El gen «impulsor» se ha descubierto en los álamos. Mejora la fotosíntesis y puede aumentar la altura de los árboles hasta en un 200 por ciento. El gen «impulsor» también funciona de forma muy similar en Arabidopsis, una planta que estudian los científicos porque es un modelo para otras plantas, incluidos cultivos importantes como el trigo, la soja y el arroz. El descubrimiento tiene potencial para aumentar el rendimiento en plantas que proporcionan tanto alimentos como combustible de base biológica. Y por lo tanto, esto tiene implicaciones importantes para los esfuerzos para crear una fuente estable de biocombustible para aviones que no provenga del petróleo.
UC Davis / 5 de diciembre, 2024.- Un equipo de científicos ha identificado un gen en los álamos que mejora la fotosíntesis y puede aumentar la altura de los árboles hasta en un 200 por ciento.
Su descubrimiento es un cambio radical para los esfuerzos nacionales para cultivar álamos que puedan usarse como combustible para aviones como una alternativa al combustible basado en el petróleo, dijo uno de los científicos. La Universidad de California en Davis es parte de esos esfuerzos, con casi mil álamos cultivados para análisis genéticos por miembros del laboratorio de Gail Taylor, una distinguida profesora emérita del departamento y ahora decana de la Facultad de Ciencias de la Vida en el University College de Londres.
El descubrimiento del gen también genera esperanzas de obtener mayores rendimientos de importantes cultivos alimentarios.
El gen, que los científicos llamaron «Booster» (o impulsor, en español), se encuentra de forma natural en los álamos. Descubrieron que mejora la fotosíntesis (el proceso de las plantas para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en alimentos) y, por lo tanto, estimula el crecimiento de las plantas. El gen contiene ADN de dos organismos asociados que se encuentran dentro del árbol, y de una proteína llamada Rubisco que es esencial para la fotosíntesis.
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Los científicos estaban estudiando un tipo de álamo: el álamo negro, o Populus trichocarpa, que prospera desde Baja California en México hasta el norte de Canadá. Su área de distribución incluye áreas donde la tierra es pobre y el agua es escasa, lo que lo hace interesante para la investigación a medida que el clima se calienta y los patrones de lluvia y nieve cambian. Este árbol es un candidato principal para fabricar combustible y otros productos mediante la descomposición de su madera y la destilación del puré.
En experimentos con álamos mejorados con el gen Booster, los árboles crecieron aproximadamente un 30 por ciento más en el campo y hasta un 200 por ciento más en el invernadero.
El impulsor también aumentó el tamaño de otra especie de planta, la Arabidopsis. La Arabidopsis es una pequeña maleza verde y frondosa que crece en toda Europa, Asia y África. También es una especie modelo que se utiliza ampliamente en la investigación, por lo que el descubrimiento del gen también en esa planta apunta a la posibilidad de obtener mayores rendimientos de los cultivos alimentarios que también podrían tener el gen impulsor.
La investigación proviene de dos Centros de Investigación de Bioenergía del Departamento de Energía de Estados Unidos: el Centro de Innovación Bioenergética en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee y el Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign. Su descubrimiento fue descrito esta semana en la revista Developmental Cell.
Booster: Tres genes que evolucionaron en uno
En la mitología griega, una quimera era un monstruo femenino que escupía fuego con cabeza de león, cuerpo de cabra y cola de serpiente.
Asimismo, Booster es un gen quimérico: contiene secuencias de ADN de tres genes que, originalmente, estaban separados, pero que se combinaron, prácticamente sin cambios, en un solo gen a lo largo de eones de tiempo. En términos más generales, los genes quiméricos tienen orígenes únicos y se cree que permiten cambios evolutivos que ayudan a las plantas a adaptarse a nuevos entornos.
En el caso de Booster, el equipo de ORNL determinó que contiene un segmento de una bacteria que se encuentra en el sistema de raíces del álamo. Otro segmento proviene de una hormiga que cultiva un hongo que se sabe que infecta a los álamos. El tercer segmento es de la subunidad grande de Rubisco, una proteína abundante que se encuentra en los cloroplastos de las plantas.
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Los cloroplastos son las principales estructuras celulares que albergan la maquinaria fotosintética que convierte la energía de la luz en glucosa, el componente básico de la celulosa, el almidón y otras moléculas grandes que las plantas utilizan para crear tallos, hojas, semillas y frutos. Y por eso también están relacionados con la producción de alimentos y combustibles.
La proteína Rubisco funciona como el «capturador de carbono» de la planta, capturando dióxido de carbono del aire. Durante años, los científicos han estado trabajando en formas de aumentar la cantidad de Rubisco en las plantas para un mayor rendimiento de los cultivos y la absorción de CO2 atmosférico.
Cuando los investigadores crearon álamos con una mayor expresión del gen Booster, su contenido de Rubisco y la consiguiente actividad fotosintética se dispararon. Como resultado, los árboles crecieron hasta un 200 por ciento más en invernaderos.
Los árboles también tenían hasta un 62 por ciento más de Rubisco, y sus hojas mostraron un aumento de alrededor del 25 por ciento en la absorción neta de CO2.
Entre los álamos potenciados cultivados en campos, los árboles crecieron hasta un 37 por ciento más, con hasta un 88 por ciento más de volumen de tallo, lo que aumenta la biomasa por planta.
Esto significa que el gen Booster puede aumentar el rendimiento de las plantas sin utilizar más tierra, agua o fertilizantes, lo que respaldaría una economía robusta que girara en torno a los combustibles de origen vegetal.
Muchos beneficios de una mejora
El álamo y la Arabidopsis son plantas C3, una categoría que incluye cultivos alimentarios clave como la soja, el arroz, el trigo y la avena. Si Booster funciona de la misma manera en los cultivos alimentarios, un mayor rendimiento podría reducir la escasez de alimentos en todo el mundo.
Para explorar esa idea, los científicos también insertaron Booster en Arabidopsis. El resultado fue un aumento similar en la biomasa y un aumento del 50 por ciento en la producción de semillas. Esto indica que Booster podría, potencialmente, generar mayores rendimientos en otras plantas.
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«El cultivo de cultivos bioenergéticos perennes de alto rendimiento en tierras marginales no aptas para la agricultura convencional puede ayudarnos a satisfacer la creciente demanda de biocombustibles líquidos para sectores difíciles de electrificar como la aviación», dijo Gerald A. Tuskan, director de CBI y miembro corporativo de ORNL, quien fue coautor del artículo. “Las plantas de rápido crecimiento y resistentes que sirven de materia prima pueden estimular la bioeconomía, crear empleos rurales y satisfacer la demanda prevista de energía”.
“Este descubrimiento podría ser un punto de inflexión en términos de una gran estimulación de la fotosíntesis y la productividad de las plantas”, añadió Stephen Long, una autoridad destacada en fotosíntesis de plantas y profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Es coautor del artículo en su función en el CABBI dirigido por Illinois. “Si bien necesitamos realizar pruebas más amplias para estar seguros de que podemos reproducir los resultados a gran escala, el hecho de que haya funcionado en una planta completamente distinta indica que podría funcionar en una gama más amplia de plantas”.
Los próximos pasos de la investigación podrían abarcar ensayos de campo de álamos y otras plantas bioenergéticas y alimenticias en muchos lugares y condiciones de crecimiento diferentes para analizar el éxito a largo plazo, dijo Long.
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Abriendo una nueva vía de pensamiento científico
“Los genes quiméricos conservados como Booster a menudo se descartan como artefactos evolutivos no funcionales que ya no influyen en los procesos de las plantas”, dijo Biruk Feyissa de ORNL, quien dirigió el análisis molecular del gen y es el primer autor del artículo. “Pero aquí demostramos exactamente lo contrario”.
“El descubrimiento abre una nueva vía de pensamiento científico”, agregó Tuskan. “Tendemos a pensar en la fotosíntesis como un proceso difícil de mejorar. Pero, de hecho, la maquinaria molecular que rodea la fotosíntesis ha seguido evolucionando a medida que las plantas se adaptaron a su entorno. En este caso, el intercambio de ADN con organismos asociados cambió un proceso biológico de manera fundamental”.
El descubrimiento fue el resultado de una colaboración entre los dos centros del DOE, donde los científicos se centran en el desarrollo de plantas mejoradas de materia prima para bioenergía junto con métodos eficientes para procesar esas plantas en combustibles y productos avanzados. La investigación fue apoyada por CBI y CABBI, ambos patrocinados por el Programa de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos.