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Plantas crecen un 40% más al mejorar genéticamente la fotosíntesis

Las pruebas de campo con plantas en condiciones reales de cultivo han revelado cómo el ajuste de las instrucciones genéticas de las plantas para un proceso llamado fotorrespiración aumenta el rendimiento del cultivo. Fuente: Science News

Una modificación genética para hacer que la fotosíntesis sea más eficiente en los cultivos podría ser una bendición para la producción agrícola y generar una nueva “revolución verde”.

Esta proeza de la ingeniería genética simplifica una operación compleja y costosa en energía que muchas plantas deben realizar durante la fotosíntesis conocida como fotorrespiración. En las pruebas de campo, un tipo de modificación genética realizada en el tabaco aumentó el crecimiento de las plantas en más del 40%. Según informan los investigadores en su estudio publicado en Science hoy 4 de enero, si produce resultados similares en otros cultivos, eso podría ayudar a los agricultores a satisfacer las demandas de alimentos de una creciente población mundial.

La simplificación de la fotorrespiración es “un gran paso adelante en los esfuerzos para mejorar la fotosíntesis”, dice Spencer Whitney, un bioquímico de plantas en la Universidad Nacional Australiana en Canberra que no participó en el trabajo.

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Ahora que la industria agrícola ha optimizado principalmente el uso de herramientas para aumentar el rendimiento, como pesticidas, fertilizantes e irrigación, los investigadores están tratando de microgestionar y mejorar el crecimiento de las plantas diseñando formas para hacer que la fotosíntesis sea más eficiente.

La fotorrespiración es un obstáculo importante para lograr dicha eficiencia. Ocurre en muchas plantas, como la soya, el arroz y el trigo, cuando una enzima llamada Rubisco, cuyo trabajo principal es ayudar a transformar el dióxido de carbono de la atmósfera en azúcares que estimulan el crecimiento de las plantas, accidentalmente extrae una molécula de oxígeno de la atmósfera.

Esa interacción Rubisco-oxígeno, que ocurre aproximadamente el 20% del tiempo, genera el compuesto tóxico glicolato, que una planta debe reciclar en moléculas útiles a través de la fotorrespiración. Este proceso comprende una larga cadena de reacciones químicas que abarcan cuatro compartimentos en una célula vegetal. En total, completar un ciclo de fotorrespiración es como conducir de Maine a Florida a través de California. Ese desperdicio de energía puede reducir los rendimientos de los cultivos en un 20 a 50%, dependiendo de las especies de plantas y las condiciones ambientales.

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Mediante el uso de ingeniería genética, los investigadores ahora han diseñado una ruta química más directa para la fotorrespiración que se limita a un compartimento de una sola célula: el equivalente celular de un viaje por carretera de Maine a Florida que se encuentra en la costa este.

La modificación genética de las plantas de tabaco para la fotosíntesis aumentó el crecimiento de las plantas de tabaco en alrededor del 40% (izquierda) en comparación con las plantas no modificadas (derecha).

Paul South, un biólogo molecular del Departamento de Agricultura de los EE. UU. en Urbana, Illinois, junto a sus colegas incorporó instrucciones genéticas para este atajo (ya existentes en el ADN de algas y calabazas) en células de plantas de tabaco. Los investigadores también modificaron genéticamente las células para que no produzcan una sustancia química que permita que el glicolato viaje entre los compartimentos celulares y así evitar que el glicolato tome su ruta normal a través de la célula.

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A diferencia de los experimentos previos con vías de fotorrespiración diseñadas por otros científicos, el equipo de South probó su desvío de fotorrespiración en plantas cultivadas en campos bajo condiciones reales de cultivo. En este escenario, el tabaco modificado genéticamente produjo 41% más biomasa que el tabaco que no se había modificado.

“Es muy emocionante ver qué tan bien funcionó este ajuste genético en el tabaco”, dice Veronica Maurino, una fisióloga de plantas en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, en Alemania, que no participó en la investigación; pero “no puedes decir: ‘esta funcionando, ahora funcionará en todas partes'”, agregó.

Los experimentos con diferentes tipos de plantas revelarán si esta solución a la fotorrespiración crea los mismos beneficios para otros cultivos que para el tabaco. El equipo de South actualmente está realizando experimentos de invernadero en papas con el nuevo conjunto de modificaciones genéticas, y planea hacer pruebas similares con soya, legumbres y arroz.

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El proceso de investigación para que dichas modificaciones genéticas sean aprobadas para su uso a nivel comercial, incluyendo más pruebas de campo, probablemente tomará al menos otros cinco a 10 años, dice Andreas Weber, un bioquímico de plantas también en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, quien fue coautor de un comentario sobre el estudio que aparece en el mismo número de Science. Mientras tanto, espera que los investigadores continúen intentando diseñar atajos de fotorrespiración aún más eficientes, pero el equipo de South “ahora ha establecido un nivel bastante alto” afirma.

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