Investigadores de la Universidad de Illinois encontraron la manera de hacer más eficiente la fotosíntesis para que las plantas crezcan más rápido y produzcan más biomasa.
Las plantas convierten la luz solar en energía a través de la fotosíntesis; sin embargo, la mayoría de los cultivos en el planeta están plagados de un fallo de la fotosíntesis, y para lidiar con esto, las plantas han desarrollado un proceso costoso en energía llamado fotorrespiración que suprime drásticamente su potencial de rendimiento. Un nuevo estudio genético ha logrado recortar ese método de respuesta logrando un aumento en la productividad de la planta.
«Podríamos alimentar hasta 200 millones de personas adicionales con la energía perdida por la fotorrespiración en el medio oeste de Estados Unidos cada año», dice el investigador principal del nuevo estudio Donald Ort, de la Universidad de Illinois.
«Recuperar incluso una parte de estas calorías en todo el mundo contribuirá en gran medida a satisfacer la demanda de alimentos en rápida expansión del siglo XXI, impulsada por el crecimiento de la población y las dietas más ricas en calorías», añade.
La fotosíntesis utiliza la enzima Rubisco, la proteína más abundante del planeta, y la energía solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcares que estimulan el crecimiento y el rendimiento de las plantas. Foto: REUTERS/Enrique Marcarian
Este estudio es parte de ‘Realizing Incresed Photosynthetic Efficiency’ (RIPE), un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos que hagan la fotosíntesis de manera más eficiente para aumentar de forma sostenible la productividad alimentaria mundial con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación de Alimentos y Agricultura (FFAR, por sus siglas en inglés), y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID, por sus siglas en inglés).
La fotosíntesis utiliza la enzima Rubisco, la proteína más abundante del planeta, y la energía solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcares que estimulan el crecimiento y el rendimiento de las plantas. Durante milenios, Rubisco se ha convertido en víctima de su propio éxito, creando una atmósfera rica en oxígeno.
«La fotorrespiración es anti-fotosíntesis», afirma el autor principal Paul South, biólogo de investigación molecular del Servicio de Investigación Agrícola, que trabaja en el proyecto RIPE en Illinois. «Le cuesta a la planta energía y recursos valiosos que podría haber invertido en la fotosíntesis para producir más crecimiento y rendimiento», añade.
La fotorrespiración normalmente toma una ruta complicada a través de tres compartimentos en la célula de la planta. Los científicos diseñaron vías alternativas para redirigir el proceso, acortando drásticamente el viaje y ahorrando suficientes recursos para impulsar el crecimiento de las plantas en un 40 por ciento.
«Al igual que el Canal de Panamá fue una hazaña de ingeniería que aumentó la eficiencia del comercio, estos accesos directos fotorrespiratorios son una hazaña de ingeniería de la planta que demuestran ser un medio único para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis», subraya el director de RIPE, Stephen Long, catedrático de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal en ‘Ikenberry Endowed University’, en Illinois, Estados Unidos.
El equipo diseñó tres rutas alternativas para reemplazar la vía nativa tortuosa. Para optimizar las nuevas rutas, diseñaron construcciones genéticas utilizando diferentes conjuntos de promotores y genes, esencialmente creando un conjunto de mapas de vías únicos. Hicieron pruebas de estrés en estas hojas de ruta en 1.700 plantas para evaluar las mejores.
Mayor desarrollo y rápido crecimiento
A lo largo de dos años de estudios de campo replicados, encontraron que estas plantas diseñadas se desarrollaron más rápido, crecieron más y produjeron aproximadamente un 40 por ciento más de biomasa, la mayoría de las cuales se encontraron en tallos de un 50 por ciento más grandes.
El equipo probó sus hipótesis en el tabaco: una planta modelo ideal para la investigación de cultivos porque es más fácil de modificar y probar que los cultivos alimentarios, pero a diferencia de los modelos de plantas alternativas, desarrolla un dosel foliar y puede probarse en el campo.
Ahora, el equipo está traduciendo estos hallazgos para aumentar el rendimiento de la soja, el frijol, el arroz, la patata, el tomate y la berenjena.
«Rubisco tiene aún más problemas para seleccionar el dióxido de carbono del oxígeno a medida que se calienta, causando más fotorrespiración», explica la coautora Amanda Cavanagh, investigadora postdoctoral de Illinois que trabaja en el proyecto RIPE. «Nuestro objetivo es construir mejores plantas que puedan soportar el calor hoy y en el futuro, para ayudar a equipar a los agricultores con la tecnología que necesitan para alimentar al mundo», agrega.