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“Hackeando” la fotosíntesis para desarrollar cultivos que alimenten al planeta

Tabaco genéticamente modificado con mejor eficiencia de fotosíntesis.
La modificación genética de las plantas de tabaco para una fotosíntesis más eficiente aumentó el crecimiento de las plantas en alrededor del 40% (izquierda) en comparación con las plantas no modificadas (derecha). Imagen: RIPE

Los fitosanitarios, los fertilizantes y las máquinas no son suficientes para satisfacer la creciente demanda de cultivos alimentarios, sin embargo, las plantas genéticamente modificadas de rápido crecimiento podrían volver a generar mayores rendimientos agrícolas.

Scienceline / 20 de julio de 2019.- Paul South intenta contener su emoción mientras camina por el invernadero de la Universidad de Illinois, pero la evidencia que tiene ante él lo dificulta. Sus plantas de tabaco genéticamente modificadas (GM) dominan (sin duda alguna) a sus primos no modificados. Ver a los dos uno al lado del otro es como ver a un adolescente en un período de crecimiento desarrollando musculatura, junto a un hermano pequeño.

“Algo grande probablemente esté sucediendo aquí”, dice South. Y no es solo el tamaño de la planta.

Al alterar un gen para hacer la fotosíntesis más eficiente, South y su equipo han aumentado la masa de plantas de tabaco en más del 40% en el campo, según un estudio publicado a inicios del presente año en la revista Science. Como biólogo molecular del Departamento de Agricultura de los EE. UU. (USDA), South espera que este trabajo de prueba de concepto se traduzca en resultados similares en cultivos como la soya, el arroz y el trigo.

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South dice que los cultivos necesitarán este tipo de modificaciones genéticas para satisfacer las crecientes demandas de un mundo hambriento de biocombustibles, carne y lácteos. Según un análisis de 2013, los agricultores necesitarán duplicar la producción de cultivos para 2050 a fin de satisfacer las demandas mundiales, pero las mejoras agrícolas no están en camino de solucionar este problema.

Los rendimientos de los cultivos explotaron en la década de 1960, gracias a las nuevas técnicas agrícolas, como la obtención de variedades de cultivos básicos de alto rendimiento y el uso de mejores pesticidas, fertilizantes y cosechadoras mecánicas. Pero estas mejoras ahora aumentan la productividad de los cultivos en menos del 2% por año, lo que no es suficiente para satisfacer la futura demanda de alimentos, según South. Hacer que la fotosíntesis sea más eficiente, agrega, es un área prometedora que aún no se ha realizado completamente.

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Durante la fotosíntesis, una enzima vegetal llamada rubisco extrae dióxido de carbono (CO2) del aire, que las plantas necesitan para crecer. Pero una de cada cuatro o cinco veces, rubisco se une a una molécula de oxígeno. Cuando esto sucede, rubisco crea un compuesto tóxico, y la planta debe pasar por una desintoxicación de alto gasto energético, llamada fotorrespiración, para neutralizar la toxina.

Las plantas de tabaco que South modificó omiten algunos pasos en este proceso de desintoxicación, a pesar de que alcanzaron el mismo resultado final. Esto ahorra energía a la planta, energía que puede desviar hacia el crecimiento de la planta.

“Que yo sepa, este es el mayor aumento que las personas han visto a través de este tipo de modificación genética”, dice Krishna Niyogi, un biólogo de plantas de la Universidad de California, Berkeley, que no participó en este estudio. Niyogi es parte de una colaboración internacional de investigación más amplia que incluye a South: el proyecto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) de US$83 millones, financiado en gran parte por la Fundación Bill y Melinda Gates.

Por impresionante que sea, el crecimiento del 40% alcanzado por South no es suficiente para alimentar las bocas del futuro. Necesitamos aumentar la producción de alimentos en un 50-70% para satisfacer las demandas de alimentos de mediados de siglo, según el mismo estudio de 2013.

Afortunadamente, la fotorrespiración no es la única parte ineficiente de la fotosíntesis que se puede mejorar con la edición de genes. Los investigadores del Proyecto RIPE, incluido Niyogi, están trabajando en “hackeos” genéticos que podrían usarse en conjunto con el ajuste de la fotorrespiración de South para impulsar la eficiencia de las plantas a nuevas alturas.

Por ejemplo, al modificar genéticamente un proceso llamado fotoprotección, Niyogi aumentó la masa de tabaco en un 15% en un estudio de 2016. La luz solar directa puede resultar demasiado fuerte para algunos cultivos, y comienzan a liberar calor, no de la manera en cómo los humanos liberamos calor mientras trabajamos bajo el sol.

Una nube que pasa por encima puede interrumpir el proceso: la planta continúa liberando calor (lo cual es un desperdicio de energía) a pesar de que ya no recibe suficiente luz para alimentar la fotosíntesis. El equipo de Niyogi aceleró la reacción del tabaco a la cobertura de nubes y otras perturbaciones en la luz, de modo que las plantas liberan menos calor cuando se protegen del sol.

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Otros investigadores del Proyecto RIPE están tratando de mejorar la capacidad de la enzima rubisco para tomar dióxido de carbono, por lo que es menos probable que tome oxígeno y desperdicie energía por error durante la fotorrespiración. Para realizar esta actualización, los investigadores están insertando genes de organismos como bacterias y algas verdes en las plantas, que se concentran alrededor de la rubisco y evitan que las moléculas de oxígeno en el área conduzcan a un desperdicio de energía. Pero este tipo de investigación probablemente no estará listo para probar en cultivos durante cinco a 15 años, dice Alistair McCormick, biólogo de plantas de la Universidad de Edimburgo en Escocia.

El Proyecto RIPE tiene como objetivo proporcionar cultivos que aumenten la eficiencia a los agricultores del África subsahariana y el sudeste asiático, lugares con alto riesgo de escasez de alimentos, dice South.

Muchos de los experimentos de RIPE comenzaron con plantas de tabaco porque son fáciles de modificar genéticamente: es el “ratón de laboratorio del mundo vegetal”, dice South. El siguiente paso para el equipo de South es traducir su éxito con el tabaco en cultivos alimentarios. Hasta ahora, han agregado con éxito los genes que aumentan el rendimiento a las plantas de papa. Ahora están probando las plantas de papa modificadas para ver si sus nuevos genes les dan la misma eficiencia que le dieron al tabaco.

South es optimista de que esta tecnología y sus efectos de eficiencia pueden dar el salto hacia cultivos como las papas, la soya y porotos. Experimentos previos que bombearon dióxido de carbono al aire alrededor de las plantas han demostrado una fotorrespiración reducida en trigo y arroz, aumentando el rendimiento de la planta, esencialmente haciendo lo que las algas verdes hacen por sí mismas, pero sin ningún truco genético. Sin embargo, la pulverización de dióxido de carbono en el aire no es práctica para la agricultura a gran escala, por lo que South y sus colegas están avanzando con la piratería genética.

Sin embargo, algunos expertos advierten que traducir el éxito de South a otros cultivos no será fácil. Los cultivos alimentarios pueden ser más difíciles de manipular genéticamente que el tabaco, dice Raquel Carvalho, genetista de plantas de la Universidad de York en Inglaterra.

“Tienen genes muy similares”, dice Carvalho. “Pero nunca va a ser sencillo”.

Si bien South está decidido a traducir sus hallazgos de tabaco en cultivos alimentarios, la investigación de fotoprotección de Niyogi está más atrasada, aunque Niyogi cree que ambos esfuerzos finalmente tendrán éxito. “Todavía no hemos llegado a hacer pruebas de campo, pero lo que funcionó en el tabaco probablemente funcionará en otros cultivos”, dice Niyogi.

El éxito técnico, si llega, no será el final de la historia. Las modificaciones tendrán que ganar el apoyo de los gobiernos y el público para mejorar los rendimientos de los cultivos en todo el mundo. Eso puede ser un obstáculo formidable: la mitad de los adultos estadounidenses piensan que los alimentos genéticamente modificados son peores para su salud. Y aunque las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de Estados Unidos han declarado que los alimentos transgénicos son seguros, menos del 15% de los residentes de EE.UU., están de acuerdo, según el Centro de Investigación Pew.

South espera que los escépticos de los OGMs (o transgénicos) acepten más las plantas que estén modificadas genéticamente para la eficiencia del crecimiento en lugar de la apariencia o el sabor, o la resistencia a los pesticidas y herbicidas, como ocurre con los controvertidos productos Roundup de Monsanto.

Aún no se sabe si la piratería genética para mejorar los rendimientos afectará la susceptibilidad de las plantas a las plagas, dice Jennifer Kuzma, codirectora del Centro de Ingeniería y Sociedad Genética de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Ella dice que las modificaciones genéticas pueden tener efectos no deseados en una planta, como reducir la resistencia natural a las plagas, lo que puede conducir a un mayor uso de pesticidas.

Si bien Kuzma está impresionada con el proyecto en general, le preocupan los posibles efectos negativos de cultivar los cultivos modificados genéticamente. Su principal preocupación es que las plantas modificadas se reproduzcan con malezas, transmitiendo su capacidad de alto crecimiento. Sin embargo, este no es un gran riesgo, agrega, ya que un complejo completo de genes tendría que transmitirse para crear el efecto de aumento del rendimiento total.

A Kuzma también le preocupa que las ediciones genéticas puedan alterar involuntariamente la cantidad de toxinas o nutrientes en las plantas, aunque presumiblemente esos efectos se identifican en las primeras pruebas de campo de los cultivos modificados. También vale la pena considerar los efectos de estos cultivos en todo el ecosistema, agrega, como si requerirán más agua para crecer.

Dejando a un lado las preocupaciones científicas, Kuzma también alberga reservas sobre la tecnología por razones sociales. “No soy fanático de las personas que afirman que la biotecnología puede alimentar al mundo”, dice Kuzma, “porque si pudiéramos minimizar el desperdicio de alimentos y llevar los alimentos a donde se necesitan y comer menos carne, probablemente podríamos alimentar a las personas por un largo tiempo”. plazo”.

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Incluso con la aceptación del público y las pruebas sin obstáculos, podría llevar un tiempo sacar al mercado los cultivos modificados con mayor eficiencia. Una vez que el equipo de South modifique con éxito los cultivos alimentarios, deberán probar las plantas en los campos agrícolas en varios climas. Con todo, South estima que el proceso podría tomar otros 10-15 años y US$150 millones.

Si el Proyecto RIPE tiene éxito, los ecosistemas también podrían beneficiarse. Un mayor rendimiento de los cultivos significaría que los agricultores podrían producir más alimentos en menos tierra, disminuyendo la cantidad de deforestación necesaria para la agricultura. Según South, los científicos pueden hacer que las plantas sean eficientes, puede ser posible disminuir la cantidad de tierras de cultivo utilizadas en todo el mundo, liberando más tierras para la conservación.

Pero el objetivo clave del proyecto es alimentar a las personas que de otro modo pasarían hambre, especialmente a las más afectadas por la desnutrición y el hambre, en regiones como el sudeste asiático y África subsahariana, incluso si se necesitarán decenas de millones de dólares para llegar allí.


 

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