Ingeniería Genética

Aumentan el crecimiento de cultivos en un 40% | University of Illinois Urbana-Champaign

Foto: Los científicos plantan a mano plántulas de tabaco para probar vías fotorrespiratorias alternativas en condiciones de campo del mundo real. Descubrieron que estos métodos abreviados sintéticos aumentan la productividad en un 40 por ciento, y ahora aplicarán este avance para aumentar el rendimiento de los cultivos alimentarios. 

Escrito por Claire Benjamin Fecha de publicación Jue, 03/01/2019 – 09:00 Fotos por L. Brian Stauffer

«Podríamos alimentar hasta 200 millones de personas adicionales con las calorías perdidas por la fotorrespiración en el medio oeste de los EE. UU. Cada año», dijo el investigador principal Donald Ort (líder de GEGC / BSD / CABBI), profesor Robert Emerson de Ciencia de las Plantas y Ciencias de la Cosecha. «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 es parte de Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un proyecto de investigación internacional que está diseñando cultivos para fotosintetizar de manera más eficiente y así aumentar de manera sostenible la productividad alimentaria mundial con el apoyo de Bill & Melinda Gates , la Foundation for Food and Agriculture Research ( FFAR) y el Department for International Development (DFID).

La fotosíntesis utiliza la enzima Rubisco, la proteína más abundante del planeta, y la energía solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcares que estimulan el crecimiento y el rendimiento de las plantas. Durante milenios, Rubisco se ha convertido en 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.

«La fotorrespiración es anti-fotosíntesis», dijo el autor principal Paul South, un biólogo de investigación molecular del Servicio de Investigación Agrícola, que trabaja en el proyecto RIPE en Illinois. «Le cuesta a la planta una energía y recursos valiosos 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 de la planta. 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 proeza de ingeniería que incrementó la eficiencia del comercio, estos accesos directos fotorrespiratorios son una proeza de ingeniería de planta que demuestra ser un medio único para aumentar considerablemente la eficiencia de la fotosíntesis», dijo el Director de RIPE, Stephen Long (BSD / CABBI / GEGC), la Cátedra de Ciencias de Cultivos y Biología de Plantas de Ikenberry en Illinois.

El equipo diseñó tres rutas alternativas para reemplazar la vía nativa tortuosa. Para optimizar las nuevas rutas, diseñaron construcciones genéticas utilizando diferentes conjuntos de promotores y genes, esencialmente creando un conjunto de mapas de ruta únicos. Hicieron pruebas de estrés en estas hojas de ruta en 1,700 plantas para evaluar a los mejores.

Durante dos años de estudios de campo replicados, encontraron que estas plantas modificadas por ingeniería genética se desarrollaron más rápido, crecieron y produjeron aproximadamente un 40 por ciento más de biomasa, la mayoría de las cuales se encontraron en tallos de un 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 foliar y puede probarse en el campo. Ahora, el equipo está traduciendo estos hallazgos para aumentar el rendimiento de la soja, el frijol, el arroz, la papa, el tomate y la berenjena.

«Rubisco tiene aún más problemas para seleccionar el dióxido de carbono del oxígeno a medida que se calienta, causando más fotorrespiración», dijo la coautora Amanda Cavanagh, una 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 se tarde más de una década para que esta tecnología se traduzca en cultivos alimentarios y logre la aprobación regulatoria, RIPE y sus patrocinadores se comprometen a garantizar que los pequeños agricultores, en particular en el África subsahariana y el sudeste asiático, tengan libre de regalías Acceso a todos los avances del proyecto.

La realización de un aumento de la eficiencia fotosintética (RIPE) consiste en la ingeniería de los cultivos de alimentos básicos para que la energía solar se convierta en un rendimiento más eficiente y aumente la productividad mundial de los alimentos, con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación para la Investigación sobre la Alimentación y la Agricultura (FFAR), y Departamento de Desarrollo Internacional del Gobierno del Reino Unido (DFID).

RIPE está dirigido por la Universidad de Illinois en colaboración con la Universidad Nacional de Australia; Academia china de ciencias; Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth; Universidad de Lancaster; Universidad Estatal de Louisiana; Universidad de California, Berkeley; Universidad de Essex; y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Investigación Agrícola.

https://www.igb.illinois.edu/

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