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Los científicos diseñan atajos para la falla de la fotosíntesis y aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento


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 una falla de la fotosíntesis, y para lidiar con esto, evolucionó un proceso costoso en energía llamado fotorrespiración que suprime drásticamente su potencial de rendimiento. 


Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Investigadores de la Universidad de Illinois y el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE. UU. Informan en la revista Science que los cultivos diseñados con un atajo fotorrespiratorio son 40 por ciento más productivos en las condiciones agronómicas del mundo real.

“Podríamos alimentar hasta 200 millones de personas adicionales con las calorías perdidas por la fotorrespiración en el medio oeste de los EE. UU. Cada año”, dijo el investigador principal Donald Ort, profesor Robert Emerson de Ciencias de las Plantas y Ciencias de los Cultivos del Instituto Carl R. Woese de Genómica de Illinois. Biología. “Recuperar incluso una parte de estas calorías en todo el mundo contribuiría 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”.

Este estudio histórico es parte de Realizing Aumentar la Eficiencia Fotosintética (RIPE), un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para fotosintetizar de manera más eficiente para aumentar de manera 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), y el Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

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. Incapaz de distinguir de manera confiable entre las dos moléculas, Rubisco toma oxígeno en lugar de dióxido de carbono aproximadamente el 20 por ciento del tiempo, lo que resulta en un compuesto tóxico para las plantas que debe reciclarse a través del proceso de fotorrespiración.

Los científicos diseñan atajos para la falla de la fotosíntesis y aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento
Cuatro plantas no modificadas (izquierda) junto con cuatro plantas (derecha) se diseñaron con rutas alternativas para el estudio de la fotorrespiración, un proceso costoso en una energía que tiene un potencial de rendimiento. Las plantas modificadas pueden reinvertir su energía y recursos para aumentar la productividad en un 40 por ciento. 
Crédito: Claire Benjamin / Proyecto RIPE

“La fotorrespiración es anti-fotosíntesis”, dijo el autor principal Paul South, un biólogo de investigación molecular del Servicio de Investigación Agrícola, que trabaja en el proyecto RIPE en Illinois. “Le cuesta a la planta una energía y recursos valiosos que podría haber invertido en la fotosíntesis para producir más crecimiento y rendimiento”.

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. Esta es la primera vez que una solución de fotorrespiración diseñada se prueba en condiciones agronómicas del mundo real.

“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 planta que demuestra ser un medio único para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis”, dijo el Director de RIPE, Stephen Long, de Ikenberry. Cátedra Universitaria de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal en Illinois.

Los científicos diseñan atajos para la falla de la fotosíntesis y aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento
Los científicos Don Ort (izquierda), Paul South (centro) y Amanda Cavanagh (derecha) estudian qué tan bien sus plantas modificadas para evitar la fotorrespiración funcionan al lado de plantas no modificadas en condiciones reales. Encontraron que las plantas diseñadas con un atajo sintético son aproximadamente un 40 por ciento más productivas. 
Crédito: Claire Benjamin / Proyecto RIPEp

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 ruta únicos. Hicieron pruebas de estrés en estas hojas de ruta en 1,700 plantas para evaluar a los mejores.

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 papa, el tomate y la berenjena.

Los científicos diseñan atajos para la falla de la fotosíntesis y aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento
El carro rojo representa plantas no modificadas que utilizan un proceso tortuoso y costoso de energía llamado fotorrespiración que tiene un potencial de rendimiento de costos. 
El automóvil azul representa las plantas con una ruta alternativa a la fotorrespiración del atajo, lo que permite a estas plantas ahorrar combustible y reinvertir su energía para aumentar la productividad hasta en un 40 por ciento. 
Crédito: Proyecto RIPE

“Rubisco tiene aún más problemas para seleccionar el dióxido de carbono del oxígeno a medida que se calienta, causando más fotorrespiración”, dijo la coautora Amanda Cavanagh, una 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”.

Si bien es probable que se tarde más de una década para que esta tecnología se traduzca en cultivos alimentarios y logre la aprobación regulatoria, RIPE y sus patrocinadores se comprometen a garantizar que los pequeños agricultores, en particular en el África subsahariana y el sudeste asiático, tengan libre de regalías. Acceso a todos los avances del proyecto.

Más información: PF South el al., “Las rutas del metabolismo del glicolato sintético estimulan el crecimiento de los cultivos y la productividad en el campo”, Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aav8979 

Referencia del diario: Ciencia  

Proporcionado por: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Información de: phys.org


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