento”.
El equipo estimó que tomaría aproximadamente una década diseñar este hack en cultivos de alimentos básicos y lograr la aprobación regulatoria. El proyecto y sus fundadores también tienen la intención de garantizar que los pequeños agricultores, especialmente en el África subsahariana y el sudeste asiático, puedan acceder a todo el avance del proyecto sin pagar regalías.
Fuente: Realizing Increased Photosynthetic Efficiency “Proyecto RIPE”