El mundo se está calentando rápidamente sin indicios de desaceleración. Esto podría ser catastrófico para la producción de cultivos alimentarios, particularmente en áreas que ya son cálidas.
por Allie Arp, Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
En la actualidad, una investigación de la Universidad de Illinois y el Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE. UU. Muestra que eludir un error fotosintético común en cultivos como la soja, el arroz y el trigo puede conferir protección térmica bajo estrés por calor en el campo.
«Necesitamos duplicar la producción de cultivos para 2050 para alimentar a una población mundial en crecimiento , y no solo no estamos en camino de hacerlo, sino que el cambio climático está complicando aún más las cosas», dijo Amanda Cavanagh, profesora de la Universidad de Essex y profesorado afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, que dirigió este trabajo para lograr cultivos preparados para el futuro y ahorrar rendimientos.
Esta investigación es parte de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un proyecto de investigación internacional que tiene como objetivo aumentar la producción mundial de alimentos mediante el desarrollo de cultivos alimentarios que conviertan la energía del sol en alimentos de manera más eficiente con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, Foundation for Food E Investigación Agrícola, y la Oficina de Relaciones Exteriores, Commonwealth y Desarrollo del Reino Unido.
La fotosíntesis, el proceso natural que utilizan todas las plantas para convertir la luz solar en energía y rendimiento, depende de la enzima Rubisco para convertir el dióxido de carbono en azúcares y, al hacerlo, alimenta al mundo. Mientras tanto, la fotosíntesis produce una atmósfera rica en oxígeno, lo que complica el trabajo de Rubisco. Aproximadamente el 20 por ciento de las veces, Rubisco toma oxígeno en lugar de dióxido de carbono, lo que resulta en un proceso de reciclaje energéticamente caro para la planta, llamado fotorrespiración. Estos hallazgos se detallaron en la investigación anterior del mismo grupo. En las condiciones actuales, las ineficiencias de la fotorrespiración pueden reducir el rendimiento de un grano como el trigo en alrededor de un 36 por ciento. Esta pérdida de producción equivale a 148 billones de calorías en trigo y soja, calorías que podrían estar alimentando a millones de personas.
Cavanagh continuó: «Sabemos que a medida que aumentan las temperaturas, Rubisco tiene más dificultades para distinguir entre dióxido de carbono y oxígeno, por lo que las tasas de fotorrespiración aumentan. Debido a esto, pensamos que manipular la fotorrespiración podría ser una forma de ayudar a los cultivos a soportar el calor y mitigar pérdidas de rendimiento causadas por temperaturas más altas «.
Desde un punto de vista económico, la pérdida de rendimiento, supuestamente tan alta como 40-50 por ciento en el sur de los Estados Unidos, costó a los productores alrededor de 500 millones de dólares en 2012. Los productores en las regiones alrededor del ecuador pueden ver incluso más pérdidas, debido al aumento de la temperatura . y se espera que el problema aumente en todo el mundo debido al cambio climático .
«Utilizando un enfoque de ingeniería, diseñamos múltiples vías metabólicas alternativas a la fotorrespiración. Probarlas en el campo mostró aumentos en la productividad que llevaron a Amanda a hacer avanzar significativamente el proyecto al demostrar que nuestras plantas diseñadas pueden soportar un estrés de temperatura bastante extremo», dijo Paul South, coautor , Investigadora de RIPE y profesora asistente en la Universidad Estatal de Louisiana. «A medida que los cambios climáticos y las tensiones térmicas aumentan la presión sobre nuestro suministro mundial de alimentos, los agricultores necesitarán todas las herramientas disponibles, incluidos los enfoques de ingeniería como la biología sintética que se utiliza aquí para mantener cosechas seguras y productivas».
En su estudio reciente, publicado en Plant Biotechnology Journal , Cavanagh, South, y su entonces asesor Don Ort, probaron sus plantas con fotorrespiración más eficiente para ver si estaban mejor adaptadas a temperaturas más cálidas. El grupo se asoció con el investigador de RIPE Carl Bernacchi, un fisiólogo de plantas de investigación del Departamento de Agricultura de los EE. UU., Servicio de Investigación Agrícola. Juntos, plantaron tabaco en un campo con calentadores configurados para mantener sus plantas 5 ° C más calientes que la temperatura ambiente. La mitad del tabaco ha sido modificado genéticamente para tener un proceso de fotorrespiración que consume menos energía.
Los resultados fueron reveladores. Las plantas diseñadas produjeron un 26 por ciento más de biomasa que las plantas de tipo silvestre expuestas a las mismas temperaturas. Las plantas de ingeniería también tuvieron un 15 por ciento menos de pérdida de rendimiento bajo las temperaturas más altas que las plantas sin ingeniería. Esto les dio a los investigadores una idea de cómo mejorar los rendimientos de los cultivos alimentarios en el clima cambiante.
Se eligió el tabaco como cultivo de prueba inicial porque es relativamente fácil trabajar con él de manera experimental y los resultados se pueden ver mucho más rápidamente. Con el tabaco, los investigadores pueden pasar de la transformación genética a la finalización de las pruebas de campo en 12 meses, en comparación con los 3-5 años necesarios para muchos cultivos alimentarios. Ahora que el concepto ha sido probado en el tabaco, se están llevando a cabo investigaciones para tomar la misma genética utilizada en las plantas de prueba de tabaco y ponerla en cultivos alimentarios como la papa y la soja, permitiendo que la producción de alimentos aumente, a pesar de las temperaturas cada vez mayores en todo el mundo. .
«Como científico de plantas, producir suficientes alimentos para alimentar a la población prevista de mediados de siglo de nueve mil millones con el ritmo de aumentos sostenidos en el dióxido de carbono atmosférico es el desafío definitivo de nuestra carrera», dijo Cavanagh. «No existe una mayor motivación para hacer lo mejor en el trabajo, por lo que está proporcionando soluciones para adaptarse a un mundo que está superando la capacidad de las plantas para adaptarse a él».
