Investigadores del RIPE demuestran que la bioingeniería para mejorar la fotosíntesis aumenta el rendimiento de los cultivos alimentarios por primera vez

Resultados de esta magnitud no podrían llegar en un momento más crucial. El último informe de la ONU, El estado de la seguridad alimentaria y la nutrición en el mundo 2022, reveló que en 2021 casi el 10% de la población mundial pasaba hambre, una situación que ha ido empeorando constantemente en los últimos años y que eclipsa en escala a todas las demás amenazas para la salud mundial. Según UNICEF, para 2030 se espera que más de 660 millones de personas se enfrenten a la escasez de alimentos y a la desnutrición. Dos de las principales causas son la ineficiencia de las cadenas de suministro de alimentos (acceso a los alimentos) y el endurecimiento de las condiciones de cultivo debido al cambio climático. Mejorar el acceso a los alimentos y mejorar la sostenibilidad de los cultivos alimentarios en las zonas empobrecidas son los objetivos clave de este estudio y del proyecto RIPE.

Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, o RIPE, es un proyecto de investigación internacional cuyo objetivo es aumentar la producción mundial de alimentos mediante la mejora de la eficiencia fotosintética de los cultivos alimentarios para los pequeños agricultores del África subsahariana, con el apoyo de la Fundación Bill y Melinda Gates, la Foundation for Food & Agriculture Research y la U.K. Foreign, Commonwealth & Development Office.

"El número de personas afectadas por la insuficiencia alimentaria sigue creciendo, y las proyecciones muestran claramente que es necesario un cambio a nivel del suministro de alimentos para cambiar la trayectoria", dijo Amanda De Souza, científica investigadora del proyecto RIPE, y autora principal. "Nuestra investigación muestra una forma eficaz de contribuir a la seguridad alimentaria de las personas que más lo necesitan, evitando al mismo tiempo que se dedique más tierra a la producción. Mejorar la fotosíntesis es una gran oportunidad para obtener el salto necesario en el potencial de rendimiento".

La fotosíntesis, el proceso natural que utilizan todas las plantas para convertir la luz solar en energía y rendimiento, es un proceso sorprendentemente ineficiente de más de 100 pasos que los investigadores del RIPE llevan más de una década tratando de mejorar. En este trabajo, el primero de su clase, publicado recientemente en Science, el grupo mejoró la construcción VPZ dentro de la planta de soja para mejorar la fotosíntesis y, a continuación, realizó ensayos de campo para ver si el rendimiento mejoraba como resultado.

La construcción VPZ contiene tres genes que codifican proteínas del ciclo de la xantofila, que es un ciclo de pigmentos que ayuda a la fotoprotección de las plantas. Una vez en plena luz solar, este ciclo se activa en las hojas para protegerlas de los daños, permitiendo que las hojas disipen el exceso de energía. Sin embargo, cuando las hojas están a la sombra (por otras hojas, nubes o el sol moviéndose en el cielo) esta fotoprotección debe desconectarse para que las hojas puedan continuar el proceso de fotosíntesis con una reserva de luz solar. La planta tarda varios minutos en desconectar el mecanismo de protección, lo que le hace perder un tiempo valioso que podría haber utilizado para la fotosíntesis.

La sobreexpresión de los tres genes de la construcción VPZ acelera el proceso, de modo que cada vez que una hoja pasa de la luz a la sombra la fotoprotección se desactiva más rápidamente. Las hojas ganan minutos extra de fotosíntesis que, sumados a lo largo de toda la temporada de crecimiento, aumentan la tasa fotosintética total. Esta investigación ha demostrado que, a pesar de lograr un aumento de más del 20% en el rendimiento, la calidad de las semillas no se vio afectada.

"A pesar del mayor rendimiento, el contenido de proteína de las semillas no cambió. Esto sugiere que parte de la energía extra obtenida por la mejora de la fotosíntesis se desvió probablemente a las bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos de la planta", dijo el director del RIPE, Stephen Long, titular de la cátedra universitaria Ikenberry de Ciencias de los Cultivos y Biología Vegetal del Instituto de Biología Genómica Carl R. Woese de Illinois.

Los investigadores probaron primero su idea en plantas de tabaco por la facilidad de transformar la genética del cultivo y la cantidad de semillas que se pueden producir de una sola planta. Estos factores permiten a los investigadores pasar de la transformación genética a un ensayo de campo en cuestión de meses. Una vez probado el concepto en el tabaco, pasaron a la tarea más complicada de poner la genética en un cultivo alimentario, la soja.

"El hecho de que ahora se hayan demostrado aumentos de rendimiento muy sustanciales tanto en el tabaco como en la soja, dos cultivos muy diferentes, sugiere que esto tiene una aplicabilidad universal", dijo Long. "Nuestro estudio demuestra que la realización de mejoras en el rendimiento se ve fuertemente afectada por el medio ambiente. Es fundamental determinar la repetibilidad de este resultado en todos los entornos y otras mejoras para garantizar la estabilidad ambiental de la ganancia."

Este año se están llevando a cabo pruebas de campo adicionales de estas plantas de soja transgénica, cuyos resultados se esperan para principios de 2023.

"El mayor impacto de este trabajo es abrir los caminos para demostrar que podemos hacer bioingeniería de la fotosíntesis y mejorar el rendimiento para aumentar la producción de alimentos en los principales cultivos", dijo De Souza. "Es el comienzo de la confirmación de que las ideas arraigadas por el proyecto RIPE son un medio exitoso para mejorar el rendimiento en los principales cultivos alimentarios".

El proyecto RIPE y sus patrocinadores se han comprometido a garantizar el acceso global y a poner las tecnologías del proyecto a disposición de los agricultores que más las necesitan.

"Este ha sido un camino de más de un cuarto de siglo para mí personalmente", dijo Long. "Comenzando primero con un análisis teórico de la eficiencia teórica de la fotosíntesis de los cultivos, la simulación del proceso completo mediante computación de alto rendimiento, seguido de la aplicación de rutinas de optimización que indicaron varios cuellos de botella en el proceso en nuestros cultivos. El apoyo financiero de los últimos diez años nos ha permitido diseñar la reducción de algunos de estos cuellos de botella y probar los productos a escala de campo. Tras años de pruebas y tribulaciones, es maravillosamente gratificante ver un resultado tan espectacular para el equipo".