Después de varios años de experimentación, los científicos han modificado al berro (Arabidopsis thaliana), para comportarse como una planta suculenta, mejorando la eficiencia del uso del agua, la tolerancia a la salinidad y reduciendo los efectos de la sequía. El método de modificación de suculencia de tejidos ideado para esta pequeña planta también se puede aplicar en cultivos alimentarios y bioenergéticos.
Universidad de Nevada, Reno / 29 de junio, 2020.- «El tejido que almacena agua es una de las adaptaciones más exitosas en las plantas que les permite sobrevivir largos períodos de sequía. Este rasgo anatómico será más importante a medida que aumenten las temperaturas globales, aumentando la magnitud y la duración de los eventos de sequía durante el siglo XXI», dijo John Cushman, profesor de bioquímica y biología molecular en la Universidad de Nevada en Reno, y coautor de un nuevo artículo científico sobre la suculencia del tejido vegetal publicado en Plant Journal.
El trabajo se combinará con otro de los proyectos de Cushman: diseñar otra característica conocida como metabolismo del ácido crasuláceo (CAM), un modo de fotosíntesis de conservación del agua que se puede aplicar a las plantas para mejorar la eficiencia del uso del agua.
[Recomendado: Científicos españoles analizan mecanismos para desarrollar plantas más resistentes a la sequía]«Las dos adaptaciones funcionan de la mano», dijo Cushman, de la Facultad de Agricultura, Biotecnología y Recursos Naturales de la Universidad. «Nuestro objetivo general es diseñar CAM, pero para hacer esto de manera eficiente necesitábamos diseñar una anatomía de la hoja que tuviera células más grandes para almacenar el ácido málico que se acumula en la planta por la noche. Una ventaja adicional fue que estas células más grandes también sirvieron para almacenan agua para superar la sequía y diluir la sal y otros iones absorbidos por la planta, haciéndolas más tolerantes a la sal«.
Cuando una planta absorbe dióxido de carbono, lo atraviesa por los poros de la hoja, llamados estomas. Abren sus estomas para que el dióxido de carbono ingrese, y luego se fija en azúcares y todos los demás compuestos que sostienen la mayor parte de la vida en la tierra. Pero, cuando se abren los estomas, no solo entra dióxido de carbono, sino que también sale vapor de agua, y debido a que las plantas transpiran para enfriarse, pierden enormes cantidades de agua».
El equipo de científicos de Cushman desarrollo A. thaliana genéticamente modificada con un mayor tamaño celular, lo que resultó en plantas más grandes con un mayor grosor de la hoja, más capacidad de almacenamiento de agua, menos poros estomáticos, y menos abiertos para limitar la pérdida de agua de la hoja debido a la sobreexpresión de un gen, conocido como VvCEB1 por los científicos. El gen está involucrado en la fase de expansión celular del desarrollo de las bayas en las uvas para vino.
[Recomendado: Nueva forma de desarrollar cultivos resistentes a la sequía de manera rápida y económica]La suculencia tisular resultante tiene dos propósitos.
«Las células más grandes tienen vacuolas más grandes para almacenar el malato en la noche, que sirve como fuente de carbono para la liberación y refijación de dióxido de carbono, por lo que se llama acción de la enzima Rubisco, durante el día detrás de los poros estomáticos cerrados, lo que limita la fotorrespiración y la pérdida de agua», dijo Cushman. «Y, el tejido suculento atrapa el dióxido de carbono que se libera durante el día de la descarboxilación del malato para que Rubisco pueda volver a fijarlo de manera más eficiente».
Uno de los principales beneficios de la sobreexpresión del gen VvCEB1 fue la mejora observada en la eficiencia instantánea e integrada del uso del agua de toda la planta, que aumentó hasta 2.6 veces y 2.3 veces, respectivamente. La eficiencia del uso del agua es la proporción de carbono fijo o biomasa producida a la tasa de transpiración o pérdida de agua por la planta. Estas mejoras se correlacionaron con el grado de grosor de la hoja y la suculencia del tejido, así como con una menor densidad de poros estomáticos y aberturas de poros reducidas.
«Probamos una serie de genes candidatos, pero solo observamos este fenotipo notable con el gen VvCEB1», dijo Cushman. «Por lo general, examinaremos entre 10 y 30 líneas transgénicas independientes, y luego estas se cultivarán durante dos o tres generaciones antes de las pruebas detalladas».
[Recomendado: Descubren gen de la cebada que permitirá desarrollar cultivos tolerantes a la sequía]Arabidopsis thaliana es una planta modelo poderosa para el estudio de procesos de crecimiento y desarrollo en plantas. Es una pequeña planta tipo maleza que tiene un corto tiempo de generación de aproximadamente seis semanas y crece bien en condiciones de laboratorio donde produce grandes cantidades de semillas.
Se espera que la suculencia tisular diseñada por ingeniería genética proporcione una estrategia efectiva para mejorar la eficiencia del uso del agua, evitar o atenuar la sequía, tolerar la salinidad y optimizar el rendimiento de CAM.
Las plantas CAM son muy inteligentes, mantienen sus estomas cerrados durante el día y solo los abren por la noche cuando la evapotranspiración es baja porque está más fresca y el sol no brilla, explicó Cushman. La importancia de CAM se encuentra en su capacidad única para conservar el agua. Donde la mayoría de las plantas tomarían dióxido de carbono durante el día, las plantas CAM lo hacen por la noche.
«Esencialmente, las plantas CAM son de cinco a seis veces más eficientes en el uso del agua, mientras que la mayoría de las plantas son muy ineficientes en cuanto al agua», dijo. «La suculencia tisular asociada con CAM y otros rasgos adaptativos como cutículas más gruesas y la acumulación de ceras epicuticulares, significa que pueden reducir el calentamiento de las hojas durante el día al reflejar algo de la luz que golpea la hoja. Muchas plantas CAM adaptadas al desierto también tienen mayor capacidad de tolerar altas temperaturas«.
[Recomendado: Buscan crear la palta del futuro: resistente a la sequía y desafíos climáticos]Dado que se espera que la demanda de productos agrícolas aumente hasta en un 70% para atender a una población humana en crecimiento, que se prevé que alcance alrededor de 9.600 millones en 2050, Cushman y su equipo están buscando estas soluciones biotecnológicas para abordar la posible escasez de alimentos y bioenergía en el futuro.
«Planeamos trasladar tanto la suculencia de tejidos como la ingeniería genética de CAM hacia las plantas de cultivo. Este trabajo actual es una prueba de concepto», dijo Cushman.