Un grupo de científicos ha dado un paso importante en un proyecto a largo plazo destinado a mejorar la fotosíntesis en el arroz para aumentar los rendimientos de los cultivos y ayudar a satisfacer las necesidades alimentarias de miles de millones de personas en todo el mundo.
Los investigadores que trabajan en el “Proyecto de Arroz C4” liderado por Universidad de Oxford, mediante la introducción de un solo gen del maíz en la planta, han logrado un arroz «sobrealimentado» al nivel de cultivos más eficientes.
El arroz utiliza la ruta fotosintética C3, que en ambientes cálidos y secos es mucho menos eficiente que la vía C4 utilizada en otras plantas como el maíz y el sorgo. Si el arroz pudiera ‘cambiarse’ para usar la fotosíntesis C4, teóricamente podría aumentar la productividad en un 50%.
El nuevo estudio, publicado en la revista Current Biology, recrea el primer paso del probable proceso evolutivo de tres pasos que hizo la transición de las plantas C3 a la vía C4.
La profesora Jane Langdale, profesora de Desarrollo de Plantas en el Departamento de Ciencias Vegetales de la Universidad de Oxford, e investigadora principal de esta fase del Proyecto de Arroz C4, dijo: «Más de 3.000 millones de personas dependen del arroz para sobrevivir y, debido a los aumentos previstos de la población y una tendencia general hacia la urbanización, las tierras que proporcionaron suficiente arroz para alimentar a 27 personas en 2010 necesitarán alimentar a 43 para 2050”.
«En este contexto, los rendimientos de arroz deben aumentar sustancialmente en los próximos 35 años. Dado que los programas de mejoramiento tradicionales actualmente alcanzan alrededor de un aumento del 1% en el rendimiento por año, este no es un esfuerzo trivial».
La vía fotosintética C4, que ha evolucionado más de 60 veces de forma independiente, representa alrededor de un cuarto de la productividad primaria en el planeta a pesar de ser utilizada por solo el 3% de las especies. En la mayoría de las plantas C4, las reacciones fotosintéticas ocurren en dos tipos de células dispuestas en «coronas» alrededor de venas poco espaciadas, un arreglo denominado anatomía de Kranz. Uno de los principales desafíos del Proyecto de Arroz C4 es convertir la anatomía de la hoja de arroz en esta forma.
En este estudio, los investigadores demuestran cómo dieron el primer paso en este viaje, el paso hacia una anatomía ‘proto-Kranz’, al introducir un solo gen del maíz (conocido como GOLDEN2-LIKE) en la planta de arroz. Esto tuvo el efecto de aumentar el volumen de cloroplastos y mitocondrias funcionales en las células de la vaina que rodean las venas de las hojas, imitando los rasgos observados en las especies proto-Kanz.
El profesor Langdale dijo: «Esta investigación introduce un gen único en la planta de arroz para recrear el primer paso a lo largo del camino evolutivo de C3 a C4. Es un desarrollo realmente alentador, y el desafío ahora es construir sobre eso y encontrar los genes correctos para modificar y completar los pasos restantes en el proceso”.
«La vía C4 es una pieza de evolución extremadamente compleja y notable, y no sabemos cómo se llevaron a cabo los pasos evolutivos individuales, mientras que en términos de anatomía de la hoja parece que hubo al menos dos pasos más entre proto-Kranz y C4, tal vez estos pasos subsiguientes también puedan recapitularse con la introducción de un solo gen».
El profesor Julian Hibberd del Departamento de Ciencias Vegetales de la Universidad de Cambridge, que es miembro del consorcio del Arroz C4 pero no contribuyó a este estudio, dijo: «Si bien la ingeniería de la vía eficiente C4 en cultivos C3 permitiría un cambio radical en la productividad agrícola, la gran cantidad de cambios necesarios para convertir una hoja C3 en una que utiliza la fotosíntesis C4 se ha visto con razón como un desafío importante para su implementación. Este estudio representa un avance emocionante porque varios fenotipos clave asociados con la fotosíntesis C4 se han modificado en el arroz de forma simultánea».