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Cultivos biotecnológicos con mejor fotorrespiración aumentan producción en 47%

Patricia López-Calcagno (izquierda) y Kenny Brown (derecha) evalúan una prueba de campo que ayudó a demostrar que aumentar una proteína en las hojas de los cultivos puede aumentar la producción en casi un 50 por ciento.

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.

Plantas como la soja y el trigo desperdician entre el 20% y el 50% de su energía reciclando químicos tóxicos creados cuando la enzima Rubisco (la enzima más prevalente en el mundo) atrapa moléculas de oxígeno en lugar de moléculas de dióxido de carbono. Aumentar la producción de una proteína natural común en las hojas de las plantas podría aumentar los rendimientos de los principales cultivos alimentarios en casi un 50%, según un nuevo estudio dirigido por científicos de la Universidad de Essex, publicado ayer en Plant Biotechnology Journal.

Este trabajo es parte del proyecto de investigación internacional “Realizing Increased Photosynthetic Efficiency” (RIPE) que cuenta con el apoyo de la Fundación Bill & Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de Alimentos y Agricultura y el Departamento para el Desarrollo Internacional del Reino Unido.

En este estudio, el equipo modificó genéticamente un cultivo modelo para sobreexpresar una proteína nativa (de la misma planta) que está involucrada en el proceso de reciclaje llamado fotorrespiración. En dos años de pruebas de campo, descubrieron que aumentar la proteína H en las hojas de las plantas aumenta la producción del 27 al 47%.  Sin embargo, el aumento de esta proteína en toda la planta impide el crecimiento y el metabolismo, lo que resulta en plantas de cuatro semanas que tienen la mitad del tamaño que sus equivalentes inalterados.

“Los científicos de plantas tradicionalmente han utilizado promotores que expresan proteínas a altos niveles en toda la planta, y hay muchos ejemplos en los que esto ha funcionado muy bien”, dijo la autora principal Patricia López-Calcagno, investigadora principal de Essex. “Pero para la proteína H, demostramos que más no siempre es mejor, lo que demuestra que cuando traducimos este método a otras plantas de cultivo, tendremos que ajustar los cambios en las proteínas a los niveles correctos en los tejidos adecuados”.

Vista aérea de la prueba de campo de 2017 que mostró que afinar la expresión aumentada de una proteína puede aumentar la producción en casi un 50%.

Estudios previos aumentaron los niveles de proteína H en Arabidopsis, una pequeña planta modelo muy utilizada en experimentos de laboratorio. Esta es la primera vez que la proteína H ha sido evaluada en un cultivo en condiciones de crecimiento en el mundo real. El equipo utilizó tabaco, ampliamente considerado como la “rata de laboratorio” de la biología de las plantas, porque es fácil de manipular genéticamente y puede cultivarse y probarse rápidamente en ensayos de campo al aire libre. Una vez que se ha demostrado que una modificación es efectiva en el tabaco, se puede aplicar el mismo enfoque a los cultivos alimentarios que se necesitan para alimentar a nuestra creciente población.

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“La realidad es que a medida que continúen aumentando las temperaturas de la temporada de cultivo, el impacto del rendimiento causado por la fotorrespiración también aumentará”, dijo el coautor Paul South, investigador postdoctoral del USDA-ARS en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica en el Universidad de Illinois. “Si podemos traducir este descubrimiento en cultivos alimentarios, podemos equipar a los agricultores con plantas resilientes capaces de producir más alimentos a pesar de aumentar el estrés de la temperatura”.

Luego, el equipo planea aumentar los niveles de esta proteína que se produce naturalmente en la soya, el caupí (un poroto o guisante) y la mandioca, un cultivo de raíz tropical que es un alimento básico para más de mil millones de personas en todo el mundo. Su objetivo es aumentar los rendimientos y las oportunidades para los agricultores de todo el mundo, en particular los pequeños agricultores del África subsahariana y el sudeste asiático.

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Para aumentar aún más los rendimientos, el equipo planea combinar esta característica con otras desarrolladas por el proyecto RIPE, incluido un método reportado en Science que aumentó la producción en un 20% al ayudar a las plantas a adaptarse a niveles de luz fluctuantes más rápidamente.

“Las mejoras obtenidas con el rasgo individual descrito aquí nos acercan un paso más para satisfacer las inminentes demandas alimentarias de 2050. Además, al combinar este rasgo con otros rasgos exitosos en RIPE, podemos obtener el aumento de rendimiento necesario para alimentar la creciente población de este siglo “, dijo la investigadora principal Christine Raines, profesora de fisiología molecular de plantas en Essex. “Estamos comprometidos con el desarrollo de estas tecnologías sostenibles lo más rápido posible y asegurando que los agricultores y las comunidades que más las necesitan tengan acceso global”.

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