Ayudar a las plantas a eliminar toxinas naturales podría aumentar los rendimientos de los cultivos en un 47 por ciento

¿Puedes imaginar que toda la población de Estados Unidos, Canadá, México, Brasil, el Reino Unido y Francia pasara hambre?

No necesitas imaginarlo. Eso es exactamente lo que ocurre todos los días cuando se estima que 815 millones de personas alrededor del mundo pasan hambre. A corto plazo, es probable que el problema empeore a medida que la población crece, cambian las dietas y la expansión urbana obliga a los agricultores a producir más alimentos en menos tierra. Informes recientes sugieren que para cuando los niños nacidos hoy lleguen a los 30 años, el planeta deberá aumentar la producción de alimentos al menos en un 70 por ciento.

El objetivo de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) es incrementar la eficiencia de la fotosíntesis, el proceso que las plantas utilizan para convertir la energía del sol en el alimento que comemos. En una publicación reciente se ha demostrado que es posible aumentar drásticamente el rendimiento de los cultivos permitiendo que la planta elimine sus toxinas más rápidamente.

Es fundamental que comencemos a desarrollar nuevos cultivos ahora porque aún puede tomar al menos una década para que las innovaciones agrícolas lleguen a los agricultores.

La fotorrespiración es un proceso que demanda mucha energía

Cuando se trata de la fotosíntesis, las plantas utilizan la luz solar para impulsar una reacción química que convierte dióxido de carbono y agua en azúcares, oxígeno y energía. Pero esa no es la única reacción química que ocurre en las plantas. Una peculiaridad en la evolución de la proteína llamada Rubisco es que a veces, en lugar de convertir dióxido de carbono durante la fotosíntesis, utiliza oxígeno. Esto produce productos de desecho como glicolato y amoníaco, que pueden ser tóxicos para las plantas y ralentizar o frenar su crecimiento.

Para eliminar estas sustancias químicas tóxicas, otro proceso debe activarse. La fotorrespiración es parte del metabolismo natural de las plantas que recicla estas toxinas. Es un proceso necesario en cultivos importantes como arroz, trigo y soya, así como en la mayoría de cultivos de frutas y verduras.

Reciclar estos subproductos tóxicos consume una enorme parte de la energía de las plantas y puede inhibir su crecimiento en más de 30 por ciento. A temperaturas más altas, las plantas tienden a aumentar la cantidad de oxígeno que convierten, por lo que a medida que aumentan las temperaturas durante la temporada de crecimiento y se presentan olas de calor, hasta el 50 por ciento de la energía generada por la fotosíntesis puede ser necesaria para que la fotorrespiración recicle toxinas en cultivos importantes como trigo y soya. Esto reduce los rendimientos en las regiones más cálidas y secas del mundo, como África subsahariana y el sudeste asiático, donde los alimentos son más necesarios.

Para satisfacer la creciente demanda de producción de alimentos, un equipo internacional trabaja para explorar si acelerar la fotorrespiración podría aumentar los rendimientos de los cultivos.

Hacer la fotorrespiración más rápida

El trabajo, dirigido por la profesora Christine Raines y la autora principal Patricia Lopez-Calgano de la Universidad de Essex y el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA-ARS), exploró si esta modificación podría aumentar la producción de plantas de tabaco.

Lograron acelerar el reciclaje de estas toxinas diseñando plantas que producen más de una proteína llamada H-protein, que ya está presente en nuestros cultivos y desempeña un papel en la fotorrespiración. Trabajos previos en laboratorio utilizando la pequeña planta Arabidopsis, el “ratón de laboratorio” de la investigación vegetal, sugerían que aumentar la cantidad de H-protein podría acelerar la fotorrespiración y permitir que nuestras plantas crezcan más. El equipo trasladó esta idea del laboratorio al campo utilizando una variedad de tabaco, Nicotiana tabacum, que cultuvaron al aire libre en una estación experimental cercana a la University of Illinois at Urbana-Champaign.

Descubrieron rápidamente que debían controlar cuidadosamente la cantidad de H-protein que hacían producir a las plantas. Demasiada H-protein en todas las partes de la planta era perjudicial, frenando el crecimiento y reduciendo el rendimiento de las hojas de tabaco. Por lo tanto, ajustaron su enfoque y diseñaron plantas que producían la H-protein solo en las hojas. Esto aumentó la fotosíntesis y el crecimiento de la planta, probablemente debido al reciclaje más rápido de las sustancias químicas tóxicas.

Aprovechar la biotecnología para mejorar los cultivos

Probaron su hipótesis en tabaco porque es un excelente modelo para investigaciones de prueba de concepto. Es fácil de modificar genéticamente y solo tiene un ciclo de vida de cuatro meses, lo que les permite realizar varios ensayos en una sola temporada de campo. Esto les permite probar diferentes modificaciones genéticas en tabaco y luego trasladar esos descubrimientos para mejorar cultivos alimentarios específicos.

Para ajustar la expresión de la H-protein, el equipo modificó el tabaco utilizando ADN de un pariente cercano, Solanum tuberosum, o papa. Utilizando una secuencia conocida de ADN de papa, pudieron aumentar la H-protein específicamente en el tejido foliar deseado. Esto resultó ser la clave para aumentar el rendimiento sin dañar la planta.

Inicialmente, se dudaba que aumentar la producción de una sola proteína entre miles presentes en la planta pudiera tener un impacto tan dramático en el rendimiento de los cultivos. Pero, después de dos años de ensayos de campo, demostraron que aumentar los niveles de H-protein conduce a plantas más grandes, aumentando el rendimiento del cultivo en 27-47 por ciento.

Quizá te preguntes si las plantas con H-protein adicional son seguras para comer. Es demasiado pronto para responder a esa pregunta. Una vez se hayan desarrollado “cultivos alimentarios con alta H-protein”, estas plantas deberán demostrar que son seguras, lo que incluye evaluaciones de alergenicidad e impacto ambiental antes de que estas plantas transgénicas sean aprobadas por la FDA y el USDA.

Estos cultivos de mayor rendimiento serían organismos genéticamente modificados

Debido a que parte del ADN proviene de una fuente externa (papa), estas plantas se consideran organismos genéticamente modificados, u OGM. No hay duda de que la idea de utilizar OGM como parte de nuestra fuente de alimentos es bastante controvertida.

Muchas personas han rechazado el uso de la tecnología OGM, y algunos países tienen prohibiciones o restricciones sobre su uso en el suministro de alimentos. Sin embargo, muchos estudios han mostrado amplia evidencia de que los OGM son seguros para consumir, incluido este informe definitivo de las National Academies of Sciences, Engineering and Medicine. Es importante contar con esta tecnología para aumentar la productividad de los cultivos, de modo que agricultores y consumidores tengan muchas opciones de alto rendimiento disponibles.

Existen diferentes técnicas para crear nuevos cultivos, incluyendo técnicas tradicionales de mejoramiento vegetal, OGM y más recientemente tecnología de edición genética basada en CRISPR, que nos permite reescribir directamente el ADN de una planta sin añadir genes externos. Pero independientemente de la técnica, el objetivo es el mismo: producir plantas que puedan prosperar en los campos de los agricultores para crear un suministro de alimentos más seguro y sostenible para todos.

El siguiente objetivo es aumentar los niveles de H-protein en cultivos alimentarios importantes, incluyendo leguminosas como la soya y el frijol caupí, así como el cultivo de raíz yuca, que son alimentos básicos importantes en todo el mundo. Si es posible aumentar la producción de estas plantas objetivo entre un 27 y un 47 por ciento, similar a lo observado en este estudio, será un gran paso para cumplir el objetivo de alimentar a otros 2 a 3 mil millones de personas para 2050.

Paul South, Investigador postdoctoral en el Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign

Este artículo fue republicado de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original.