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Bioenergía

El proyecto de una superplanta

Expertos discuten los métodos para el mejoramiento de la caña de azúcar

Cana-de-aÁ˙carMIGUEL BOYAYANLa caña de azúcar del futuro rendirá el doble, almacenará una mayor cantidad de azúcar en una estructura más fácilmente degradable, resistirá a enfermedades y herbicidas y requerirá una menor cantidad de agua para crecer y adaptarse a un clima más cálido y a una atmósfera con mayor proporción de gas carbónico (CO2). Posiblemente también funcione como una fábrica de sustancias que no produce normalmente. Por lo menos en lo que depende de los investigadores que se reunieron en marzo en la sede de la FAPESP, en São Paulo, durante el workshop Bioen on Sugarcane Improvement (presentaciones disponibles en www.fapesp.br/bioen). “El futuro parece interesante y las perspectivas brillantes”, expresa con optimismo el estadounidense Paul Moore, radicado desde hace 42 años en Hawai y uno de los íconos de la ciencia de la caña de azúcar. La realidad, sin embargo, indica que existe un largo camino por recorrer antes de lograr la caña de azúcar ideal.

Los pronósticos de ese científico del Centro de Investigación Agrícola de Hawai, en caso de concretarse, tendrán importantes consecuencias. Según los expertos, una caña más eficiente representa una importante contribución para la lucha contra el calentamiento global, el desmonte y la polución atmosférica. También podrá hacer frente a la crisis energética causada por las limitaciones al uso de los derivados del petróleo y por el aumento de la población del planeta.

Moore comenta que actualmente varios factores limitan la productividad de la caña de azúcar: las características del suelo, las enfermedades, los insectos y el clima. Si todas las condiciones fueran perfectas, lo que establecería un límite para la productividad de la planta sería su propia fisiología: la caña solamente logra almacenar alrededor del 6% de la energía solar que incide sobre ella. Igualmente, la productividad en condiciones experimentales no pasa de la mitad de ese potencial teórico, lo cual indica que sería posible aumentar la capacidad de producción mejorando las condiciones de cultivo. Para ello, lo ideal es ir más allá: pensar simultáneamente en los parámetros ambientales y en los límites intrínsecos de la planta, entender cómo ella funciona desde sus genes hasta las relaciones con el ambiente externo y, quien sabe, aumentar incluso la productividad máxima. Una tarea gigantesca, pero él dice ser optimista a la par con los avances científicos de las últimas décadas. “Cuando comencé mi carrera en Hawai, hace 42 años, nada se conocía sobre los genes de la caña. No se sabía siquiera cómo estudiar un genoma tan complejo. Avanzamos mucho desde entonces”, afirmó.

Rossane Casu, de la Organización Australiana de Investigación Científica e Industrial (Csiro), y Derek Watt, del Instituto de Investigación para el Azúcar de Sudáfrica (Sasri), concuerdan. Ellos participaron de algunos de los primeros esfuerzos para decodificar el ADN de la caña, cuyos resultados fueron incluidos en un banco internacional de datos genéticos (GenBank) entre 1996 y 1998 por Sudáfrica, Australia y Brasil (con el proyecto Sucest, financiado por la FAPESP) en 2003.

Pasados algunos años de los proyectos de secuenciamiento de los genes expresados de la caña de azúcar, aún se está lejos de poder decir que se conoce la genética de esa planta. “Todavía estamos descubriendo genes e intentando descubrir la función de cada uno de ellos”, cuenta Rosanne. Los investigadores utilizan genomas más conocidos de plantas emparentadas, tales como el del arroz y el del sorgo, como base. Pero la caña posee un genoma más complicado, con alrededor de diez copias de cada gen en lugar de las dos habituales en la mayor parte de los organismos multicelulares. “Y algunos genes de la caña no tienen homónimos en otras plantas”, completa.

Describir el genoma no es un objetivo en sí mismo. La investigadora australiana utiliza esa información para comprender por qué la planta joven de caña almacena poco azúcar. Rosanne descubrió que los genes relacionados con el transporte del azúcar hacia dentro de las células son más activos en las partes maduras del tallo que en la parte joven, lo cual explica el mayor tenor de azúcar en la base de la planta. Entender en detalle ese aspecto del metabolismo puede permitir algún día manipular esos genes para inducir a la planta a almacenar azúcar en una porción más amplia del tallo.

Pero almacenar más azúcar en toda la planta puede resultar inviable. Derek Watt intenta descubrir la relación entre la fotosíntesis, con la que las hojas transforman la energía solar en biomasa vegetal, y la acumulación de azúcar: ¿por qué la caña almacena menos en las partes jóvenes de la planta? Durante un experimento, su grupo impidió que el azúcar producido en las hojas fuese transportado hacia otras regiones de la planta creando allí una concentración artificial de azúcar. El resultado fue una inhibición de los genes encargados de la fotosíntesis -de los que Watt, en colaboración con varios colegas, busca ahora componer un mapa detallado. Por ahora, el genetista sudafricano no piensa en cómo aplicar ese conocimiento: para él, se trata de investigación básica de alto nivel y es interesante por sí misma.

Comprender ese equilibrio fisiológico entre azúcar y fotosíntesis es imprescindible antes de poder pensar en manipulaciones. Dada la complejidad genética, bioquímica y fisiológica de la mayor parte de las características de la planta, Rosanne y Watt concuerdan en que el primer avance en la mejora de la caña de azúcar será en lo que hace a su resistencia -a enfermedades, apuesta ella, o a herbicidas, de acuerdo con él. Una dificultad para desarrollar nuevas variedades reside  en el tiempo que tarde ese proceso. Según Glaucia Souza, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP) y coordinadora del Programa Bioen de la FAPESP, las herramientas genéticas pueden reducir el plazo de selección de las nuevas características en las plantas, que actualmente demora alrededor de 12 años.

Igualmente, no resultará tan sencillo. Los programas de mejoría insertan alteraciones genéticas en plantas de caña, pero no existe manera de conducir esas alteraciones para genes específicos. Se necesita cultivar las plantas rápidamente, esperar que se desarrollen y que las características se tornen visibles. El conocimiento de los genes responsables de las transformaciones deseadas en la caña -tales como la resistencia a las enfermedades o a la sequía- puede permitir la selección de plantas aún antes de que crezcan. Glaucia se halla precisamente describiendo las diferencias en la actividad genética -el denominado transcriptoma, mapa de los genes activos- entre plantas que crecen en cañaverales irrigados y otras sometidas a la falta de agua, o estrés hídrico. Según ella, producir plantas resistentes a la sequía resulta esencial en Brasil, dónde el 65% de las tierras disponibles para plantar caña son pasturas que cuentan con una estación seca prolongada. Cuando la intención es producir energía, no basta limitarse a la comprensión de la reacción de la planta a la falta de agua. Glaucia pretende integrar la red de genes relacionados con la utilización del agua y la acumulación de azúcar, un estudio de grandes pretensiones, que demandará mucho tiempo (y dinero) hasta producir resultados. Contará con la ayuda del Consorcio Internacional para el Secuenciado del Genoma de la Caña, del que son partícipes Brasil, Australia, Estados Unidos, Sudáfrica y Francia.

Bioen2MIGUEL BOYAYANTransgénica
Una buena parte de la manipulación genética del Programa Bioen se desarrolla en el laboratorio de la ingeniera agrónoma Helaine Carrer, de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) de la USP. Para obtener caña transgénica, su equipo bombardea las células de la caña de azúcar con minúsculas esferas de oro revestidas con fragmentos de ADN o las infecta con bacterias capaces de insertar los genes que interesan en la caña. Una de las alteraciones en las que se está trabajando es insertar un gen que interfiere en la muerte celular programada, la apoptosis, en situación de estrés. Ya se ha conseguido producir plantas con raíces fuertes y más tolerantes a condiciones de estrés; ahora se está analizando si las plantas mantienen su vigor cuando escasea el agua. Hace falta desarrollar el proceso para hacerlo más eficiente y comprobar si funciona en los cañaverales. Helaine va más allá en sus planes de controlar los genes de la caña. La planta crece rápidamente, siendo eficiente en la fijación del carbono atmosférico, produce grandes cantidades de biomasa y cuenta con un sistema desarrollado para almacenar sustancias. Todo eso la convierte en una promisoria biofábrica, que puede producir plásticos biodegradables u otras sustancias. “Pero todavía no hemos logrado que produzca una cantidad satisfactoria de esos compuestos”, cuenta.

Aunque los investigadores dominen las técnicas para alterar el material genético, hasta ahora la caña los ha vencido en esa batalla: de alguna manera, en el campo la planta logra inhibir la actividad de los genes insertos. Los genes pueden estar insertos en el genoma de la caña, pero es como si estuviesen atados y amordazados. Por eso el ingeniero agrónomo João Carlos Bespalhok, de la Universidad Federal de Paraná, considera que en menos de cinco años no se logrará una caña transgénica comercial. Bespalhok forma parte de la Red Interuniversitaria para el Desarrollo Sucroalcoholero, la Ridesa, que agrupa 11 universidades federales en todo Brasil y cuenta con la mitad del área de cultivo de cañaverales brasileños a su disposición para estudios.

“Ya se han producido miles de linajes transgénicos, pero ninguno comercialmente”, comentó el australiano Robert Birch, de la Universidad de Queensland. Él ha estudiado los mecanismos de la caña para neutralizar los genes extraños, y dice haber descubierto reglas para el diseño de los genes que superan esa dificultad. Pero, por cuestiones de patentes, no reveló cuáles son esas reglas. “No considero que sea el único que ha obtenido esa clase de éxito; probablemente otros investigadores también lo hayan conseguido pero no lo pueden revelar”, expresa. De cualquier manera, espera publicar su método pronto, que podrá utilizarse en cualquier laboratorio de biotecnología. Las técnicas de Birch, un eminencia mundial en lo que respecta a la ingeniería genética en caña de azúcar, le permiten actualmente sugerir una interesante manera para aumentar la cantidad de azúcar almacenado por la planta: introducir un gen que transforma la sacarosa, el azúcar natural de la caña, en un tipo de azúcar que la planta no reconoce -y así continúa produciendo y almacenando más allá del límite normal.

Adaptada
No es sólo cuestión de inventar una caña de azúcar diferente de la natural. El canadiense Rowan Sage, de la Universidad de Toronto, demostró que es preciso comprender los procesos bioquímicos que limitan la fotosíntesis en el ambiente de interés. En cada lugar la planta se comporta de una manera diferente, y aparte de eso el clima se está alterando demasiado deprisa como para que la selección natural pueda actuar. Él descubrió que la enzima rubisco, esencial en el proceso de fotosíntesis, es producida en exceso cuando las temperaturas son más altas y las concentraciones de gas carbónico mayores -condiciones éstas que se están tornando muy comunes en diferentes partes del planeta como consecuencia de los cambios climáticos globales. Por ello, bajo esas condiciones, sugiere utilizar ingeniería genética para limitar la producción de rubisco, economizando nitrógeno que podría utilizarse para otras funciones de la planta, tal como aumentar la producción de biomasa. “Y aumentar la producción de caña sin alterar el área plantada constituye un gran servicio para la preservación del ambiente”, completa Sage.

El aumento de la fotosíntesis como consecuencia de los crecientes tenores de gas carbónico en la atmósfera es uno de los temas favoritos del biólogo Marcos Buckeridge, docente de la USP y uno de los coordinadores del Bioen, quien verificó que la fotosíntesis de la caña resulta más eficiente en un medio con altas concentraciones de CO2 (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 157). Ahora él habló sobre otro aspecto de la fisiología de la caña: los efectos de la hormona giberelina en las células de la planta. Buckeridge mostró que la giberelina estimula la multiplicación y luego el estiramiento de las células de la caña, que logran así más espacio para almacenar sacarosa.

El británico Graham Bonnet, de la Csiro, muestra que de acuerdo con las condiciones ambientales, la planta adopta diferentes estrategias en la distribución del carbono que absorbe. Al limitar la irrigación de las plantas en un invernadero, él creó una caña un 41% menor, pero que logra mantener buena parte de la fotosíntesis (el 81%). En esas plantas, él observó que el follaje era un 37% menor y la sacarosa almacenada un 27% mayor que en las plantas de tamaño normal. Descubrió también que la caña puede poseer el potencial genético para almacenar mayor cantidad de sacarosa, y eso puede detectarse en las hojas aún cuando la planta sea pequeña.

Los dos días de presentaciones científicas finalizaron con las exposiciones del australiano Robert Henry, de la Southern Cross University, y Augusto Garcia, de la Esalq. El primero reveló cómo obtener un inmenso volumen de datos genéticos y el segundo presentó un software que desarrolló para producir mapas genéticos. Quedó en evidencia la magnitud del emprendimiento que el grupo se propone al explorar la genética y la fisiología de la caña de azúcar, aparte de las relaciones entre la planta y el ambiente. Paul Moore igualmente se mostró optimista: “Hay muchos jóvenes brillantes que lograrán producir un diálogo entre genetistas y fisiólogos para conseguir que ese campo de investigación avance deprisa”.

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