Agricultura Cultivos y Semillas Estados Unidos

Los científicos diseñan un atajo para la falla fotosintética, 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 fotosintética, y para lidiar con eso, evolucionó un proceso costoso de energía llamado fotorrespiración que suprime drásticamente su potencial de rendimiento. 


por la 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 un 40 por ciento más productivos en condiciones agronómicas del mundo real.

«Podríamos alimentar a hasta 200 millones de personas adicionales con las calorías perdidas por la fotorrespiración en el medio oeste de los Estados Unidos cada año», dijo el investigador principal Donald Ort, el profesor Robert Emerson de Ciencias de las plantas y cultivos en el 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 forma parte de Realizando el aumento de 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 la Alimentación y la 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 de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcares que impulsan el crecimiento y el rendimiento de las plantas. Durante milenios, Rubisco se ha convertido en una 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 un atajo para la falla fotosintética, aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento
Cuatro plantas no modificadas (izquierda) crecen junto a cuatro plantas (derecha) diseñadas con rutas alternativas para evitar la fotorrespiración, un proceso costoso de energía que cuesta 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, biólogo molecular de investigación del Servicio de Investigación Agrícola, que trabaja en el proyecto RIPE en Illinois. «Le cuesta a la planta una energía y recursos preciosos 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 vegetal. 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 se prueba una solución de fotorrespiración diseñada 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 atajos fotorrespiratorios son una hazaña de la ingeniería de plantas que demuestran un medio único para aumentar en gran medida la eficiencia de la fotosíntesis», dijo el Director de RIPE Stephen Long, Ikenberry Endowed Cátedra Universitaria de Ciencias de Cultivos y Biología Vegetal en Illinois.

Los científicos diseñan un atajo para la falla fotosintética, 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 funcionan sus plantas modificadas para evitar la fotorrespiración junto a las plantas no modificadas en condiciones del mundo real. Descubrieron que las plantas diseñadas con un atajo sintético son aproximadamente un 40 por ciento más productivas. Crédito: Claire Benjamin / Proyecto RIPE

El equipo diseñó tres rutas alternativas para reemplazar el tortuoso camino nativo. Para optimizar las nuevas rutas, diseñaron construcciones genéticas utilizando diferentes conjuntos de promotores y genes, creando esencialmente un conjunto de hojas de ruta únicas. Pusieron a prueba estas hojas de ruta en 1.700 plantas para derrotar a los mejores.

Durante dos años de estudios de campo replicados, descubrieron que estas plantas de ingeniería se desarrollaron más rápido, crecieron más y produjeron aproximadamente un 40 por ciento más de biomasa, la mayor parte de la cual se encontró en tallos 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 de hojas y puede probarse en el campo. Ahora, el equipo está traduciendo estos hallazgos para aumentar el rendimiento de la soja, el caupí, el arroz, la papa, el tomate y la berenjena.

Los científicos diseñan un atajo para la falla fotosintética, aumentan el crecimiento de los cultivos en un 40 por ciento
El automóvil rojo representa plantas no modificadas que utilizan un proceso tortuoso y costoso de energía llamado fotorrespiración que cuesta potencial de rendimiento. El automóvil azul representa plantas diseñadas con una ruta alternativa para atajar la fotorrespiración, permitiendo que estas plantas ahorren combustible y reinviertan su energía para aumentar la productividad hasta en un 40 por ciento. Crédito: Proyecto RIPE

«Rubisco tiene aún más problemas para detectar dióxido de carbono del oxígeno a medida que se calienta, causando más fotorrespiración», dijo la coautora Amanda Cavanagh, 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 esta tecnología tarde más de una década en traducirse en cultivos alimentarios y lograr la aprobación reglamentaria, RIPE y sus patrocinadores se comprometen a garantizar que los pequeños agricultores, particularmente en África subsahariana y el sudeste asiático, tengan regalías libres de regalías acceso a todos los avances del proyecto.


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