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Plantas y suelos que capturan más carbono de la atmósfera (potenciados con edición genética)

La Dra. Jill Banfield (derecha) trabajando en campos de arroz de California con su equipo (Bethany Kolody y Jack Kim) para analizar los microbios del suelo responsables tanto de la emisión como del almacenamiento de carbono. Crédito: Innovative Genomics Institute

Una nueva investigación en el instituto de Jennifer Doudna, co-inventora y Premio Nobel por la técnica CRISPR, tiene como objetivo crear «plantas hambrientas» de carbono con un crecimiento más rápido utilizando la herramienta de edición de genes. Esto generaría una mayor productividad y alimentos, mientras que al mismo tiempo ayuda a combatir el cambio climático.

MIT Technology Review / 14 de junio, 2022.- Las plantas son las fábricas originales de captura de carbono, y un nuevo programa de investigación tiene como objetivo mejorarlas mediante el uso de la edición de genes.

El Innovative Genomics Institute (IGI), un grupo de investigación en Berkeley, California, fundado por la co-inventora de CRISPR, Jennifer Doudna, ha anunciado un nuevo programa para usar la revolucionaria herramienta de edición de genes en plantas con el fin de aumentar su capacidad para el almacenamiento de carbono. El programa inicial tendrá una duración de tres años y está financiado por una subvención de 11 millones de dólares de la fundación de Mark Zuckerberg y Priscilla Chan.

La investigación es parte de un esfuerzo creciente de los científicos para encontrar formas de aspirar el dióxido de carbono que ya está en la atmósfera para frenar el cambio climático. Aumentar las habilidades naturales de las plantas para absorber dióxido de carbono podría, si se hace a una escala lo suficientemente grande, ayudar a reducir las temperaturas máximas en un mundo en calentamiento.

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Si bien muchas personas asocian la captura de carbono con los árboles, la investigación del IGI se centra en los cultivos agrícolas. La decisión es principalmente una cuestión de tiempo, dice Brad Ringeisen, director ejecutivo de IGI. Los árboles pueden tener una vida útil prolongada que les permita almacenar carbono durante décadas o incluso siglos, pero la mayoría de los cultivos crecen más rápido, lo que permite a los investigadores acelerar el proceso de prueba.

Uno de los principales objetivos del trabajo de IGI será modificar la fotosíntesis para que las plantas puedan crecer más rápidamente, dice Ringeisen. Al alterar las enzimas involucradas, los investigadores podrían eliminar las reacciones secundarias que consumen energía, incluidas algunas que realmente liberan dióxido de carbono.

Pero la fotosíntesis es solo la mitad de la historia, porque el carbono de las plantas generalmente regresa al aire después de que los microbios del suelo, los animales o las personas comen las plantas. Mantener el carbono en el suelo, o encontrar otras formas de almacenarlo, es al menos tan importante como capturarlo en primer lugar.

Los sistemas de raíces más grandes y profundos pueden ayudar a almacenar más carbono en el suelo, porque si una planta muere y partes de ella se encuentran a gran profundidad bajo tierra, es menos probable que el carbono de esas piezas regrese rápidamente al aire. Las raíces no son la única opción de almacenamiento posible, dice Ringeisen. Las plantas modificadas también podrían usarse para producir bioaceite o biocarbón, que se pueden bombear a gran profundidad para su almacenamiento.

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Optimizar las plantas para la eliminación de carbono será un desafío, dice Daniel Voytas, ingeniero genético de la Universidad de Minnesota y miembro del consejo asesor científico de IGI.

Muchos de los rasgos que los investigadores quieren alterar en las plantas están influenciados por múltiples genes, lo que puede dificultar la edición precisa, dice. Y aunque algunas plantas, como el tabaco y el arroz, se han estudiado tan extensamente que los investigadores entienden ampliamente cómo modificarlas, la genética de otras se comprende menos.

La mayor parte de la investigación inicial del IGI sobre la fotosíntesis y los sistemas de raíces se centrará en el arroz, dice Ringeisen. Al mismo tiempo, el instituto también trabajará en el desarrollo de mejores técnicas de edición de genes para el sorgo, un cultivo básico que ha sido particularmente difícil de descifrar para los investigadores. El equipo espera comprender eventualmente y potencialmente alterar los microbios del suelo también.

“Esto no es fácil, pero estamos aceptando la complejidad”, dice Ringeisen. En última instancia, espera que cuando se trata del cambio climático, «las plantas, los microbios y la agricultura puedan ser parte de la solución, en lugar de parte del problema«.

Crédito: Innovative Genomics Institute

Más beneficios

Uno de los mayores desafíos con las soluciones actuales basadas en la naturaleza es que el carbono que se elimina de la atmósfera generalmente regresa a la atmósfera en un período de tiempo relativamente corto, a menudo respirado por los microbios del suelo como dióxido de carbono. Para que la captura de carbono natural tenga un impacto significativo, el carbono debe retenerse en los suelos durante largos períodos de tiempo.

Hasta el advenimiento de la agricultura moderna hace unos 200 años, los suelos globales proporcionaron un sumidero confiable a largo plazo para el carbono, pero desde entonces los suelos han perdido carbono equivalente a 487 mil millones de toneladas métricas de dióxido de carbono, una cantidad enorme de carbono que se encuentra aproximadamente en a la par con las emisiones acumuladas de CO2 fósil de EE. UU. desde la revolución industrial. El equipo de IGI ve una oportunidad para aumentar los niveles de carbono del suelo en amplias franjas de tierras agrícolas gestionadas. Restaurar el carbono del suelo tiene el beneficio adicional de mejorar la estructura del suelo, mejorar la eficiencia del uso del agua y la disponibilidad de nutrientes, y alimentar a las comunidades microbianas beneficiosas del suelo.

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Además de mejorar la capacidad de eliminación de carbono, el equipo anticipa otros beneficios. Mejorar la eficiencia de la fotosíntesis podría traducirse en mayores rendimientos y menores necesidades de fertilizantes y riego, todo lo cual podría resultar útil para una población en crecimiento en un planeta que se calienta.

“El cambio climático es el problema más serio que enfrenta el mundo hoy en día, con impactos en el hambre, la propagación de enfermedades, la biodiversidad, la economía global y casi todos los aspectos de la vida humana”, dice la fundadora de IGI y Premio Nobel, la Dra. Jennifer Doudna. “Hemos entendido durante algunos años que la edición del genoma CRISPR podría usarse para ayudar a la agricultura a adaptarse al cambio climático. Es un nuevo paso emocionante aplicar el mismo conjunto de herramientas para la eliminación de carbono y abordar el cambio climático directamente”.

El programa IGI está abordando la investigación en tres grupos de trabajo compuestos por investigadores de UC Berkeley, UC Davis y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, cada uno de los cuales se centra en una etapa diferente del viaje del carbono desde la atmósfera, a través de las plantas hasta las raíces y al suelo.

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Un grupo dirigido por David Savage, Krishna Niyogi, Pamela Ronald y el director de agricultura sostenible de IGI, Brian Staskawicz, se centrará en editar variedades de arroz para mejorar la fotosíntesis para eliminar el carbono de la atmósfera de manera más eficiente y optimizar tanto el desarrollo de raíces como los exudados de raíces que pueden promover el secuestro de carbono en el suelo. Un segundo grupo dirigido por Peggy Lemaux y Myeong-Je Cho, directora de la Planta de Genómica y Transformación de Plantas en el IGI, está desarrollando nuevos protocolos de edición del genoma de alta eficiencia para el sorgo de cultivo de biomasa para permitir la edición para una CDR mejorada. El grupo final, dirigido por la Directora de Microbiología de IGI, Jill Banfield, y Jennifer Pett-Ridge, desarrollará técnicas para rastrear el carbono fijado por los cultivares mejorados y estudiará las comunidades microbianas del suelo que promueven activamente el almacenamiento de carbono a largo plazo. El impacto en el mundo real requerirá la adopción generalizada de los resultados de este trabajo, por lo que junto con los esfuerzos científicos, Melinda Kliegman, Directora de Impacto Público en el IGI, desarrollará un plan de implementación y trabajará para abordar las consideraciones sociales para garantizar que los desarrollos de este trabajo satisfacer las necesidades de los usuarios finales.

«Estos esfuerzos están comenzando localmente en laboratorios y campos en UC Berkeley y UC Davis, pero hemos desarrollado este programa específicamente para que el impacto pueda escalar rápidamente en todo el mundo», dice Brad Ringeisen, director ejecutivo de IGI e IP principal del proyecto.

Las plantas y los microbios no solo tienen una capacidad inherente para capturar carbono de la atmósfera, sino que también pueden almacenarlo en la biomasa y en los suelos de las tierras de cultivo, que cubren ⅓ de la superficie terrestre de la Tierra. Centrarse en cultivos comerciales de importancia mundial como el arroz y el sorgo garantiza que los impactos de la adopción de esta tecnología se extiendan por todo el mundo y beneficien a las comunidades de ingresos bajos y medios. El equipo estima que al aumentar la captura de carbono fotosintético del sorgo y expandir el cultivo a tierras marginales, puede ser posible lograr un aumento neto de hasta 1.400 millones de toneladas métricas de CO2 equivalente capturado anualmente en todo el mundo, la mitad de las cuales podrían almacenarse a largo plazo en una forma viva cuando se combina con tecnologías de conversión de biomasa. Los avances del equipo de IGI pueden extenderse en el futuro ya que este trabajo se aplica a otros cultivos, como el trigo y el maíz.

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