Un nuevo enfoque de bioingeniería para aumentar la fotosíntesis en las plantas de arroz podría aumentar el rendimiento de grano hasta en un 27%, según un estudio publicado el 10 de enero en la revista Molecular Plant .
Cell Press
El enfoque, llamado bypass GOC, enriquece las células vegetales con CO2 que de otra manera se perdería a través de un proceso metabólico llamado fotorrespiración. Las plantas modificadas genéticamente eran más verdes y más grandes y mostraron una mayor eficiencia fotosintética y productividad en condiciones de campo, con ventajas particulares en luz brillante.
«La escasez de alimentos relacionada con el crecimiento de la población mundial será un grave problema que nuestro planeta deberá enfrentar», dice el autor principal del estudio, Xin-Xiang Peng, de la Universidad Agrícola del Sur de China en Guangzhou, China. «Nuestro estudio podría tener un gran impacto en este problema al aumentar significativamente el rendimiento del arroz, especialmente en áreas con luz brillante».
La mejora de la bioingeniería del arroz, un cultivo de alimentos básicos en todo el mundo, tiene una gran importancia práctica, especialmente en vista de la necesidad de una mayor productividad de los cultivos debido al crecimiento de la población mundial y la reducción de los suelos cultivables. Sin embargo, los aumentos en el rendimiento del arroz y otros cultivos importantes han sido escasos en los últimos años, y el rendimiento de los cultivos parece estar alcanzando un techo de potencial máximo.
El enfoque genético principal para aumentar el potencial de rendimiento de los cultivos principales se centra en la fotosíntesis , el proceso bioquímico en el que el CO2 y el agua se convierten en O2 y compuestos de azúcar ricos en energía que estimulan el crecimiento de las plantas. Una forma de aumentar la fotosíntesis es evitar la fotorrespiración, un proceso dependiente de la luz en el que se absorbe O2 y se libera CO2. El costo de la fotorrespiración es masivo. La eliminación de la fotorrespiración podría resultar en un aumento de hasta un 55% en la fotosíntesis, colocando la fotorrespiración en el centro del cuerpo en un intento por mejorar la eficiencia y el rendimiento fotosintético.
En los últimos años, se han introducido tres bypasses fotorrespiratorios en las plantas, y dos de ellos llevaron a aumentos observables en la fotosíntesis y el rendimiento de la biomasa. Pero la mayoría de los experimentos se llevaron a cabo utilizando el organismo modelo Arabidopsis, y los aumentos se han observado típicamente en condiciones de clima controlado, con poca luz y días cortos. «Por lo que sabemos, nuestro estudio es el primero que probó el bypass de fotorrespiración en el arroz», dice el coautor Zheng-Hui He, de la Universidad Estatal de San Francisco.
En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron una estrategia para desviar esencialmente el CO2 de la fotorrespiración a la fotosíntesis. Convirtieron una molécula llamada glicolato, que se produce a través de la fotorrespiración, en CO2 utilizando tres enzimas de arroz: glicolato oxidasa, oxalato oxidasa y catalasa. Para implementar la derivación de GOC, que recibió su nombre por las tres enzimas, los investigadores introdujeron genes que codifican las enzimas en los cloroplastos de arroz, orgánulos donde se produce la fotosíntesis en las células vegetales.
Como resultado, la tasa de fotorrespiración se suprimió en un 18% -31% en comparación con la normal, y la tasa fotosintética neta aumentó en un 15% -22%, principalmente debido a las mayores concentraciones de CO2 celular utilizado para la fotosíntesis. En comparación con las plantas que no fueron diseñadas genéticamente, las plantas GOC fueron consistentemente más verdes y más grandes, con un peso seco sobre el suelo que fue 14% -35% más alto. Además, los granos de almidón crecieron en tamaño en un 100% y aumentaron en número por celda en un 37%. En la temporada de siembra de primavera, el rendimiento del grano mejoró entre un 7% y un 27%.
En el futuro, los investigadores planean optimizar el rendimiento de las plantas de ingeniería en el campo colocando el mismo bypass metabólico en otras variedades de arroz . También les gustaría aplicar el mismo enfoque a otras plantas de cultivo como las papas.
«Nuestras plantas de ingeniería podrían ser desplegadas en campos a una escala mayor después de evaluaciones adicionales por parte de investigadores independientes y agencias gubernamentales», dice Peng. «Aunque no esperamos que este enfoque afecte el sabor de estas plantas , tanto la calidad nutricional como el sabor aún no han sido evaluados exhaustivamente por laboratorios independientes y agencias gubernamentales».
Más información: Molecular Plant , Shen y Wang et al .: «Diseñar un nuevo bypass cloroplástico fotorrespiratorio para aumentar la eficiencia fotosintética y la productividad en arroz» https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18 ) 30370-8, DOI: 10.1016 / j.molp.2018.11.013
Referencia del diario: Planta molecular
Proporcionado por: Cell Press
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