Para alimentar al mundo, mejorar la fotosíntesis

SABBATINI BLANQUEADO

Dentro de un cálido invernadero en el centro de Illinois, un par de investigadores bulliciosos pero enfocados están sembrando plantas experimentales. Los científicos humedecen la tierra y la empaquetan en macetas, luego sacan con cuidado pequeñas semillas de tabaco de color marrón oscuro de los frascos de vidrio. En los meses siguientes, los investigadores sacarán las plantas a un campo y observarán si crecen más o más rápido de lo normal, un paso crucial para alimentar al mundo de 2050.

Estas plantas de tabaco han sido diseñadas a un nivel más fundamental que los cultivos biotecnológicos típicos. Se modificó la forma en que realizan la fotosíntesis para que conviertan la luz solar y el dióxido de carbono en carbohidratos de manera más eficiente. Si los científicos hacen eso en los cultivos alimentarios, cualquier parcela de tierra podría producir más alimentos, o producir la misma cantidad de alimentos con menos agua y fertilizantes.

Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2017

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La necesidad es urgente. Para alimentar a una población en crecimiento, proyectan las Naciones Unidas, los rendimientos agrícolas en todo el mundo deben aumentar en un 50 por ciento entre ahora y 2050. Y ese ambicioso objetivo no tiene en cuenta los efectos del cambio climático. Las plantas prosperan con el dióxido de carbono, pero los días muy calurosos suprimen el rendimiento de los cultivos. En muchas partes del mundo, el aumento de las temperaturas y las sequías provocadas por el cambio climático serán devastadores. Y esos efectos negativos tendrán el mayor impacto en los pobres, dice Steve Long, director del proyecto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), un consorcio internacional con sede en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

El proyecto RIPE, financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates, comienza con el tabaco porque es relativamente fácil de modificar genéticamente. Pero el verdadero objetivo de RIPE es mejorar los rendimientos de cultivos alimentarios como la mandioca y el caupí, que son fuentes importantes de calorías y proteínas en muchos países pobres. Y está trabajando en cambios mucho más ambiciosos en el metabolismo de las plantas que los que se han hecho antes.

Los agrónomos aún no han llevado la fotosíntesis a sus límites. Eso es a pesar del hecho de que este proceso bioquímico de 160 pasos está muy bien estudiado y es sorprendentemente ineficiente: las plantas convierten menos del 5 por ciento de la energía de la luz solar en biomasa. Una parte aún menor de eso se invierte en las partes de las plantas que a la gente le gusta comer: semillas, tubérculos, frijoles. La agricultura moderna ha mejorado enormemente los rendimientos gracias a los fertilizantes, los pesticidas y la crianza tradicional. Ahora las ganancias son más difíciles de conseguir. Es por eso que el grupo RIPE se enfoca en las ineficiencias en el metabolismo de las plantas. (Otros investigadores están probando variaciones de la misma idea; consulte 10 Tecnologías innovadoras 2015: Fotosíntesis supercargada).

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El año pasado, los investigadores de RIPE demostraron por primera vez que era posible mejorar el rendimiento de los cultivos en el campo mediante la ingeniería de la fotosíntesis. Al aumentar los niveles de expresión de tres genes implicados en el procesamiento de la luz, mejoraron la producción de tabaco en un 20 por ciento.

Ahora, el equipo de RIPE está tratando de usar el mismo truco de ingeniería genética para aumentar los rendimientos en cultivos alimentarios más recalcitrantes. Hacer que suceda en la yuca recae en parte en Amanda De Souza, una posdoctorado de Brasil.

La ingeniería genética de la fotosíntesis en la yuca es un proceso delicado y prolongado. De Souza abre una placa de Petri para mostrar embriones de yuca, racimos de color amarillo claro de aproximadamente un milímetro de ancho. Ella los cultiva usando tejido arrancado de un capullo en una planta de yuca completamente desarrollada. Este grupo de células, llamado callo, puede infectarse con bacterias que portan los genes que procesan la luz. Solo unas pocas células tomarán realmente los genes. Aquellos que lo hagan estarán expuestos a un cóctel de hormonas que los impulsará a desarrollar un tallo y raíces.

En la yuca, esta transformación genética toma de ocho a 10 meses, es decir, si todo va bien. Otros cultivos alimentarios clave, incluidos el arroz y el caupí, son un poco más rápidos.

Al final del pasillo, De Souza abre una habitación parecida a un armario inundada de luz solar artificial. En los estantes, las plantas jóvenes de yuca crecen en frascos de plástico, con las raíces rodeadas de un gel nutritivo que se retirará a mano antes de que las plantas puedan entrar en la tierra.

Los campos experimentales de RIPE están a 10 minutos en coche de los laboratorios. En esta parte del país, las granjas cultivan principalmente soja y maíz. Le corresponde a David Drag, gerente de ensayos de campo de RIPE, descubrir cómo el suelo del centro de Illinois puede nutrir cultivos como la mandioca y el arroz. Para un proyecto, un colaborador lo ayudó a construir un arrozal. Pero en 2015, recuerda con tristeza, vio cómo uno de los proyectos clave de RIPE se ahogaba en una fuerte tormenta al final de la temporada, a pesar de los esfuerzos del equipo para cavar trincheras y represas. Se perdió el trabajo de un año, un recordatorio humillante de que incluso la ciencia agrícola más avanzada todavía está a merced de la naturaleza.

Las plantas de tabaco modificadas en este invernadero se emparejan con bolsas para recolectar las semillas que arrojan, para usarlas en futuras pruebas.

Izquierda: este robot se maniobra a sí mismo a través de los campos para medir la biomasa y otros aspectos del crecimiento de las plantas.
Derecha: este aparato, sujeto a una hoja de tabaco, examina el metabolismo de la planta. Mide la temperatura y la humedad en la superficie de la hoja y extrae el oxígeno y otros gases emitidos por la hoja a un analizador químico.

Estas plantas jóvenes de yuca han sido modificadas genéticamente para procesar la luz solar de manera más eficiente.

Izquierda: parte de la investigación básica sobre la biología molecular de la fotosíntesis se realiza en algas en placas de Petri. Derecha: Un mapa de clorofila en una planta, hecho por un generador de imágenes de fluorescencia.

Izquierda: un generador de imágenes de fluorescencia expone las plantas a destellos de luz brillante para medir qué tan rápido responden a los cambios en los niveles de luz.
Derecha: una vista del interior del generador de imágenes de fluorescencia.

Estos experimentos han ayudado a establecer que las plantas de tabaco producen mayores rendimientos si pueden detener más rápidamente la producción de un protector solar molecular cuando los niveles de luz caen. Las plantas que se desempeñan bien en estos experimentos pasan a las pruebas de campo.

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