Por primera vez, los investigadores han demostrado que la bioingeniería multigénica de la fotosíntesis aumenta el rendimiento de un importante cultivo alimentario en ensayos de campo.
Después de más de una década de trabajo para lograr este objetivo, un equipo colaborativo que involucra a científicos de la Universidad de Lancaster y dirigido por la Universidad de Illinois ha alterado transgénicamente plantas de soya para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis, lo que resulta en mayores rendimientos, de más del 20 por ciento, sin pérdida de calidad.
Resultados de esta magnitud no podrían llegar en un momento más crucial. El informe más reciente de la ONU, El estado de la seguridad alimentaria y la nutrición en el mundo 2022, encontró que en 2021 casi el 10% de la población mundial padecía hambre, una situación que ha ido empeorando constantemente en los últimos años y eclipsando todas las demás amenazas para salud mundial a escala. Según UNICEF, para 2030, se espera que más de 660 millones de personas enfrenten escasez de alimentos y desnutrición. Dos de las principales causas de esto son las cadenas de suministro de alimentos ineficientes (acceso a los alimentos) y las condiciones de crecimiento más duras para los cultivos debido al cambio climático. Mejorar el acceso a los alimentos y mejorar la sostenibilidad de los cultivos alimentarios en áreas empobrecidas son los objetivos clave de este estudio y del proyecto RIPE.
Profesor Stephen Long, vainas de soja
‘Realizando una mayor eficiencia fotosintética’, o RIPE, es un proyecto de investigación internacional que tiene como objetivo aumentar la producción mundial de alimentos mejorando la eficiencia fotosintética en cultivos alimentarios para pequeños agricultores en África subsahariana con el apoyo de la Fundación Bill & Melinda Gates, Foundation for Food & Agriculture Research, y la Oficina de Relaciones Exteriores, Commonwealth y Desarrollo del Reino Unido.
″El número de personas afectadas por la insuficiencia alimentaria continúa creciendo, y las proyecciones muestran claramente que debe haber un cambio en el nivel de suministro de alimentos para cambiar la trayectoria″, dijo Amanda De Souza, científica investigadora del proyecto RIPE y autora principal. ″Nuestra investigación muestra una forma eficaz de contribuir a la seguridad alimentaria de las personas que más lo necesitan, evitando al mismo tiempo que se pongan más tierras en producción. Mejorar la fotosíntesis es una gran oportunidad para obtener el salto necesario en el potencial de rendimiento”.
El profesor director de RIPE, Stephen Long, también es profesor distinguido en Ciencias de cultivos en la Universidad de Lancaster.
Él dijo: ″Este ha sido un camino de más de un cuarto de siglo para mí personalmente. Comenzando primero con un análisis teórico de la eficiencia teórica de la fotosíntesis del cultivo, simulación del proceso completo mediante computación de alto rendimiento, seguido de la aplicación de rutinas de optimización que indicaron varios cuellos de botella en el proceso en nuestros cultivos. El apoyo financiero durante los últimos diez años ahora nos ha permitido diseñar el alivio de algunos de estos cuellos de botella indicados y probar los productos a escala de campo. Después de años de pruebas y tribulaciones, es maravillosamente gratificante ver un resultado tan espectacular para el equipo”.
La fotosíntesis, el proceso natural que utilizan todas las plantas para convertir la luz solar en energía y rendimiento, es un proceso de más de 100 pasos sorprendentemente ineficiente que los investigadores de RIPE han estado trabajando para mejorar durante más de una década. En este trabajo único en su tipo, publicado recientemente en Science , el grupo mejoró la construcción VPZ dentro de la planta de soja para mejorar la fotosíntesis y luego realizó pruebas de campo para ver si el rendimiento mejoraría como resultado.
La construcción VPZ contiene tres genes que codifican proteínas del ciclo de la xantofila, que es un ciclo de pigmento que ayuda en la fotoprotección de las plantas. Una vez a plena luz del sol, este ciclo se activa en las hojas para protegerlas del daño, permitiendo que las hojas disipen el exceso de energía. Sin embargo, cuando las hojas están sombreadas (por otras hojas, nubes o el sol moviéndose en el cielo), esta fotoprotección debe apagarse para que las hojas puedan continuar el proceso de fotosíntesis con una reserva de luz solar. La planta tarda varios minutos en apagar el mecanismo de protección, lo que le cuesta a las plantas un tiempo valioso que podría haberse utilizado para la fotosíntesis.
La sobreexpresión de los tres genes de la construcción VPZ acelera el proceso, por lo que cada vez que una hoja pasa de la luz a la sombra, la fotoprotección se apaga más rápido. Las hojas ganan minutos adicionales de fotosíntesis que, cuando se suman a lo largo de toda la temporada de crecimiento, aumentan la tasa fotosintética total. Esta investigación ha demostrado que, a pesar de lograr un aumento de más del 20 % en el rendimiento, la calidad de la semilla no se vio afectada.
″A pesar del mayor rendimiento, el contenido de proteína de la semilla se mantuvo sin cambios. Esto sugiere que parte de la energía adicional obtenida de la fotosíntesis mejorada probablemente se desvió a las bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos de la planta “, dijo el director de RIPE, Stephen Long, presidente de Ciencias de Cultivos y Biología de Plantas de la Universidad Ikenberry Endowed en el Instituto Carl R. Woese de Illinois. de Biología Genómica.
Los investigadores primero probaron su idea en plantas de tabaco debido a la facilidad de transformar la genética del cultivo y la cantidad de semillas que se pueden producir a partir de una sola planta. Estos factores permiten a los investigadores pasar de la transformación genética a una prueba de campo en cuestión de meses. Una vez que se probó el concepto en el tabaco, pasaron a la tarea más complicada de poner la genética en un cultivo alimentario, la soja.
“Después de haber mostrado aumentos de rendimiento muy sustanciales tanto en el tabaco como en la soja, dos cultivos muy diferentes, sugiere que esto tiene una aplicabilidad universal”, dijo Long. ″Nuestro estudio muestra que la realización de mejoras en el rendimiento se ve fuertemente afectada por el medio ambiente. Es fundamental determinar la repetibilidad de este resultado en todos los entornos y mejoras adicionales para garantizar la estabilidad ambiental de la ganancia”.
Este año se están realizando pruebas de campo adicionales de estas plantas de soja transgénica, y se esperan resultados a principios de 2023.
″El principal impacto de este trabajo es abrir el camino para demostrar que podemos bioingeniería de la fotosíntesis y mejorar los rendimientos para aumentar la producción de alimentos en los principales cultivos. ”, dijo De Souza. ″Es el comienzo de la confirmación de que las ideas arraigadas en el proyecto RIPE son un medio exitoso para mejorar el rendimiento de los principales cultivos alimentarios.″
El proyecto RIPE y sus patrocinadores están comprometidos a garantizar el acceso global y hacer que las tecnologías del proyecto estén disponibles para los agricultores. quienes más los necesitan.
RIPE está dirigido por la Universidad de Illinois en asociación con la Universidad Nacional de Australia, la Academia de Ciencias de China, la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth, la Universidad de Lancaster, la Universidad Estatal de Luisiana, la Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Essex y Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Investigación Agrícola.
Fuente: Universidad de Lancaster
