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Con edición genética mejoran rendimiento de cultivos imitando mecanismos moleculares de las cianobacterias

Maureen Hanson, profesora de Biología Molecular Vegetal en Cornell (izquierda); con Vishal Chaudhari, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Hanson. Imagen: Cornell University

Un nuevo estudio describe un paso significativo hacia la mejora de la fotosíntesis y el aumento de los rendimientos, lo cual se logró al silenciar genes con CRISPR para imitar mecanismos de las cianobacterias en cultivos agrícolas.

Cornell University / 12 de agosto de 2021.- Para alimentar a 9.000 millones de personas proyectadas para 2050, los agricultores deben cultivar un 50% más de alimentos en una cantidad limitada de tierra cultivable. Como resultado, los científicos de plantas están en una carrera contra el tiempo para diseñar cultivos con mayores rendimientos mejorando la fotosíntesis.

Se sabe que las algas verdiazules (cianobacterias) realizan la fotosíntesis de manera más eficiente que la mayoría de los cultivos, por lo que los investigadores están trabajando para colocar elementos de las cianobacterias en las plantas de cultivo.

Un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Cornell describe un paso significativo hacia el logro de ese objetivo. «La ausencia de anhidrasa carbónica en los cloroplastos afecta el desarrollo de la planta C3 pero no la fotosíntesis», publicado el 11 de agosto en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

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Maureen Hanson, profesora de biología molecular vegetal, es la autora principal del artículo. Kevin Hines, un ex alumno en el laboratorio de Hanson, y Vishal Chaudhari, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Hanson, son co-primeros autores.

Cuando las plantas realizan la fotosíntesis, convierten el dióxido de carbono, el agua y la luz en oxígeno y sacarosa, un azúcar que se utiliza para producir energía y para construir nuevos tejidos. Durante este proceso, la Rubisco, una enzima que se encuentra en todas las plantas, toma carbono inorgánico del aire y lo «fija» o lo convierte en una forma orgánica que la planta utiliza para construir tejidos.

Un obstáculo para mejorar la fotosíntesis en los cultivos es que Rubisco reacciona tanto con el dióxido de carbono como con el oxígeno en el aire; la última reacción crea subproductos tóxicos, ralentiza la fotosíntesis y, por lo tanto, reduce los rendimientos. Pero en las cianobacterias, la Rubisco está contenida dentro de microcompartimentos llamados carboxisomas que protegen a la Rubisco del oxígeno.

El carboxisoma además permite que las cianobacterias concentren dióxido de carbono para que Rubisco pueda usarlo para una fijación de carbono más rápida, dijo Hanson. «Las plantas de cultivo no tienen carboxisomas, por lo que la idea es eventualmente instalar todo el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias en las plantas de cultivo«, agregó.

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Para diseñar este sistema para que funcione en plantas de cultivo, los científicos deben eliminar la anhidrasa carbónica, una enzima natural, de los cloroplastos, orgánulos en las células vegetales donde ocurre la fotosíntesis. Esto se debe a que el papel de la anhidrasa es crear un equilibrio entre el CO2 y el bicarbonato en las células vegetales, catalizando reacciones en las que el CO2 y el agua forman bicarbonato y viceversa. Pero para que el mecanismo de concentración de carbono de las cianobacterias funcione en los cultivos, el bicarbonato en el sistema debe alcanzar niveles muchas veces más altos que los que se encuentran en el equilibrio.

«Así que en este estudio», dijo Hanson, «hicimos ese paso [de eliminar la anhidrasa] que será necesario para que el carboxisoma funcione».

En el artículo, los autores describen el uso de la tecnología de edición de genes CRISPR/Cas9 para desactivar genes que expresan dos enzimas anhidrasa carbónica que están presentes en los cloroplastos. En el pasado, otro grupo de investigación había utilizado un método diferente para eliminar el 99% de la actividad de la enzima anhidrasa y las plantas crecieron normalmente. Pero cuando Hanson y sus colegas eliminaron el 100% de la actividad de la enzima, las plantas apenas crecieron. «Demostró que las plantas necesitan esta enzima para producir bicarbonato que se usa en las vías para producir componentes del tejido de las hojas», dijo Hanson.

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Cuando colocaron las plantas en una cámara de crecimiento con alto contenido de CO2, reanudaron el crecimiento normal, ya que las altas cantidades de CO2 dieron como resultado una reacción espontánea para formar bicarbonato.

El equipo cree que tienen una solución para eliminar la anhidrasa y aún tienen suficiente bicarbonato. En una investigación futura, recientemente financiada por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU de tres años y cerca de US$800,000, planean colocar un transportador de bicarbonato en la membrana del cloroplasto, para importar bicarbonato de otras partes de la célula a los cloroplastos. Además de hacer innecesaria la anhidrasa, se espera que el bicarbonato adicional mejore la fotosíntesis incluso antes de que los carboxisomas puedan transformarse en cloroplastos.

Los experimentos demostraron que la ausencia de anhidrasa carbónica no interfirió con la fotosíntesis, al contrario de lo que se pensaba anteriormente.

Un problema potencial es que se sabe que la anhidrasa carbónica que se encuentra en los cloroplastos está involucrada en las vías de defensa de la planta. Sin embargo, los investigadores del grupo de Hanson descubrieron que podían incorporar una versión enzimáticamente inactiva de la anhidrasa carbónica y aún así mantener la defensa de la planta.

«Ahora sabemos que podemos producir una enzima inactiva que no afectará nuestro mecanismo de concentración de carbono, pero permitirá que las plantas de cultivo sean resistentes a los virus», dijo Hanson.

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