Hasta ahora son proyectos agrícolas, pero los científicos esperan desarrollar plantas como el maíz, el trigo y la cebada tan resistentes al calor y la sequía como los cactus.
Smithsonian Magazine.- El verano pasado, una sequía generalizada en los Estados Unidos redujo el rendimiento de los cultivos hasta en un tercio, ya que el maíz, el trigo, la cebada y otras plantas sufrieron demasiado calor y muy poca agua. Es un escenario que probablemente se volverá más común a medida que el cambio climático haga que gran parte del mundo sea un lugar más cálido y seco.
Los científicos están tratando de enseñar a los cultivos viejos algunos trucos nuevos que les permitirán prosperar en estas condiciones más duras, recurriendo a los secretos que residen en plantas como las piñas, las orquídeas y los agaves. Estas y algunas otras plantas han «hackeado» la fotosíntesis de manera que les permite prosperar cuando hace calor y está seco, e incluso resistir períodos de sequía abrasadores.
Muchas orquídeas, por ejemplo, viven en rincones y grietas de árboles donde su única agua llega en episodios esporádicos de lluvia, mientras que otras, como los agaves, prosperan en los suelos rocosos de las praderas del desierto. Si los científicos pudieran diseñar plantas de cultivo como el arroz y el trigo para que se parecieran más a estas especies tolerantes al calor, los cultivos podrían cultivarse en tierras que no se pueden cultivar en este momento. Bajo las condiciones adecuadas, dicen los investigadores, el rendimiento de algunos cultivos podría aumentar en un 50 por ciento o más.
El trabajo aún está a años de estar terminado, pero podría ser vital. Se pronostica que el cambio climático provocará más sequías y hará que las tierras de cultivo sean menos productivas. Al mismo tiempo, la cantidad de personas que el mundo necesita alimentar aumentará de 8 mil millones a 10 mil millones para fines de siglo.
“Cada vez es más evidente que el cambio climático va a ser un gran desafío”, dice Xiaohan Yang, biólogo molecular de plantas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee. “Estas plantas son una solución natural para mitigar el cambio climático”.
El problema de la fotosíntesis
Tradicionalmente, las mejoras en los cultivos se han centrado en características como el tamaño de la planta, su resistencia a las plagas o la duración de su temporada de crecimiento. Pero en los últimos años, los científicos se han centrado en la fotosíntesis, el proceso por el cual crecen las plantas que, en última instancia, alimenta casi toda la vida en la Tierra.
La fotosíntesis usa luz solar, agua y dióxido de carbono para producir azúcares y otras moléculas que las plantas necesitan. Pero en ambientes secos o cálidos, los requisitos duales de agua y dióxido de carbono presentan un dilema: para dejar entrar el dióxido de carbono, las plantas deben mantener abiertos pequeños poros en sus hojas. Pero esos mismos poros también dejan salir el vapor de agua. Cuando hace calor y está seco, eso puede provocar una pérdida de agua mortal, una fotosíntesis ineficiente o ambas cosas.
Muchas plantas que se adaptan a ambientes secos tienen características de ahorro de agua, incluidas las hojas carnosas. Las orquídeas, la piña, el agave (que se muestra arriba) y el sedum se encuentran entre las plantas que también han modificado el proceso de fotosíntesis para minimizar la pérdida de agua.
Sin embargo, la fotosíntesis ocurre en dos etapas principales, y eso brinda una oportunidad para que los científicos trabajen. En la primera parte de la fotosíntesis, denominada “reacciones luminosas”, la planta captura fotones del sol. El punto principal de esta etapa es crear moléculas de almacenamiento de energía que alimentarán las reacciones en el siguiente paso. Es como llenar un tanque de gasolina para estar listo.
La segunda etapa del proceso, las «reacciones oscuras», no requiere luz. Una enzima llamada rubisco agarra el dióxido de carbono que ha entrado en la hoja y lo une a una molécula conocida como RuBP. La energía de la luz solar que se capturó y almacenó antes se usa para alimentar reacciones que crean un azúcar simple a partir del carbono. La planta puede usar los azúcares para hacer moléculas más complejas.
Esta versión de la fotosíntesis es la forma en que el 85 por ciento de todas las plantas hacen las cosas, incluidos la mayoría de los árboles y la mayoría de los principales cultivos alimentarios: arroz, trigo, soja y más. Estas plantas se conocen como plantas C3 porque producen una molécula de tres carbonos en uno de los primeros pasos de la fotosíntesis.
Aunque solo la primera parte de la fotosíntesis requiere luz, en la mayoría de las plantas ambas partes del proceso, incluida la captura de CO2, ocurren al mismo tiempo, mientras brilla el sol. Si hace calor, los poros de la hoja permanecen abiertos y pierden agua, o se cierran y bloquean el acceso al CO2 en el aire. Si los poros se cierran, la concentración de CO2 dentro de la hoja disminuye, por lo que hay menos CO2 para la fotosíntesis. Peor aún, realmente puede arruinar el trabajo, porque la enzima rubisco comienza a tomar oxígeno en su lugar. Esto inicia un proceso de derroche llamado fotorrespiración, durante el cual la planta tiene que desechar parte del carbono que ha recolectado con tanto esfuerzo. La fotorrespiración puede reducir la eficiencia de la fijación de carbono en un 40 por ciento, atrofiando las plantas.
La fotosíntesis ocurre en dos etapas principales, pero solo una requiere luz. Las reacciones dependientes de la luz (izquierda) generan moléculas de alta energía que alimentan la segunda etapa, las reacciones oscuras (derecha), en las que el dióxido de carbono se convierte en azúcares. En muchas plantas, ambos conjuntos de reacciones se llevan a cabo durante el día. Pero algunas plantas hacen las reacciones oscuras solo por la noche, recolectando dióxido de carbono cuando hace relativamente frío, lo que ayuda a prevenir la pérdida de agua de las hojas.
Las plantas han descubierto dos formas ligeramente diferentes de solucionar el problema, y los científicos esperan explotar ambas. Algunas plantas usan un proceso llamado metabolismo del ácido de las crasuláceas, o CAM: absorben CO2 durante la noche, mientras está relativamente fresco, y lo concentran y almacenan hasta que se puede usar durante el día para producir azúcares. Otras plantas, conocidas como plantas C4, concentran y almacenan dióxido de carbono en células especializadas, evitando así la fotorrespiración inútil.
En ambos casos, estas plantas han separado la parte de la fotosíntesis que captura el dióxido de carbono del aire de la parte del proceso donde la rubisco toma el CO2 y comienza el proceso de convertirlo en azúcar. Las plantas CAM separan los procesos según la hora del día, y las plantas C4 los separan físicamente en diferentes partes de la planta.
Las adaptaciones ayudan a las plantas de dos maneras diferentes. En primer lugar, ahorran agua, dejando que la planta se las arregle con menos. Igual de importante, al limitar los efectos derrochadores de la fotorrespiración, permiten que las plantas crezcan más grandes con la misma cantidad de nutrientes.
La estrategia de la CAM
CAM obtuvo su nombre de Crassulaceae, la familia de plantas suculentas en la que se observó por primera vez. La estrategia con su paso adicional evolucionó a partir de hace unos 20 millones de años.
Las plantas CAM abren los poros de sus hojas, llamados estomas, por la noche, cuando hace relativamente frío. Luego, en lugar de usar rubisco, la enzima que captura CO2 de la que dependen las plantas C3, las plantas CAM usan una enzima llamada PEP (o fosfoenolpiruvato) para capturar CO2. A diferencia de la rubisco, la PEP es muy específica para el CO2 y no se apoderará del oxígeno. Luego, la planta convierte el CO2 en una sustancia química llamada malato y lo guarda para pasar la noche en un armario celular llamado vacuola.
Cuando sale el sol, las plantas CAM pueden cerrar sus estomas para conservar agua, porque ya tienen carbono almacenado en la vacuola. Ese carbono ahora puede volver a convertirse en CO2 y Rubisco lo puede usar para construir las moléculas que la planta necesita.
El dióxido de carbono que se necesita para la fotosíntesis ingresa a las plantas a través de los poros de sus hojas. La mayoría de las plantas utilizan la fotosíntesis C3 (izquierda) en la que la enzima rubisco (naranja) captura el dióxido de carbono y lo envía a la línea de montaje de la fotosíntesis. Pero el agua puede escapar por los mismos poros que dejan entrar el CO2. Algunas plantas evitan esto manteniendo los poros cerrados durante el calor del día. Estas plantas CAM (centro) emplean una enzima diferente, PEP carboxilasa (rosa), para captar el dióxido de carbono. Se convierte en una forma almacenable, malato, y luego se vuelve a convertir en dióxido de carbono y pasa a rubisco durante el día. Una tercera estrategia, C4 (derecha), mantiene a la rubisco alejada de los poros de la planta y rodeada de dióxido de carbono por motivos de eficiencia. Rubisco hace su trabajo en células foliares separadas, las células de la vaina del haz.
Muchos científicos piensan que CAM es un objetivo prometedor para la ingeniería genética. Debido a que CAM evolucionó de forma independiente muchas veces en muchas plantas diferentes, no debería haber una barrera fundamental para inducir el proceso en plantas que no son CAM, escriben Katharina Schiller y Andrea Bräutigam en la revista Annual Review of Plant Biology..
De hecho, la CAM parece basarse en enzimas y otra maquinaria molecular que ya se encuentra en las plantas C3; simplemente las usan de diferentes maneras en diferentes momentos. Eso sugiere que es posible reutilizar genes ya existentes en plantas normales para convertirlas en plantas CAM.
Las complejidades de CAM
Pero eso es más fácil decirlo que hacerlo. Para hacer una planta CAM, los investigadores tendrían que crear vías bioquímicas no solo para producir malato por la noche, sino también para transportar malato alrededor de la célula y luego liberar el CO2 cuando sea el momento adecuado.
Por ahora, los científicos todavía están trabajando para comprender la CAM lo suficientemente bien como para controlarla. Ese ha sido un trabajo arduo durante muchas décadas, y todavía hay preguntas sin respuesta. Gran parte del conocimiento actual proviene del estudio de la planta conocida como anémona de tierra, escarcha o hierba de la plata (Mesembryanthemum crystallinum), que puede cambiar del metabolismo C3 al CAM. Al estudiar las diferencias en los dos metabolismos, los científicos han podido descubrir muchos de los procesos que deben activarse para que CAM funcione. Y el diablo está en los detalles.
Por ejemplo, los científicos habían identificado 13 enzimas y proteínas reguladoras que parecían estar involucradas en el almacenamiento de CO2 en forma de malato y luego volver a sacarlo. Para comprender mejor el papel de cada uno de ellos, el biólogo molecular de plantas John C. Cushman de la Universidad de Nevada, Reno, y sus colegas insertaron los genes de cada uno en una planta no CAM, Arabidopsis thaliana, la rata de laboratorio de la ciencia de las plantas. Luego midieron la diferencia que hacía cada gen. También midieron en qué parte de las células se ponían a trabajar las proteínas y enzimas reguladoras.
La mayoría de los genes involucrados en la producción de malato aumentarían el malato al menos un poco cuando se activaran uno a la vez. Y la mayoría de los involucrados en cambiar el malato a CO2 lo reducirían, informó el equipo en 2019 en Frontiers in Plant Science.
Los efectos de la sequía, vistos aquí en una foto de 2013 de un campo de soja en Texas, se han vuelto demasiado comunes a medida que el clima se calienta. Foto del USDA de Bob Nichols a través de Flickr bajo CC BY 2.0
Cushman y sus colegas también se han centrado en otra característica de las plantas CAM: el grosor de sus hojas. Muchas plantas CAM tienen hojas gruesas y carnosas, un rasgo llamado suculencia que les ayuda a retener y almacenar agua (piense en el tallo de un cactus o en las hojas de una planta de jade o de una orquídea). El rasgo parece ser importante, ya que la suculencia parece hacer que CAM sea más eficiente, ayudando a la hoja a retener el CO2 almacenado. Usando genes de uvas de vino que hacen que la fruta se vuelva carnosa y madure, los investigadores han aumentado la suculencia Arabidopsis, creando hojas que almacenan más agua de lo normal.
Con tantos mecanismos complicados para coordinar, todavía hay mucho trabajo por hacer. Schiller y Bräutigam señalan que no es suficiente saber qué genes deben activarse para obtener la producción de enzimas particulares. Los genes también deben activarse en los lugares correctos y en los momentos correctos, y producir la cantidad correcta de proteínas.
“Diría que, dentro de cinco años, deberíamos tener una idea bastante clara de si esto va a funcionar o no”, dice Cushman.
Yang, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, es optimista de que la ingeniería genética de CAM puede funcionar porque la evolución ha dado con la misma solución muchas veces de forma independiente. Con suficiente tiempo y esfuerzo, dice, la biología sintética y la edición del genoma podrán replicar el proceso.
Como lo hace el maíz
Otro enfoque para mantener la fotosíntesis funcionando de manera eficiente, incluso cuando hace calor y está seco, es diseñar e insertar rasgos C4 en plantas C3. Muchos de nuestros cultivos de cereales ya son plantas C4, incluidos el maíz, la caña de azúcar y el sorgo, y la evidencia sugiere que el rasgo ha evolucionado de forma independiente más de 60 veces. (C4 lleva el nombre de una molécula característica de cuatro carbonos producida por las plantas durante la fotosíntesis, en comparación con la molécula de tres carbonos producida por las plantas C3).
Rubisco, la enzima que captura el dióxido de carbono durante la fotosíntesis, a veces toma oxígeno en su lugar, obstruyendo la línea de montaje de la fotosíntesis. Las plantas C4 (derecha) evitan esto al mantener el rubisco secuestrado en las células de la vaina del haz, los anillos azules en forma de corona en el centro de las hojas en este diagrama simplificado. En las plantas C3 ordinarias (izquierda), la rubisco se encuentra en las células del mesófilo y es la primera enzima que capta el carbono que ingresa a la hoja.
Las plantas C4 también convierten el CO2 en malato fácil de almacenar antes de enviarlo a la línea de ensamblaje para producir azúcares. Y las plantas C4 han desarrollado una anatomía foliar particular: empaquetan dos tipos de células foliares, células del mesófilo y células de la vaina del haz, en círculos concéntricos. El dióxido de carbono ingresa a las células mesófilas, como lo hace con las plantas C3. Pero en las plantas C4, la enzima rubisco está secuestrada solo en las células de la vaina del haz. Esta disposición mantiene a la enzima rodeada de CO2 y alejada del oxígeno, minimizando así la fotorrespiración inútil.
Los poros de las plantas C4 no hacen el truco de abrirse solo por la noche, y las plantas generalmente son menos eficientes en agua que las plantas CAM, aunque siguen siendo dos veces más eficientes que las plantas C3. Su gran ventaja es que al secuestrar rubisco en las células de la vaina del haz, reducen la fotorrespiración.
Si el arroz se convirtiera en una planta C4, “los modelos predicen que el rendimiento podría aumentar en un 50 por ciento; la eficiencia en el uso del agua mejoraría enormemente, al igual que la eficiencia en el uso del nitrógeno”, dice Jane Langdale, genetista de la Universidad de Oxford en el Reino Unido que dirige el Proyecto Arroz C4, un esfuerzo de larga data de varios grupos de investigación financiados por Bill and Fundación Melinda Gates.
Hace dos años, los investigadores del proyecto introdujeron cinco genes del maíz en una planta de arroz. Estos cinco, pensaron, eran el número mínimo necesario para las reacciones básicas: convertir el CO2 en malato y luego volver a convertirlo en CO2. Todos los genes produjeron las proteínas para las que estaban destinados y las plantas de arroz no sufrieron ningún daño. Además, el arroz alterado creó malato. Pero no volvió a convertir el malato en CO2, y los investigadores todavía están tratando de averiguar por qué. “Ese es el enfoque principal de lo que se está analizando, en este momento”, dice Langdale.
Aún así, el trabajo fue suficiente para convencer a Langdale y sus colegas de que pueden hacer que partes del metabolismo C4 funcionen en el arroz. Como mínimo, estarían felices de tener la fotosíntesis C4 trabajando junto con la fotosíntesis C3.
CAM vs C4
Aunque los enfoques C4 y CAM comparten similitudes, tienen diferentes fortalezas y debilidades. CAM es relativamente más simple, ya que no tiene que organizar las celdas de hoja de la manera especial en las plantas C4. Y debido a que muchas plantas existentes tienen características tanto C3 como CAM, hay razones para pensar que incluso las vías CAM parciales serán beneficiosas para las plantas, dice Cushman. Además de eso, CAM es más eficiente en el uso del agua.
Por otro lado, es más probable que C4 genere grandes ganancias en el rendimiento de los cultivos al mismo tiempo que aumenta la eficiencia en el uso del agua en comparación con las plantas C3, dice Langdale.
“CAM nunca ha evolucionado para aumentar el rendimiento o la biomasa. CAM ha evolucionado como un mecanismo de supervivencia en condiciones de estrés severo”, dice ella. “Así que no creo que alguna vez quieras poner CAM para aumentar el rendimiento. Pero es posible que desee diseñar CAM para usar en tierras marginales, por ejemplo”.
Incluso es posible que pueda hacer ambas cosas: diseñar rasgos CAM en plantas C4 como el maíz para hacerlas aún más eficientes en el uso del agua, dice Cushman.
En ambos casos, aún no está claro si las plantas de cultivos comerciales son posibles. Yang dice que es evidente que CAM se puede transferir a plantas C3, pero queda por ver si se obtendrán cultivos útiles. Si pueden, estima que pasarán unos 10 años antes de que estén disponibles.
“El primer paso es, ¿podemos hacerlo? Yo creo que sí”, dice. “Pero entonces, ¿podemos optimizarlo? … Esa es la siguiente pregunta”.
El Proyecto Arroz C4, por su parte, cobró impulso en 2006 con el entendimiento de que sería un esfuerzo a largo plazo que requeriría mucha investigación básica. Según el cronograma original, no es hasta 2039 que el proyecto espera entregar una planta de arroz C4 en funcionamiento a los fitomejoradores comerciales.
En la fase actual, los investigadores están tratando de crear un prototipo de arroz que muestre las características básicas de C4, y es probable que pasen cuatro o cinco años más antes de saber con certeza si el arroz C4 funcionará. Necesitan descubrir cómo hacer que la planta vuelva a convertir el malato en CO2, y les gustaría poder aumentar el tamaño de las células alrededor de las venas de la hoja como un paso hacia las células especializadas de la vaina del haz, entre otras cosas.
“Es muy difícil de predecir. Sentimos que estamos a la vanguardia del desarrollo tecnológico todo el tiempo”, dice Langdale. “Entonces, lo que eso significa es que damos dos pasos hacia adelante, un paso hacia atrás, dos pasos hacia adelante, un paso hacia atrás, lo cual es parte de la emoción, pero también parte de la frustración”.
