Ayudar a las plantas a eliminar toxinas naturales podría duplicar los rendimientos agrícolas

El aumento de la producción de una proteína común que se produce de forma natural en las hojas de las plantas podría aumentar los rendimientos de los principales cultivos alimentarios en casi un 50%, según un nuevo estudio del proyecto RIPE. El bioquímico Paul South, que trabaja en el proyecto, nos cuenta los detalles e importancia que podría tener trasladar esta tecnología hacia cultivos agrícolas clave para lograr los importantes desafíos en seguridad alimentaria global hacia mediados de siglo.

¿Te imaginas a toda la población de los Estados Unidos, Canadá, México, Brasil, el Reino Unido y Francia pasando hambre? No necesitas imaginarlo. Eso es exactamente lo que sucede todos los días cuando se estima que 815 millones de personas en todo el mundo pasan hambre. A corto plazo, es probable que el problema empeore a medida que la población crece, las dietas cambian y la expansión urbana obliga a los agricultores a producir más alimentos en menos tierra. Informes recientes sugieren que para cuando los niños nacidos en la actualidad lleguen a los 30 años, el planeta debe aumentar la producción de alimentos en al menos un 70%.

Como bioquímico, comencé mi carrera en investigación biomédica, pero pasé a la investigación agrícola en 2013 porque todos necesitan comer. Ahora estoy trabajando con un proyecto de investigación internacional que explora cómo impulsar la producción de alimentos. El objetivo del proyecto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) es aumentar la eficiencia de la fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para convertir la energía del sol en los alimentos que comemos. En nuestra publicación más reciente hemos demostrado que es posible aumentar drásticamente el rendimiento de los cultivos, al permitir que la planta elimine sus toxinas más rápidamente.

Es fundamental que comencemos a desarrollar nuevos cultivos ahora porque aún puede llevar al menos una década para que las innovaciones agrícolas lleguen a los agricultores.

La fotorrespiración es un proceso que exige energía

Cuando se trata de la fotosíntesis, las plantas usan la luz solar para alimentar una reacción química que convierte el dióxido de carbono y el agua en azúcares, oxígeno y energía. Pero esa no es la única reacción química que ocurre en las plantas. Una peculiaridad en la evolución de la proteína llamada Rubisco, es que a veces, en lugar de convertir el dióxido de carbono durante la fotosíntesis, utiliza oxígeno. Esto produce productos de desecho como glicolato y amoniaco, que pueden ser tóxicos para las plantas y ralentizar o dificultar su crecimiento.

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Para eliminar estos químicos tóxicos, otro proceso necesita ponerse en marcha. La fotorrespiración es parte del metabolismo natural de las plantas que recicla estas toxinas. Es un proceso necesario en los principales cultivos, incluidos el arroz, el trigo y la soya, así como en la mayoría de los cultivos de frutas y hortalizas.

Reciclar estos subproductos tóxicos absorbe una gran parte de la energía de las plantas y puede inhibir el crecimiento de la planta en más del 30%. A temperaturas más altas, las plantas tienden a aumentar la cantidad de oxígeno que convierten, de modo que a medida que aumentan las temperaturas de la estación y golpean las olas de calor, hasta 50% de la energía generada por la fotosíntesis puede requerir fotorespiración para reciclar toxinas en cultivos importantes como trigo y soya. Eso reduce los rendimientos en las regiones más cálidas y secas del mundo, como el África subsahariana y el sudeste asiático, donde más se necesita comida.

Para satisfacer la creciente demanda de una mayor producción de alimentos, trabajé con un equipo internacional para explorar si la aceleración de la fotorrespiración podría aumentar los rendimientos de los cultivos.

Hacer la fotorrespiración más rápido

El trabajo, dirigido por la profesora Christine Raines y la autora principal Christine Raines de la Universidad de Essex y el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA-ARS), exploraron si esta modificación podría impulsar la producción en plantas de tabaco.

La investigadora Patricia López trabaja con plántulas de tabaco en el laboratorio.

Logramos acelerar el reciclaje de estas toxinas mediante el diseño de plantas que producen más proteínas, denominadas proteína H, que ya están presentes en nuestras plantas de cultivo y desempeñan un papel en la fotorrespiración. Trabajos anteriores en el laboratorio con la pequeña planta Arabidopsis, la “rata de laboratorio” de la investigación en plantas, sugirieron que aumentar la cantidad de proteína H podría acelerar la fotorrespiración y permitir que nuestras plantas crezcan. Nuestro equipo tradujo esta idea del laboratorio al campo usando una variedad de tabaco, Nicotiana tabacum, que crecimos afuera en una estación de campo de investigación cerca de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, donde trabajo como científico del USDA-ARS.

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Descubrimos con bastante rapidez que teníamos que controlar cuidadosamente la cantidad de proteína H que diseñamos para producir plantas. Demasiada proteína H en todas las partes de la planta era dañina, ralentizaba el crecimiento y reducía el rendimiento de las hojas de tabaco. Por lo tanto, afinamos nuestro enfoque y diseñamos plantas que fabricaban la proteína H solo en las hojas. Esto aumentó la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas, probablemente debido a un reciclaje más rápido de los productos químicos tóxicos.

Aprovechando la biotecnología para mejorar los cultivos

Probamos nuestra hipótesis en tabaco porque es un modelo excelente para la investigación de prueba de concepto. Es fácil de modificar genéticamente y solo tiene un ciclo de vida de cuatro meses, lo que nos permite realizar varios ensayos en una temporada de campo. Esto nos permite probar varias modificaciones genéticas en el tabaco y luego traducir esos descubrimientos para hacer mejoras en los cultivos de alimentos específicos.

Para afinar la expresión de la proteína H, el equipo modificó el tabaco usando ADN de un pariente cercano, Solanum tuberosum o papa. Utilizando una secuencia conocida de ADN de papa pudimos aumentar la proteína H específicamente en el tejido foliar deseado. Eso demostró ser la clave para aumentar el rendimiento sin dañar la planta.

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Inicialmente, era escéptico de que aumentar la producción de una sola proteína de entre miles en la planta podría tener un impacto tan dramático en el rendimiento del cultivo. Pero, después de dos años de pruebas de campo, mis colegas y yo hemos demostrado que el aumento de los niveles de proteína H conduce a plantas más grandes, lo que aumenta el rendimiento del cultivo en un 27-47%.

Tal vez se pregunte si las plantas con proteína H adicional son seguras para comer. Es muy temprano para responder esa pregunta. Una vez que hayamos modificado “cultivos alimentarios con alto contenido de proteína H”, se debe probar que estas plantas son seguras, lo que incluye la evaluación de impacto alérgenico y ambiental antes de que estas plantas transgénicas sean aprobadas por la FDA y el USDA.

El bioquímico y autor del presente escrito, Paul South, mide la tasa de fotosíntesis en las plantas de tabaco en un ensayo de campo en Illinois.

Estos cultivos de mayor rendimiento serían organismos genéticamente modificados

Debido a que parte del ADN proviene de una fuente externa (papa), estas plantas se consideran organismos genéticamente modificados (OGMs), o transgénicos. No hay duda de que la idea de usar OGMs como parte de nuestra fuente de alimentos es bastante controvertida.

Muchas personas han rechazado el uso de la tecnología GM, y algunos países tienen prohibiciones o restricciones del uso en su suministro de alimentos. Sin embargo, muchos estudios han demostrado extensamente que los OGMs son seguros para comer, incluido este informe definitivo de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de Estados Unidos. Creemos que es importante contar con esta tecnología para aumentar la productividad de los cultivos, de modo que los agricultores y consumidores tengan muchas opciones de alto rendimiento disponibles para ellos.

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Una toma del campo donde South y sus colegas prueban sus plantas de tabaco genéticamente modificadas. Esta imagen fue tomada por un drone en 2017.

Existen diferentes técnicas para crear nuevos cultivos, incluidas técnicas tradicionales de mejoramiento de cultivos, los OGMs y, más recientemente, la tecnología de edición de genes basada en CRISPR, que nos permiten reescribir directamente el ADN de una planta sin agregar genes de otras especies. Pero independientemente de la técnica, el objetivo es el mismo: producir plantas que puedan prosperar en los campos de los agricultores para crear un suministro de alimentos más seguro y sostenible para todos.

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Nuestro próximo objetivo es aumentar los niveles de la proteína H en cultivos alimentarios importantes, incluidas las legumbres, la soya y el poroto caupí, así como la yuca, que son los principales alimentos básicos en todo el mundo. Si podemos aumentar la producción de estas plantas objetivo entre un 27 y un 47%, similar a lo que se observó en este estudio, se logrará un gran avance hacia el objetivo de alimentar a otros 2 a 3 mil millones de personas para 2050.