Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Tennessee) han descubierto un solo gen que simultáneamente estimula el crecimiento de las plantas y la tolerancia a situaciones de estrés como la sequía y la salinidad, al mismo tiempo que aborda la causa raíz del cambio climático al permitir que las plantas extraigan más dióxido de carbono de la atmósfera.
A medida que el cambio climático provoca sequías más frecuentes y duraderas, la preocupación por la escasez de agua aumenta. Sólo alrededor del 3% del agua del mundo es agua dulce, y gran parte de ella está congelada en hielo o no está disponible para su uso. La agricultura es el mayor consumidor de agua dulce en todo el mundo, lo que enfatiza la necesidad de plantas más resistentes que puedan soportar condiciones más secas y utilizar agua no potable que contenga niveles más altos de sal.
Con el objetivo de diseñar cultivos bioenergéticos más productivos y tolerantes a la sequía, los científicos de ORNL en el Centro de Innovación en Bioenergía, o CBI, han estado estudiando los mecanismos que permiten que las plantas del desierto, como el agave y el kalanchoe, prosperen en condiciones secas.
Sentar las bases de futuras investigaciones dirigidas a aumentar la producción sostenible de biomasa en tierras marginales con beneficios tanto para la bioenergía como para la captura de carbono
Las plantas del desierto utilizan una forma de fotosíntesis conocida como metabolismo del ácido crasuláceo, o CAM, para retener dióxido de carbono en sus células durante la noche y convertirlo en azúcares durante las horas del día. Para sobrevivir a las temperaturas extremas del desierto, las plantas CAM sólo abren sus estomas, o poros de las hojas, para capturar el dióxido de carbono durante la noche y mantenerlos cerrados durante el calor del día, evitando la pérdida de agua.
Un equipo de ORNL identificó los genes clave para la fotosíntesis de CAM en 2017 utilizando la supercomputadora Titan del laboratorio. Sobre la base de ese estudio, los investigadores se centraron en una nueva variante de una enzima importante y descubrieron que activa dos vías simultáneamente: una para la fijación de carbono y el crecimiento de las plantas y otra que produce prolina, un aminoácido clave conocido por aumentar la tolerancia al estrés. Sus resultados se publican en la revista Cells.
«Es inusual encontrar que una sola modificación genética puede tener múltiples beneficios«, comenta Xiaohan Yang de ORNL, un biólogo sintético y de sistemas de plantas que dirigió el estudio. «Esto es diferente al modelo clásico de un gen y una proteína que afectan un rasgo. Estamos viendo más ejemplos de este fenómeno en el que un solo gen actúa como un regulador maestro que activa muchos otros genes tanto en sentido ascendente como descendente«.
«Todo lo que podamos hacer para que los cultivos bioenergéticos sean más tolerantes a la sequía y crezcan rápidamente tiene un valor económico positivo«, afirma el director de CBI, Jerry Tuskan. «Estamos buscando cultivos energéticos dedicados que no compitan con la producción de alimentos. Para hacer eso, necesitaremos cultivar estas plantas en tierras marginales que experimentan sequía«.
Un gen con múltiples beneficios
El equipo de investigación tomó un gen variante de la planta de agave del desierto, AaPEPC1, conocían por expresar una enzima importante en la fotosíntesis de CAM y modificó el gen en tabaco, que realiza la fotosíntesis a través de una vía no CAM. La enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa es fundamental para la fijación nocturna de dióxido de carbono. Como era de esperar, el gen permitió una mayor captura de dióxido de carbono, lo que fomentó el crecimiento de las plantas de tabaco y el rendimiento de biomasa.
La sorpresa llegó cuando el equipo descubrió que el aumento del rendimiento de biomasa era constante incluso en condiciones de estrés. Los resultados muestran que el peso seco de las plantas de tabaco manipuladas con AaPEPC1 aumentó aproximadamente un 82% en condiciones de sal y un 37% en condiciones de estrés por sequía en comparación con el tabaco convencional.
«Por lo general, se puede aumentar el rendimiento de biomasa o la tolerancia al estrés, pero no ambos«, comenta Yang. «La compensación entre los dos ha sido un gran desafío científico«.
Un estudio adicional reveló que la expresión del gen AaPEPC1 y la enzima correspondiente aumentaron o activaron múltiples genes en la vía CAM para la producción de malato, que es fundamental para mantener el dióxido de carbono en el citoplasma o líquido dentro de las células vegetales. El mismo gen regulaba positivamente otro conjunto de genes que producen prolina, aumentando la tolerancia al estrés. El equipo todavía está examinando los mecanismos moleculares en juego.
«Es muy probable que estos efectos no sean específicos del tabaco, por lo que necesitamos hacer pruebas adicionales con otras especies«, agrega Yang. «Nuestros resultados pueden sentar las bases para futuras investigaciones dirigidas a aumentar la producción sostenible de biomasa en tierras marginales con beneficios tanto para la bioenergía como para la captura de carbono«.
«No hemos probado el gen en el maíz o la soja«, concluye Tuskan. «Aunque se cultivan en tierras agrícolas de alta calidad, este descubrimiento también puede tener aplicaciones para extender su producción en las partes más secas del mundo«.
Fuente: Cells.
