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Cultivos que se auto-fertilizan y transmiten «vigor híbrido» a su descendencia como herramientas contra el cambio climático

Imagen: MIT News

Un proyecto emblemático de la iniciativa  «Climate Grand Challenges» tiene como objetivo reducir las emisiones provocadas por la agricultura y hacer que los cultivos alimentarios sean más resistentes y nutritivos. Entre los esfuerzo se incluye el uso de la modificación genética para desarrollar semillas más robustas que transmitan el mismo rasgo de generación en generación, y cereales clave como trigo, arroz o maíz capaces de crear su propio fertilizante a través de una relación simbiótica con microbios fijadores de nitrógeno (como lo hacen las leguminosas).

MIT News / 19 de abril, 2022.- El pasado 11 de abril, el MIT anunció cinco proyectos emblemáticos plurianuales en el marco de los primeros «Grandes Desafíos del Clima», una nueva iniciativa para abordar problemas climáticos complejos y aportar soluciones innovadoras al mundo lo antes posible. Este artículo es el cuarto de una serie de cinco partes en las que se destacan los conceptos más prometedores surgidos del concurso y los equipos de investigación interdisciplinarios que los respaldan.

El impacto de nuestro clima cambiante en la agricultura y la seguridad alimentaria – y cómo la agricultura contemporánea contribuye al cambio climático – está en la vanguardia del proyecto multidisciplinar del MIT «Revolucionando la agricultura con cultivos resistentes y de bajas emisiones«. El proyecto El proyecto es uno de los cinco ganadores emblemáticos del concurso Climate Grand Challenges, y reúne a investigadores de los departamentos de Biología, Ingeniería Biológica, Ingeniería Química e Ingeniería Civil y Ambiental.

«La investigación de nuestro equipo pretende abordar dos retos conectados: en primer lugar, la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por los fertilizantes agrícolas; en segundo lugar, el hecho de que el rendimiento de muchos de los cultivos agrícolas actuales disminuirá, debido a los efectos del cambio climático en el metabolismo de las plantas», afirma el director del proyecto, Christopher Voigt, catedrático Daniel I.C. Wang del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. «Llevamos a cabo seis proyectos interdisciplinarios que son cada uno de ellos clave para nuestro objetivo general de desarrollar métodos de bajas emisiones para fertilizar plantas que están diseñadas con bioingeniería para ser más resistentes y productivas en un clima cambiante».

Los miembros del Instituto Whitehead Mary Gehring y Jing-Ke Weng, biólogos de plantas que también son profesores asociados del Departamento de Biología del MIT, dirigirán dos de esos proyectos.

Promover la resistencia de los cultivos

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el cambio climático se produjo gradualmente, a lo largo de cientos o miles de años. Ese ritmo permitió a las plantas adaptarse a las variaciones de temperatura, precipitación y composición atmosférica. Sin embargo, el cambio climático provocado por el hombre se ha producido mucho más rápidamente, y las plantas de cultivo se han visto afectadas: El rendimiento de los cultivos ha disminuido en muchas regiones, al igual que el contenido de proteínas de las semillas en los cultivos de cereales.

«Si queremos garantizar un suministro abundante de alimentos nutritivos para el mundo, tenemos que desarrollar mecanismos fundamentales para la bioingeniería de una amplia variedad de plantas de cultivo que sean a la vez robustas y nutritivas frente a nuestro clima cambiante», dice Gehring. En sus trabajos anteriores ha demostrado que muchos aspectos de la reproducción de las plantas y el desarrollo de las semillas están controlados por la epigenética, es decir, por información ajena a la secuencia del ADN. Ha utilizado ese conocimiento y los métodos de investigación que ha desarrollado para identificar formas de crear variedades de plantas productoras de semillas que sean más productivas y resistentes que los actuales cultivos alimentarios.

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Pero la biología de las plantas es compleja, y aunque es posible desarrollar plantas que integren rasgos de robustez mediante la combinación de cepas parentales distintas, los científicos aún están aprendiendo a garantizar que los nuevos rasgos se transmitan de una generación a otra. Las plantas con rasgos de robustez tienen «vigor híbrido» y creemos que la perpetuación de esos rasgos está controlada por la epigenética», explica Gehring. «Ahora mismo, algunos cultivos alimentarios, como el maíz, pueden modificarse para beneficiarse del vigor híbrido, pero esos rasgos no se heredan. Por eso los agricultores que cultivan muchas de las variedades de maíz más productivas de la actualidad deben comprar y plantar nuevos lotes de semillas cada año. Además, muchos cultivos alimentarios importantes aún no se han beneficiado del vigor híbrido».

El proyecto que dirige Gehring, «Desarrollo de la producción de semillas clonales para fijar el vigor híbrido«, tiene como objetivo permitir que las plantas de cultivos alimentarios creen semillas más robustas y genéticamente idénticas a las del padre, y por tanto capaces de transmitir rasgos beneficiosos de generación en generación.

El proceso de producción clonal (o asexual) de semillas genéticamente idénticas al progenitor materno se denomina apomixis. Según Gehring, «dado que la apomixis está presente en 400 especies de plantas con flores -alrededor del 1% de las especies de plantas con flores- es probable que los genes y las vías de señalización necesarias para la apomixis ya estén presentes en las plantas de cultivo. Nuestro reto es ajustar esos genes y vías para que la planta cambie la reproducción de sexual a asexual».

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El proyecto aprovechará el hecho de que los genes y las vías relacionadas con el desarrollo asexual autónomo del endospermo -el tejido nutritivo de una semilla- existen en la planta modelo Arabidopsis thaliana. En trabajos anteriores sobre Arabidopsis, el laboratorio de Gehring investigó un gen específico que, cuando está mal regulado, impulsa el desarrollo de un material asexual similar al endospermo. «Normalmente, esa semilla no sería viable», señala. «Pero creemos que mediante el ajuste epigenético de la expresión de otros genes relevantes, permitiremos a la planta retener ese material – y ayudar a lograr la apomixis».

Si Gehring y sus colegas consiguen crear una «fórmula» de expresión genética para introducir la apomixis del endospermo en una amplia gama de plantas de cultivo, habrán conseguido un logro fundamental e importante. Este método podría aplicarse en toda la agricultura para crear y perpetuar nuevas variedades de cultivos capaces de resistir sus entornos cambiantes y que requieran menos fertilizantes y pesticidas.

Creando cultivos «autofertilizantes»

Aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en Estados Unidos son producto de la agricultura. La producción y el uso de fertilizantes representan un tercio de esas emisiones e incluyen el óxido nitroso, que tiene una capacidad de atrapar el calor 298 veces más fuerte que el dióxido de carbono, según un estudio de Frontiers in Plant Science de 2018. La mayor parte de la producción de fertilizantes artificiales también consume enormes cantidades de gas natural y utiliza minerales extraídos de recursos no renovables. Después de todo eso, gran parte del fertilizante nitrogenado se convierte en escorrentía que contamina las vías fluviales locales. Por estas razones, este proyecto emblemático de Climate Grand Challenges pretende reducir en gran medida el uso de fertilizantes de origen humano.

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Un enfoque tentador consiste en cultivar plantas de cereales -que representan alrededor del 75% de la producción mundial de alimentos- capaces de extraer el nitrógeno de las interacciones metabólicas con las bacterias del suelo. Weng, del Instituto Whitehead, lidera un esfuerzo para hacer precisamente eso: bioingeniería genética de cultivos como el maíz, el arroz y el trigo para, esencialmente, crear su propio fertilizante a través de una relación simbiótica con microbios fijadores de nitrógeno.

«Las leguminosas, como los porotos y arvejas, pueden formar nódulos en las raíces, a través de los cuales reciben nitrógeno de las bacterias rizobias a cambio de carbono», explica Weng. «Este intercambio metabólico hace que las legumbres liberen muchos menos gases de efecto invernadero -y requieran una inversión mucho menor de energía fósil- que los cultivos de cereales, que utilizan una enorme parte de los fertilizantes nitrogenados producidos artificialmente que se emplean hoy en día».

«Nuestro objetivo es desarrollar métodos para transferir la capacidad de ‘autofertilización’ de las legumbres a los cultivos de cereales», afirma Weng. «Si lo conseguimos, revolucionaremos la sostenibilidad de la producción de alimentos».

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El proyecto -titulado formalmente «Imitación de la simbiosis entre leguminosas y rizobios para la producción de fertilizantes en los cereales«- será un esfuerzo de cinco años en varias etapas. Se basa en los amplios estudios de Weng sobre la evolución metabólica de las plantas y su identificación de las moléculas que intervienen en la formación de los nódulos de las raíces que permiten los intercambios entre las legumbres y las bacterias fijadoras de nitrógeno. También aprovecha su experiencia en la reconstitución de vías metabólicas y de señalización específicas en las plantas.

Weng y sus colegas empezarán por descifrar todo el espectro de procesos de señalización de pequeñas moléculas que se producen entre las leguminosas y las bacterias rhizobium. A continuación, diseñarán genéticamente un sistema análogo en plantas de cultivo que no sean leguminosas; y después, utilizando métodos metabolómicos de última generación, identificarán qué pequeñas moléculas excretadas por las raíces de las leguminosas provocan un intercambio de nitrógeno/carbono por parte de las bacterias de los rizobios. Por último, los investigadores modificarán genéticamente la biosíntesis de esas moléculas en las raíces de las plantas no-leguminosas y observarán su efecto en las bacterias rizobias que rodean las raíces.

Aunque el proyecto es complejo y técnicamente difícil, su potencial es asombroso. «Centrándonos sólo en el maíz, esto podría reducir la producción y el uso de fertilizantes nitrogenados en 160.000 toneladas», señala Weng. «Y podría reducir a la mitad las emisiones de gas de óxido nitroso relacionadas».

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