Un nuevo enfoque con ingeniería genética para impulsar la fotosíntesis en las plantas de arroz podría aumentar el rendimiento de grano hasta en un 27%, según un estudio publicado hoy en la revista Molecular Plant.
El enfoque, llamado «bypass de GOC», enriquece las células vegetales con el CO2 que normalmente se pierde a través de un proceso metabólico llamado fotorrespiración. Las plantas modificadas genéticamente crecieron más verdes y grandes y mostraron una mayor eficiencia fotosintética y productividad en condiciones de campo, con ventajas particulares en luz brillante.
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«La escasez de alimentos relacionada con el crecimiento de la población mundial será un grave problema que nuestro planeta deberá enfrentar», dice el autor principal del estudio, Xin-Xiang Peng, de la Universidad Agrícola del Sur de China en Guangzhou, China. «Nuestro estudio podría tener un gran impacto en este problema al aumentar significativamente el rendimiento del arroz, especialmente en áreas con luz brillante».
La mejora biotecnológica del arroz, un cultivo alimentario básico en todo el mundo, tiene una gran importancia práctica, especialmente en vista de la necesidad de una mayor productividad debido al crecimiento de la población mundial y la reducción de los suelos cultivables. Pero los aumentos en el rendimiento del arroz y otros cultivos importantes han sido escasos en los últimos años, y el rendimiento de los cultivos parece estar alcanzando un límite de potencial máximo.
El enfoque genético principal para aumentar el potencial de rendimiento de los cultivos principales se centra en la fotosíntesis, el proceso bioquímico en el que el dióxido de carbono (CO2) y el agua se convierten en oxígeno (O2) y compuestos de azúcar ricos en energía que estimulan el crecimiento de las plantas. Una forma de aumentar la fotosíntesis es evitar la fotorrespiración, un proceso dependiente de la luz en el que se absorbe O2 y se libera CO2. El costo de la fotorrespiración es masivo. La eliminación de la fotorrespiración podría resultar en un aumento de hasta un 55% en la fotosíntesis, colocando la fotorrespiración en el centro de un intento por mejorar la eficiencia y el rendimiento fotosintético.
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En los últimos años, se han introducido tres «bypasses» fotorrespiratorios en las plantas, y dos de ellos llevaron a aumentos observables en la fotosíntesis y el rendimiento de la biomasa. Pero la mayoría de los experimentos se llevaron a cabo utilizando el organismo modelo Arabidopsis, y los aumentos generalmente se han observado en condiciones de clima controlado, con poca luz y días cortos. «Por lo que sabemos, nuestro estudio es el primero que probó el bypass de fotorrespiración en el arroz», dice el coautor Zheng-Hui He, de la Universidad Estatal de San Francisco.
En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron una estrategia para desviar esencialmente el CO2 de la fotorrespiración hacia la fotosíntesis. Convirtieron una molécula llamada glicolato (que se produce a través de la fotorrespiración) en CO2 utilizando tres enzimas de arroz: glicolato oxidasa, oxalato oxidasa y catalasa. Para implementar el bypass de GOC (que recibió su nombre por las tres enzimas) los investigadores introdujeron genes que codifican las enzimas en los cloroplastos de arroz, orgánulos donde se produce la fotosíntesis en las células vegetales.
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Como resultado, la tasa de fotorrespiración se suprimió en un 18% -31% en comparación con la normal, y la tasa fotosintética neta aumentó en un 15% -22%, principalmente debido a las mayores concentraciones de CO2 celular utilizado para la fotosíntesis. En comparación con las plantas que no fueron diseñadas genéticamente, las plantas GOC fueron consistentemente más verdes y más grandes, con un peso seco sobre el suelo que fue 14% -35% más alto. Además, los granos de almidón crecieron en tamaño en un 100% y aumentaron en número por celda en un 37%. En la temporada de siembra de primavera, el rendimiento del grano mejoró entre un 7% y un 27%.
En el futuro, los investigadores planean optimizar el rendimiento de las plantas mejoradas en el campo colocando el mismo bypass metabólico en otras variedades de arroz. También les gustaría aplicar el mismo enfoque a otras plantas como las papas.
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«Nuestras plantas modificadas podrían desplegarse en campos a una escala mayor después de evaluaciones adicionales realizadas por investigadores independientes y agencias gubernamentales», dice Peng. «Aunque no esperamos que este enfoque afecte el sabor de estas plantas, tanto la calidad nutricional como el sabor aún deben ser evaluados exhaustivamente por laboratorios independientes y agencias gubernamentales».