Tantos como 828 millones de personas se vieron afectadas por el hambre en 2021, y el número continúa creciendo. Pero ya no podemos darnos el lujo de aumentar la producción de alimentos a través de expansión agrícola. Necesitamos cultivar más alimentos en la tierra que ya está en agricultura aumentando el rendimiento. Con rendimientos estancados Desde la revolución verde, los nuevos desarrollos a través de la bioingeniería brindan un medio para enfrentar el desafío.
Un estudio reciente realizado por la Dra. Amanda DeSouza y sus colegas ha aumentado el rendimiento de la soja hasta en un 33 %. La soja es la fuente más grande del mundo de proteína animal y la segunda fuente más grande de aceite vegetal. Aunque ha habido numerosos éxitos en la bioingeniería de la soja para aumentar el rendimiento de la soja durante la última década, ninguno ha demostrado estos aumentos en las condiciones de campo natural.
¿Por qué la soya de alto rendimiento bioingeniería no ha sido probada en el campo antes de ahora?
Los investigadores han estado utilizando la bioingeniería para mejorar la soja durante más de 30 años. En ese tiempo, gran parte del progreso ha consistido en conferir resistencia a los herbicidas, aunque la calidad de la semilla, la resistencia a las plagas, la tolerancia a la sequía y la sal, y las características agronómicas también son objetivos. La mayoría de estas plantas se han probado en experimentos de invernadero con plantas cultivadas en macetas individuales.
Los estudios de plantas de bioingeniería se realizan en el invernadero por varias razones. Los invernaderos son de fácil acceso, permiten realizar experimentos repetidos durante todo el año y permiten a los investigadores controlar las condiciones ambientales. Por otro lado, los experimentos de campo brindan temporadas de crecimiento limitadas, tienen poco o ningún control sobre las variables bióticas y abióticas, y requieren mucho tiempo y son costosos de manejar. Para experimentos que involucren plantas de bioingeniería, los investigadores deben obtener autorización gubernamental que limite y controle la liberación.
Sin embargo, es difícil extrapolar los resultados de los ensayos de laboratorio e invernadero a los resultados en el campo, donde las plantas crecen juntas para formar un dosel y experimentan estrés biótico y abiótico y clima extremo, que afectan el rendimiento y el rendimiento de la planta. Sin embargo, esta es una etapa importante porque la soja se cultiva exclusivamente al aire libre.
Las condiciones de campo naturales proporcionaron el entorno de luz exacto necesario para probar su soja bioingeniería
La luz que experimentan las plantas en el campo es muy dinámica. Cuando la intensidad de la luz es demasiado alta o aumenta demasiado rápido para que la fotoquímica use la luz absorbida, se activa la fotoprotección para protegerlos del daño, permitiendo que las hojas disipen el exceso de energía. Sin embargo, cuando las hojas están sombreadas (por otras hojas, nubes o el sol moviéndose en el cielo), esta fotoprotección debe apagarse para que las hojas puedan continuar el proceso de fotosíntesis con una reserva de luz solar. La planta tarda varios minutos en apagar el mecanismo de protección, lo que le cuesta a las plantas un tiempo valioso que podría haberse utilizado para la fotosíntesis.
Los autores del estudio se enfocaron en tres genes que codifican proteínas del ciclo de la xantofila, que es un ciclo de pigmento que ayuda en la fotoprotección de las plantas. Al sobreexpresar los tres genes en la soja utilizando la construcción VPZ, los autores pudieron acelerar la recuperación de la fotoprotección. Cuando se probó en el campo, la aceleración le dio a las hojas minutos adicionales de fotosíntesis que, cuando se sumaron a lo largo de toda la temporada de crecimiento, aumentaron la tasa fotosintética total. Esto se tradujo en un aumento del rendimiento de hasta un 33 % prácticamente sin cambios en el contenido de proteína y aceite.
Este descubrimiento lleva más de una década en proceso.
En 2004, el coautor Steve Long dirigió un estudio usando simulaciones de modelos que mostraron que un retraso en la recuperación de la fotoprotección en un dosel de múltiples capas redujo la fotosíntesis hasta en un 30%.
En 2011, el coautor Kris Niyogi teorizó cómo la capacidad de fotoprotección de una planta podría manipularse genéticamente. En este documento, sugirió los tres genes del ciclo de xantofila probados como objetivos.
En 2016, el equipo de Niyogi demostró que la extinción no fotoquímica se podía inducir y relajar más rápidamente usando expresión génica transitoria de los tres genes del ciclo de las xantofilas. La expresión transitoria es la expresión temporal de genes, en este caso, en una hoja de tabaco donde se inyectaron los genes.
En 2016, los equipos de Long y Niyogi trabajaron juntos para probar el constructo VPZ en tabaco. Se eligió el tabaco porque es fácil de transformar, produce muchas semillas y se puede probar en el campo. Este trabajo resultó en una 14-21% de aumento en la producción de biomasa vegetal en condiciones de campo naturales.
Obtenga más información sobre cómo los científicos han aumentado la eficiencia de las plantas acelerando la recuperación de la fotoprotección en este video de Science Magazine.
¿Este descubrimiento hará una diferencia en el hambre global?
Es probable que esta modificación pueda aumentar los rendimientos en otros cultivos porque todas las plantas usan estos mismos tres genes para regular el enfriamiento no fotoquímico. Además, es técnicamente posible modificar otros cultivos; el maíz, el algodón, las patatas, la canola, el trigo, el arroz, las fresas, la lechuga, la berenjena y muchos otros cereales, frutas y hortalizas ya han sido objeto de bioingeniería y comercialización con éxito. Además, una vez desarrollado, ya existe un precedente para el cultivo de cultivos de bioingeniería en gran parte del mundo. Por ejemplo, en 2019, El 74% de la soja sembrada en el mundo fue modificada genéticamente tolerancia a herbicidas y resistencia a insectos.
Sin embargo, hay mucha investigación, revisión y regulación involucrada en llevar un nuevo producto de bioingeniería al mercado. De acuerdo con la Proyecto de Alfabetización Genética, “en los Estados Unidos, donde ocurre gran parte de la ingeniería genética agrícola, lleva un promedio de casi ocho años y el gasto de más de $ 135 millones para desarrollar un nuevo rasgo y pasarlo por el proceso regulatorio”.
LEE EL ARTÍCULO:
Amanda P. De Souza, Steven J. Burgess, Lynn Doran, Jeffrey Hansen, Lusya Manukyan, Nina Maryn, Dhananjay Gotarkar, Laurie Beth Leonelli, Krishna K. Niyogi, Stephen P. Long. 2022. «La fotosíntesis y el rendimiento de los cultivos de soja se mejoran acelerando la recuperación de la fotoprotección». Ciencias: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831
