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Los científicos luchan por diseñar cultivos que hagan frente al cambio climático

biotecnología sequía

Un nuevo estudio publicado por biólogos de la Universidad de Múnich (LMU) demuestra que no hay soluciones simples o universales para el problema de diseñar genéticamente plantas que puedan hacer frente a los desafíos que plantea el cambio climático.

Para las plantas, el cambio climático promete una cosa segura: mayores niveles de estrés. Después de todo, las plantas ya echaron raíces. No tienen la opción de mudarse a donde el clima les convenga. Las fluctuaciones más amplias en las temperaturas y el aumento de los niveles de aridez en muchas regiones del mundo ya están dificultando sus vidas.

Las plantas son sistemas altamente complejos y sensibles. Incluso en zonas con climas estables hoy en día, las variaciones en los niveles de luz pueden reducir las tasas de crecimiento y los rendimientos de los cultivos. Por ejemplo, las plantas han desarrollado mecanismos celulares sofisticados que las protegen contra los efectos nocivos de las altas intensidades de luz en la fotosíntesis. En uno de estos procesos fotoprotectores, el exceso de energía de la luz se disipa como calor antes de que pueda dañar el aparato fotosintético. Esto deprime los rendimientos, pero le interesa mucho a la planta.

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Tres enzimas juegan un papel clave en este proceso de adaptación, que se conocen como V, P y Z para abreviar. En un artículo publicado en 2016, que llamó mucho la atención, un grupo de investigación estadounidense sobreexpresó los genes de estas tres proteínas en las plantas de tabaco, aumentando así las cantidades de enzimas producidas en las hojas.

Posteriormente observaron, en condiciones de campo, que estas líneas de “VPZ ‘crecieron más rápido que las plantas de control (sin modificar) con niveles normales de enzimas. Los biólogos de LMU Antoni Garcia-Molina y Dario Leister ahora han realizado esencialmente el mismo experimento en la planta modelo Arabidopsis thaliana. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature Plants.

Sus resultados confirman que, como en el caso del tabaco, los niveles más altos de V, P y Z reducen las tasas de fotosíntesis mientras permiten que las plantas se adapten más rápidamente (de hecho, incluso más rápido que el tabaco) a los niveles de luz fluctuantes. Sin embargo, las líneas de Arabidopsis VPZ no crecieron más rápido que las plantas de control. Por el contrario, la sobreexpresión de las tres enzimas dio como resultado un crecimiento retardado.

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“Esto muestra claramente que no es tan fácil producir plantas que estén mejor adaptadas como algunos grupos de investigación han sugerido con confianza”, comenta Leister. “De hecho, los niveles más altos de fotoprotección pueden interferir con el funcionamiento de otros mecanismos que son importantes para el crecimiento de las plantas“.

Para Leister, estos datos demuestran esencialmente que la adaptación específica de las plantas para facilitar el ajuste exitoso a las condiciones climáticas cambiantes es una tarea muy complicada. Ciertamente muestran que no siempre se puede esperar conferir una mayor resistencia a la sequía u optimizar los rendimientos bajo niveles de luz fluctuantes simplemente ajustando los niveles de algunas proteínas.

“Los procesos fisiológicos en las plantas están estrechamente interconectados. Esto hace que sea imposible predecir los efectos de accionar este interruptor o apretar ese tornillo”, dice. Esto explica por qué él y sus colegas abordan el problema de la adaptación dirigida desde la perspectiva de la biología de sistemas, que adopta una visión “holística”, como él la llama. Por ejemplo, los esfuerzos para aumentar el rendimiento o la biomasa aumentando la eficiencia de la fotosíntesis también deben garantizar que la energía adicional disponible se canalice de hecho hacia un mayor crecimiento.

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En principio, el rendimiento fotosintético mejorado debería dar como resultado la captura de más energía y niveles más altos de metabolitos. Pero esta energía extra y la abundancia de compuestos químicos deben utilizarse de manera beneficiosa. En ausencia de cualquier “valor agregado”, el aumento de las tasas de fotosíntesis puede ser perjudicial para las plantas.

El análisis de relaciones complejas como esta es la razón de ser del Centro Transregional de Investigación Colaborativa TR175, del cual Leister es el coordinador principal. Los científicos involucrados en el proyecto buscan comprender cómo reaccionan las plantas a los factores ambientales bióticos y abióticos, como la sequía, los niveles de luz y la temperatura, analizando su impacto en las concentraciones de todos los metabolitos, transcripciones y proteínas medibles en las células vegetales.

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Con la ayuda de estos datos, esperan identificar los componentes clave que permiten a las plantas hacer frente a diversas condiciones. En el caso de las plantas de cultivo que son indispensables para la nutrición humana, los mecanismos que subyacen en las compensaciones entre las tasas de crecimiento, los aumentos en la biomasa y los rendimientos también deben tenerse en cuenta.

En el contexto del cambio climático, la idea es ayudar a las plantas a adaptarse a las condiciones cambiantes mediante la introducción de cambios genéticos específicos que les permitan manejar los parámetros ambientales alterados“, explica Leister. Los investigadores se refieren a esta estrategia como “evolución asistida”.

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