El diseño inteligente ha triunfado donde la evolución ha fallado; eso afirma un equipo de biólogos que ha logrado compensar una falla fundamental en la fotosíntesis, lo que podría ser una bendición para la producción agrícola, al menos para algunas plantas.

Esta proeza de la ingeniería genética simplifica una operación compleja y costosa en energía que muchas plantas deben realizar durante la fotosíntesis conocida como fotorrespiración.

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Error evolutivo

Los ingredientes clave de la vida son moléculas hechas de cadenas de átomos de carbono. Las plantas ensamblan estas cadenas a partir de átomos de carbono tomados de las moléculas de dióxido de carbono (CO2) en el aire.

Las pruebas de campo con plantas en condiciones de cultivo han revelado cómo el ajuste de las instrucciones genéticas de las plantas aumenta su rendimiento.

Pero la enzima encargada de tomar el CO2 y agregarlo a una cadena de carbono, llamada Rubisco, a veces atrapa una molécula de oxígeno por error. Esto genera moléculas tóxicas (glicolato) que las plantas tienen que gastar energía para limpiar. Este proceso comprende una larga cadena de reacciones químicas que termina abarcando cuatro compartimentos en una célula vegetal.

Ese desperdicio de energía puede reducir los rendimientos de los cultivos en un 20 a 50 por ciento, dependiendo de las especies de plantas y las condiciones ambientales. Este defecto fundamental ha sido descrito como uno de los errores más grandes de la evolución.

A decir verdad, no fue un gran problema cuando evolucionó la fotosíntesis, porque había poco oxígeno alrededor. Pero a medida que los niveles de oxígeno aumentaron y los niveles de CO2 disminuyeron a lo largo de los eones, se convirtió en un gran problema para las plantas.

Una ruta eficiente

Mediante el uso de ingeniería genética, los investigadores de la Universidad de Illinois diseñaron una ruta química más directa para la fotorrespiración, la cual se limita a un compartimento de una sola célula, incorporando instrucciones genéticas, escritas en trozos de ADN de algas y calabazas, en células de plantas de tabaco.

La modificación de las instrucciones genéticas en las plantas de tabaco se tradujo en un incremento del crecimiento de más del 40 por ciento. La imagen muestra una planta genéticamente optimizada (izquierda) y una planta de la misma especie no modificada (derecha).

Los investigadores también modificaron genéticamente las células para que no produjeran una sustancia química que permite que el glicolato viaje entre los compartimentos celulares, y de ese modo evitar la ineficiente ruta tradicional a través de la célula.

Esta modificación genética condujo a un incremento del crecimiento de las plantas en más del 40 por ciento, en comparación con plantas de la misma especie no modificadas.

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Según informan los investigadores, si produce resultados similares en otros cultivos, eso podría ayudar a los agricultores a satisfacer las demandas de alimentos de una creciente población mundial.

Los experimentos con diferentes tipos de plantas revelarán si esta solución de fotorrespiración produce los beneficios observados en el tabaco en otros cultivos. El equipo actualmente está realizando experimentos en papas, incorporando el nuevo conjunto de modificaciones genéticas, y planea próximamente hacer pruebas similares con soya, guisantes y arroz.

Referencia: Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science, 2019. https://doi.org/10.1126/science.aat9077

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