Reconfigurar la fotorrespiración aumentaría la productividad de los cultivos
Las plantas utilizan la fotosíntesis para convertir la luz solar y el CO2 en azúcares y biomasa. La enzima clave implicada, la RuBisCO, puede reaccionar con el oxígeno en lugar del CO2, lo que desencadena un proceso de despilfarro llamado fotorrespiración. Consume energía y devuelve a la atmósfera el CO2 fijado anteriormente. Esto puede reducir sustancialmente la eficiencia fotosintética y la productividad de los cultivos, sobre todo en climas cálidos y secos. El equipo del proyecto GAIN4CROPS(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, se propuso rediseñar este proceso ineficiente. Exploró las estrategias tanto naturales como sintéticas para reducir la pérdida de carbono, creando «bombas de carbono» más eficientes y vías metabólicas sintéticas. Estas estrategias mejorarían la productividad de los cultivos y la eficiencia en el uso de los recursos, apoyando al mismo tiempo una agricultura más sostenible.
Las herramientas experimentales y teóricas mejoran la prueba de concepto
La mayoría de las plantas, incluidos todos los árboles, son plantas denominadas C3 sin capacidad para mitigar la fotorrespiración. Las plantas C4, más comunes en hábitats cálidos, tienen vías para minimizarlo. El equipo del proyecto GAIN4CROPS eligió estudiar el girasol, un cultivo europeo económicamente importante para la producción de alimentos, piensos y aceite. Y lo que es más importante, aunque son plantas típicamente C3, algunos parientes silvestres son intermedios C3-C4, lo que proporciona valiosas pistas sobre cómo la evolución ha abordado el problema de la fotorrespiración. Combinando genómica, biología sintética e ingeniería metabólica, en el proyecto se desarrollaron derivaciones sintéticas de la fotorrespiración que reducen la pérdida de carbono e introdujo con éxito algunas de ellas en la planta modelo «Arabidopsis». «Mejoraron el crecimiento y la acumulación de biomasa, una revolucionaria prueba de concepto que demuestra que rediseñar procesos metabólicos básicos es biológicamente factible», explica el coordinador del proyecto, Andreas Weber, de Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf(se abrirá en una nueva ventana). En el proyecto también se generaron extensos conjuntos de datos genómicos y transcriptómicos unicelulares y uninucleares de parientes del girasol e intermediarios C3-C4, entre los muchos recursos producidos a mayor escala de lo previsto inicialmente. Ellos proporcionaron una visión sin precedentes del control genético y la organización espacial de la fotosíntesis. «Los modelos computacionales simulan el metabolismo fotosintético del carbono y predicen cómo se comportan las vías diseñadas dentro de las células vegetales. Estos marcos permiten a los investigadores evaluar nuevas estrategias y comparar la eficacia de las vías antes de realizar experimentos que requieren mucho tiempo. Esto hace que el diseño de vías sea más predictivo, escalable y eficiente», señala Weber.
Retos de la transferencia de la ciencia de la transformación de cultivos a la práctica
Aunque en GAIN4CROPS se demostró el potencial importante que tiene la transformación de cultivos para aumentar su productividad, «también se puso de manifiesto la dificultad técnica y el tiempo necesarios para traducir los descubrimientos científicos en aplicaciones agrícolas reales. Se necesitan urgentemente más instalaciones de transformación de cultivos compartidas y accesibles en toda Europa», añade Weber. En un seminario web(se abrirá en una nueva ventana), organizado conjuntamente con EU-SAGE (Agricultura Sostenible mediante Edición Genética) y Reimagine Europa, se abordaron las nuevas técnicas genómicas, la ingeniería fotosintética y las incertidumbres normativas. Los debates se centraron en la necesidad de una normativa basada en la ciencia y proporcionada para apoyar la traslación responsable de la fitología a la práctica.
La transformación de los cultivos como factor clave de su productividad
«Los cultivos que pierden menos carbono por fotorrespiración podrían producir mayores rendimientos y, al mismo tiempo, utilizar el agua, los nutrientes y la tierra de forma más eficiente. Esto ayudaría a la agricultura a adaptarse al cambio climático al tiempo que se reducirían las presiones medioambientales», señala Weber. Sin embargo, para pasar de los experimentos aislados de prueba de concepto a un método verdaderamente escalable y traslacional de la ingeniería de cultivos será necesario un planteamiento multidisciplinar. El equipo del proyecto GAIN4CROPS demostró lo que es posible cuando se pone en práctica. Más allá del girasol, las herramientas, conjuntos de datos y estrategias de ingeniería desarrolladas en GAIN4CROPS pueden servir de apoyo a esfuerzos más amplios para mejorar los principales cultivos alimentarios y bioenergéticos de todo el mundo.
