Estudios recientes han promovido modificaciones en los circuitos genéticos asociados al proceso más esencial de la vida de las plantas: la fotosíntesis. Y han obtenido importantes incrementos de productividad en experimentos con dos de los cultivos agrícolas más extendidos: la soja y el arroz. La fotosíntesis transforma la energía solar en energía química, indispensable para el desarrollo de los vegetales. La luz que estos captan la utilizan para transformar el agua, dióxido de carbono (CO2) y minerales en oxígeno y compuestos orgánicos (hidratos de carbono y grasas). Estas reservas energéticas constituyen el combustible que mantiene y hace crecer a las plantas.
En un estudio que llevaron a cabo investigadores de la Universidad de Illinois (EE. UU.), entre ellos la botánica brasileña Amanda Pereira De Souza, la soja mostró un rendimiento en el campo un 33 % superior al estándar. En el caso del arroz, el aumento de la productividad llegó a ser de un 40 %, según un artículo científico elaborado por un equipo de la Academia China de Ciencias Agrícolas (Caas). Ambos estudios salieron publicados en la revista Science, el de la soja en agosto de este año y el del arroz el mes anterior, en julio.
Los dos equipos de investigadores trabajaron en forma independiente, sin ninguna relación entre sí, y produjeron variedades genéticamente modificadas de soja y arroz. Para ello utilizaron un abordaje similar: insertaron copias adicionales de genes que ya formaban parte del genoma de las plantas (en Illinois fueron tres los genes clonados y en China tan solo uno). Pero se centraron en puntos diferentes de la maquinaria biológica de los cultivos. “El enfoque del grupo de Illinois fue más específico y puntual, aparentemente incidiendo solamente en la tasa de fotosíntesis”, comenta el botánico Marcos Buckeridge, del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP), quien no fue parte del equipo de ninguno de los estudios. “El de los chinos tiene implicaciones en otros procesos más de la planta, como la fijación del nitrógeno y la floración, además de la fotosíntesis”.
Universidad de Illinois Plántulas de tabaco genéticamente modificadas que realizan más fotosíntesis (en verde) que las variedades convencionales de la planta (en azul)Universidad de Illinois
Pereira De Souza y sus colegas de Illinois introdujeron en la soja un grupo de tres genes de Arabidopsis thaliana, una planta de la familia a la cual también pertenece la mostaza y que se utiliza como modelo biológico. Estos genes ya existen en la soja normal. El objetivo de la operación es reforzar el genoma del cultivo con una copia extra de esta tríada de secuencias para elevar la producción de las proteínas asociadas a los genes. Estas proteínas regulan el ciclo de las xantofilas, pigmentos amarillos con influencia directa sobre un mecanismo de protección de las hojas de la soja (y de muchas otras plantas) cuando son expuestas a un exceso de luz denominado extinción o apagado no fotoquímico.
En condiciones de alta luminosidad, las plantas realizan el máximo de fotosíntesis. Para evitar daños, las hojas que reciben demasiada luz disipan el exceso de energía solar absorbida activando el apagado no fotoquímico. Cuando estas mismas hojas entran en una zona de sombra debido al paso de una nube o por haber quedado cubiertas por alguna parte de la planta, no desconectan inmediatamente este sistema de defensa contra el exceso de sol. Mantienen este mecanismo innecesariamente conectado durante un tiempo y tardan algunos minutos en dirigir la energía recibida hacia la fotosíntesis, un retraso que disminuye la eficiencia del proceso. La protección que otorga el apagado no fotoquímico se conecta y desconecta varias veces al día en función de las condiciones lumínicas.
“Con la modificación genética, aceleramos el proceso de desconexión de un mecanismo de protección contra el exceso de luz que reduce la fotosíntesis cuando la planta pasa por la transición de la exposición a la luz a la sombra”, explica Pereira De Souza, autora principal del estudio, que ganó la portada de la revista Science la semana en que fue publicado. “De esta forma, cada vez que se produce una variación de luz sobre las hojas, un hecho habitual en el campo, hay una ganancia de carbono para la planta debido a la mayor eficiencia de la fotosíntesis”. Entre 2005 y 2015, la botánica fue becaria de la FAPESP, primero en su maestría, realizada en el Instituto de Biología de la Universidad de Campinas (IB-Unicamp), y luego en su doctorado y su posdoctorado, ambos en el IB-USP.
La introducción de las dos copias extras de los tres genes hizo que las hojas de la soja inicien la fotosíntesis en menos tiempo que el normal cuando pasan de un ambiente con exceso de luz a uno de sombra. “Esta manipulación genética funcionó tanto en el tabaco como en la soja, que son cultivos muy distintos”, dijo el botánico Stephen Long, de la Universidad de Illinois, jefe del grupo que realiza los estudios, en una entrevista concedida vía correo electrónico a Pesquisa FAPESP. En 2016, el equipo de Illinois ya había probado esa misma modificación en un trabajo publicado en la revista Science. En su momento, la introducción de la copia extra del trío de genes elevó la productividad del tabaco hasta un 20 %.
Long es optimista en cuanto al empleo de esta técnica, que ha sido patentada por la universidad estadounidense, en otras especies vegetales, particularmente en aquellas que representan una fuente importante de alimento para la humanidad. “Creemos que tendría que funcionar en cultivos cuyos ancestros se originaron en hábitats abiertos, en los que las zonas de sombra eran escasas”, dice el botánico de Illinois. La soja, el cuarto cultivo agrícola entre los más extendido en el mundo, es el primero a gran escala en que se ha probado la modificación genética propuesta por el equipo de Long. La ganancia de un 33 % en el rendimiento del cultivo de la nueva variedad de soja transgénica no ha alterado sus características nutritivas. Las cantidades de proteína y de aceite almacenados en los granos del cultivo modificado se mantuvieron en los parámetros normales en la planta común. Ahora Pereira De Souza está llevando a cabo experimentos similares con la yuca.
Aún está pendiente la realización de estudios a largo plazo para confirmar el aumento de la productividad y la seguridad de los cultivos
La modificación impulsada por el grupo de Caas puede parecer de menor monta, porque introduce una copia extra de tan solo un gen, pero esta percepción es engañosa. El único gen implicado en la alteración, llamado OsDREB1C, produce una proteína de un tipo que los biólogos moleculares denominan factor de transcripción. Esta proteína regula la activación de otros genes, presentes en diversos procesos.
En el estudio de julio de este año, los chinos informaron que seleccionaron el OsDREB1C tras haber analizado un conjunto de 118 genes de regulación presentes en el arroz y en el maíz. Se consideró que era el gen ideal para sobreactivar en el arroz mediante la inserción de una copia extra, porque su factor de transcripción influye simultáneamente en la fotosíntesis y en la fijación del nitrógeno presente en el suelo e incluso abrevia el tiempo necesario para que la planta florezca. El control de estos procesos podría tener amplias repercusiones en la productividad de un vegetal.
Con la copia extra del gen, la variedad de arroz conocida como nipponbare produjo un 40 % más en las pruebas realizadas en el campo en tres lugares distintos de China, cuyo clima variaba entre templado y tropical. La floración se produjo 19 días antes de lo habitual y las raíces fueron más profundas, debido probablemente a la mayor fijación de nitrógeno. Las hojas presentaron un tercio más de cloroplastos, los orgánulos que realizan la fotosíntesis en el interior de las células, y la concentración de la enzima llamada rubisco, clave para que ocurra el proceso de conversión de la luz solar en energía química, fue un 38 % mayor.
Visual China Group / Getty ImagesUn cultivo de arroz en China, la base de la alimentación localVisual China Group / Getty Images
Para demostrar que el aumento del rendimiento realmente estaba dado por la dosis de refuerzo del gen OsDREB1C, los científicos produjeron una variante del arroz en la que ninguna copia de este gen era funcional. El resultado fue que ese lote modificado rindió menos en campo que la planta tradicional, sin ninguna alteración genética. “Este estudio no brinda esperanzas de poder obtener mayor productividad en el cultivo del arroz aplicando menos cantidad de fertilizantes nitrogenados y un menor período de crecimiento de la planta”, declaró Wan Jianmin, de la Academia China de Ingeniería y ex vicepresidente de Caas, quien no participó en el estudio, al periódico China Daily.
La introducción de cultivos transgénicos, tales como la soja de Illinois y el arroz chino, siempre requieren un cuidado extra y estudios sobre los posibles impactos no deseados en el medio ambiente o sobre la salud. También se hace necesario constatar si el incremento de la productividad informado en los experimentos se mantiene, a largo plazo. “Creo que este debe ser el paso siguiente de esas investigaciones”, comenta el agrónomo Edvaldo Aparecido Amaral da Silva, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Botucatu, quien dirige un proyecto financiado por la FAPESP que estudia la calidad de las semillas de soja bajo estrés debido a las altas temperaturas y la sequía. “Es necesario evaluar el cultivo y su productividad en otros ambientes para poder comparar su rendimiento y comprobar si no existe nada que haga inviable el empleo de esta tecnología genética. Pero el estudio del grupo de Illinois es relevante e innovador”.
Además de generar mayor cantidad de alimentos, las plantas modificadas genéticamente tal vez puedan transformarse en aliadas en la lucha contra la acumulación de gases de efecto invernadero, en especial el CO2, que ellas captan durante la fotosíntesis. “Las alteraciones genéticas que mejoren este proceso podrían ser útiles no solo para aumentar la productividad agrícola, sino también para estimular a las plantas a extraer más carbono de la atmósfera y mitigar el cambio climático”, comenta Buckeridge, del IB-USP, en cuyo grupo de investigación Pereira De Souza desarrolló los trabajos antes de irse a Estados Unidos.
Los modelos matemáticos desarrollados por el grupo de Illinois indican que la soja transgénica producida allí podría absorber alrededor de un 10 % más de carbono de la atmósfera gracias a la optimización de la fotosíntesis. Con mayor cantidad de carbono a disposición, la planta genera biomasa adicional, e incluso más aceite y proteínas que pueden destinarse al consumo humano y de otros animales. Sin embargo, los investigadores aún no han llevado a cabo experimentos de campo tendientes a dimensionar si esa captura extra de carbono de la atmósfera realmente ocurre en el cultivo.
Artículos científicos
DE SOUZA, A. P. et al. Soybean photosynthesis and crop yield are improved by accelerating recovery from photoprotection. Science. v. 377, n. 6608. 18 ago. 2022.
WEI, S. et al. A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice. Science. v. 377, n. 6604. 22 jul. 2022.
