Científicos de la Academia de Ciencias de China han desarrollado plantas de Arabidopsis, tabaco y arroz genéticamente modificado con un gen que les permite reparar mejor un daño celular causado en el proceso de fotosíntesis en ambientes de altas temperaturas. Además, la productividad de Arabidopsis aumentó un 80%, la de tabaco casi en un 50%, y la de arroz en un 20% en el campo.
Science / 21 de abril, 2020.- A medida que las plantas convierten la luz solar en azúcar, sus células juegan con fuego. La fotosíntesis genera subproductos químicos que pueden dañar la maquinaria de conversión de luz en sí misma, y cuanto más caluroso sea el clima, más probable es que el proceso se descontrole a medida que algunas reacciones químicas se aceleran y otras disminuyen. Ahora, un equipo de genetistas ha diseñado plantas para que puedan reparar mejor el daño por calor, un avance que podría ayudar a preservar los rendimientos de los cultivos a medida que el calentamiento global hace que las olas de calor sean más comunes. Y, como sorpresa, el cambio hizo que las plantas fueran más productivas a temperaturas normales.
«Esta es una noticia emocionante», dice Maria Ermakova de la Universidad Nacional de Australia, que trabaja para mejorar la fotosíntesis. La modificación genética funcionó no solo en dos tipos de plantas modelo, sino en un cultivo básico, el arroz, lo que sugiere que cualquier planta de cultivo podría ser ayudada. El trabajo resistió la sabiduría convencional entre los científicos de la fotosíntesis, y algunos biólogos de plantas se preguntan exactamente cómo el gen agregado produce estos beneficios. Aún así, Peter Nixon, bioquímico de plantas en el Imperial College de Londres, predice que el estudio «atraerá considerable atención».
Cuando las plantas se exponen a la luz, un complejo de proteínas llamado fotosistema II (PSII) energiza electrones que luego ayudan a alimentar la fotosíntesis. Pero el calor o la luz intensa pueden provocar daños en una subunidad clave, conocida como D1, deteniendo el trabajo de PSII hasta que la planta produzca e inserte una nueva en el complejo. Las plantas que producen D1 adicional deberían ayudar a acelerar esas reparaciones. Los cloroplastos, los orgánulos que albergan la fotosíntesis, tienen su propio ADN, incluido un gen para D1, y la mayoría de los biólogos asumieron que la proteína tenía que fabricarse allí. Pero el genoma del cloroplasto es mucho más difícil de modificar que los genes en el núcleo de una célula vegetal.
Un equipo dirigido por el biólogo molecular de plantas Fang-Qing Guo, de la Academia de Ciencias de China, apostó a que el D1 producido por un gen nuclear podría funcionar igual de bien, y se haría de manera más eficiente, ya que su síntesis en el citoplasma en lugar del cloroplasto estaría protegida de los subproductos corrosivos de las reacciones fotosintéticas. Guo y sus colegas probaron la idea en Arabidopsis thaliana, la hierba de mostaza que es una planta modelo de laboratorio muy común. Tomaron el gen del cloroplasto para D1, lo acoplaron a un tramo de ADN que se activa durante el estrés por calor y lo trasladaron al núcleo.
El equipo descubrió que las plántulas de Arabidopsis modificadas podrían sobrevivir al calor extremo en el laboratorio (8,5 horas a 41 ° C) que mataron a la mayoría de las plantas del grupo control. El mismo gen de Arabidopsis también protegió el tabaco y el arroz. En las tres especies, la fotosíntesis y el crecimiento disminuyeron menos que en las plantas de control sobrevivientes. Y en 2017, cuando Shanghai superó los 36 °C durante 18 días, el arroz transgénico plantado en parcelas de prueba arrojó entre un 8% y un 10% más de grano que las plantas de control, informó el equipo esta semana en Nature Plants.
El shock fue lo que sucedió a temperaturas normales. Las plantas modificadas de las tres especies tuvieron más fotosíntesis (en el tabaco, la tasa aumentó en un 48%) y crecieron más que las plantas control. En el campo, el arroz transgénico produjo hasta un 20% más de grano. «Realmente nos sorprendió», dice Guo. «Sentí que hemos capturado un gran pez».
El investigador veterano de fotosíntesis Donald Ort, de la Universidad de Illinois, dice que el grupo presenta evidencia creíble de los beneficios de la planta, pero aún no está convencido de que el D1 producido por genes nucleares podría haber reparado la PSII en el cloroplasto. “Cualquier cosa que sea potencialmente importante se encontrará con cierto escepticismo. Hay muchos experimentos que hacer para descubrir por qué esto funciona”, dice.
Guo planea más pruebas del mecanismo. Pero también tiene un objetivo práctico: un mayor rendimiento del arroz. El aumento de la productividad que su equipo vio en Arabidopsis modificada fue la mayor de las tres especies (80% más de biomasa que los controles) tal vez porque los investigadores simplemente movieron el gen D1 de Arabidopsis. Guo cree que el rendimiento del arroz también podría aumentar si pudiera modificarse con su propio gen cloroplasto en lugar de uno de mostaza, lo que aumentaría aún más estos resultados ya calientes.