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Photosynthesis

La fotosíntesis de diseño mejora el rendimiento de las cosechas

La bioingeniería corrige errores en la fotosíntesis del tabaco, lo que permite aumentar el rendimiento de los cultivos un 40%

by Katherine Bourzac
January 3, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 1

 

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Credit: Crédito: Claire Benjamin/RIPE Project
La investigadora Amanda Cavanagh congela plantas de tabaco diseñadas para su análisis en el laboratorio.

Desde el punto de vista de la ingeniería, la fotosíntesis es ineficiente. En uno de cada cinco intentos, la enzima que las plantas usan para atrapar dióxido de carbono se aferra erróneamente al oxígeno, produciendo glicolato (un producto tóxico) en vez de carbohidratos. Este paso en falso se conoce como fotorrespiración. Las plantas usan una cantidad enorme de valiosa energía para corregirlo. De hecho, se estima que la fotorrespiración reduce los rendimientos de los cultivos entre el 20 y el 50%.

Un grupo de investigadores ha encontrado una manera mejor de corregir este error fotosintético. Unas plantas de tabaco diseñadas genéticamente para descomponer glicolato de una manera más eficaz han mostrado rendimientos un 40% mayores al compararlos con cosechas de ensayos de campo (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aat9077). Si estos resultados pudiesen replicarse en cultivos alimentarios, la agricultura podría producir más calorías utilizando menos tierra y menos fertilizantes.

“Esto demuestra que se puede alterar la fotorrespiración de una manera fundamental y obtener ganancias significativas en los rendimientos, es emocionante”, dice Berkley Walker, un botánico de la Michigan State University (EEUU) que no participó en la investigación. El trabajo teórico de Walker sugiere que, si se eliminara la fotorrespiración, los agricultores del medio oeste de los EE. UU. podrían producir anualmente en sus cultivos 320 billones de calorías extra usando la misma cantidad de tierra (Annu. Rev. 2016, DOI: 10.1146/annurev-arplant-043015-111709).

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Muchos de los intentos para corregir la fotorrespiración se han centrado en la enzima rubisco, propensa a cometer errores en la captura de dióxido de carbono. Pero hacer que la rubisco sea más selectiva hacia el dióxido de carbono la ralentiza, lo que se traduce en que el crecimiento en las plantas diseñadas ni aumenta, ni es más rápido. Otros esfuerzos se han centrado en complementar las vías originales que tienen de las plantas para descomponer glicolato, insertando genes de bacterias o algas para enzimas de glicolato en sus genomas. Este trabajo, realizado principalmente usando la planta modelo Arabidopsis, ayudó a que las plantas crecieran más en invernaderos, pero de momento no se ha probado en estudios de campo. Además, las mejoras en el rendimiento de los cultivos no fueron tan grandes como los agrónomos esperaban. Para Paul South, un biólogo molecular del Servicio de Investigación Agrícola dependiente del Departamento de Agricultura de EEUU, con sede en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EEUU), una de las razones fue que estas plantas diseñadas por bioingeniería no desactivaron su ineficiente maquinaria de fotorrespiración.

South y sus colaboradores estudiaron una nueva vía: añadieron una enzima capaz de procesar glicolato, proveniente de las algas Chlamydomonas, y una malato sintetasa de la calabaza. Al mismo tiempo, bloquearon algunos aspectos de la fotorrespiración original. Una parte por la que la fotorrespiración es tan costosa para las plantas es que requiere transportar decenas de veces reactivos entre diferentes compartimentos dentro de la célula. Los investigadores de Illinois utilizaron el ARN interferente para bloquear el primer paso del transporte, y atrapar así glicolato en los cloroplastos. Allí, las enzimas extra aúnan esfuerzos con las originales para liberar el carbono desperdiciado en la formación de glicolato, generando dos moléculas de dióxido de carbono.

El equipo modificó plantas del tabaco, que es un cultivo modelo, para expresar esta nueva vía. En 2017, el equipo realizó una prueba de campo a gran escala con tabaco. En promedio, las plantas modificadas produjeron un 40% más de biomasa en la cosecha que el tabaco no modificado.

Veronica Maurino, botánica de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (Alemania), que desarrolló una versión anterior de la vía genética construida por el grupo de Illinois, afirma que demostrar los aumentos de rendimiento en los estudios de campo es un paso adelante muy importante. Pero los investigadores aún deben determinar si estos cambios “también aumentarán la productividad en otras especies de plantas y en las partes de las plantas que se usan como alimento, tales como semillas, raíces y frutas”, añade Maurino. Por su parte, el grupo de Illinois está tratando de modificar esta vía en la soja y en plantas que sean importantes fuentes de calorías en países en desarrollo, como la yuca y el caupí (un tipo de judía).

Traducido al español por Greco González Miera para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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