Un nuevo estudio colaborativo dirigido por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) de Barcelona y el Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP) de Valencia describe una estrategia prometedora para mejorar los beneficios nutricionales de los cultivos.
por el Centro de Investigación en Genómica Agrícola
El trabajo, publicado en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), propone la transformación controlada de cloroplastos (orgánulos que realizan la fotosíntesis en las hojas) en cromoplastos (orgánulos especializados en la producción y almacenamiento de grandes cantidades de carotenoides). Libre de sustancias nocivas para el medio ambiente, esta tecnología abre nuevas perspectivas para la mejora nutricional (biofortificación) de los cultivos y para la producción sostenible de carotenoides de interés para las industrias cosmética, farmacéutica y alimentaria.
Los carotenoides son un grupo de pigmentos naturales presentes en las plantas que protegen las hojas del exceso de luz y confieren colores que van del amarillo al rojo a las flores y frutos para atraer a los animales a polinizarlos y dispersar sus semillas. Ejemplos bien conocidos son el betacaroteno de las zanahorias y el licopeno de los tomates. Los humanos y los animales necesitan ingerir estos nutrientes en la dieta como fuente de vitamina A y antioxidantes a través del consumo de frutas, verduras y hortalizas. Aunque los cloroplastos de los tejidos verdes contienen carotenoides, la mayor concentración de estos compuestos se produce en los orgánulos celulares llamados cromoplastos, que se forman a partir de los cloroplastos en flores y frutos. Esta transformación es responsable del cambio de color durante la maduración de frutas y verduras como los tomates, que pasan del verde (cuando solo tienen cloroplastos) al rojo (cuando los cloroplastos se transforman en cromoplastos). Sin embargo, los cloroplastos de las hojas generalmente no se transforman en cromoplastos.
«No se conoce con detalle cómo funciona la transformación de los cloroplastos en cromoplastos, pero ahora hemos descubierto que el punto de partida es debilitar la capacidad de los cloroplastos para realizar la fotosíntesis», explica Briardo Llorente, primer autor y colíder del trabajo. «Tras esta etapa, solo es necesario activar la producción de carotenoides para completar esta compleja transformación», añade Llorente, quien actualmente dirige un laboratorio de biología sintética en la Universidad Macquarie de Sídney (Australia).
Las dos fases de este proceso ocurren de forma natural en flores y frutos, y el trabajo ahora publicado demuestra que también pueden inducirse en las hojas estimulando la producción de fitoeno, el compuesto a partir del cual se forman los diferentes tipos de carotenoides. La producción de fitoeno provoca una transformación sintética, es decir, una transformación artificial de los cloroplastos en cromoplastos. «Nuestras pruebas demuestran por primera vez que cuando el nivel de fitoeno supera cierto umbral, se debilita la capacidad fotosintética que caracteriza a los cloroplastos de las hojas. Posteriormente, la conversión de este fitoeno en carotenoides provoca que los cloroplastos debilitados se transformen en cromoplastos con niveles muy elevados de estos nutrientes beneficiosos», señala Manuel Rodríguez-Concepción, investigador del CSIC en el CRAG y colíder del estudio.
Además de contribuir a la solución de una cuestión fundamental en biología, al demostrar que la pérdida de la capacidad fotosintética y la síntesis de carotenoides no son solo consecuencia, sino también requisito, de la transición de cloroplastos a cromoplastos, esta investigación presenta un procedimiento con un enorme potencial para aumentar el valor nutricional de las hojas y otras partes verdes de las plantas, especialmente reticentes a la biofortificación con carotenoides. La formación inducida de cromoplastos provoca que las hojas de plantas comestibles como la lechuga y hortalizas verdes como el calabacín adquieran un característico color amarillo dorado debido a la acumulación de carotenoides.
El sistema desarrollado funciona en todas las especies vegetales probadas hasta la fecha, por lo que podría utilizarse para enriquecer los tejidos cosechables de las plantas de cultivo con carotenoides una vez que su actividad fotosintética sea prescindible (por ejemplo, justo antes de la cosecha). «Es una tecnología muy aplicable tanto a la industria alimentaria como a la producción sostenible de carotenoides de interés, como pigmentos naturales y nutracéuticos. Actualmente, buscamos mejorar el sistema para su uso industrial», destaca José Antonio Daròs, investigador del CSIC en el IBMCP. Investigadores del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio) y del Instituto para la Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana (COMAV), también en España, así como investigadores de Australia, Alemania y Francia, también han participado en el trabajo.
Más información: Briardo Llorente et al., «La conversión sintética de cloroplastos foliares en plástidos ricos en carotenoides revela la base mecanística del desarrollo natural de los cromoplastos», PNAS (2020). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2004405117
