En 2021, 828 millones de personas se vieron afectadas por el hambre y la tendencia va en aumento. Pero ya no podemos darnos el lujo de aumentar la producción de alimentos a través de la expansión agrícola. Necesitamos cultivar más alimentos en tierras ya disponibles para la agricultura aumentando el rendimiento. Dado que los rendimientos se han estancado desde la revolución verde, los nuevos desarrollos a través de la bioingeniería ofrecen un medio para enfrentar el desafío.

Un estudio reciente del Dr. Amanda DeSouza y sus colegas aumentaron el rendimiento de la soja hasta en un 33 %. La soja es la fuente más grande del mundo de alimento para animales y la segunda fuente más grande de aceite vegetal. Aunque ha habido numerosos éxitos en la biotecnología de la soja durante la última década para aumentar el rendimiento de la soja, ninguno ha demostrado estos aumentos en condiciones de campo naturales.

¿Por qué no se han probado en el campo las semillas de soja de bioingeniería y alto rendimiento?

Durante más de 30 años, los investigadores han aplicado la bioingeniería para mejorar la soja. Gran parte del progreso durante este período 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 probaron en experimentos de invernadero con plantas cultivadas en macetas individuales.

Los estudios biotécnicos de plantas se llevan a cabo en el invernadero por varias razones. Los invernaderos son de fácil acceso, permiten experimentos repetidos durante todo el año y permiten a los investigadores controlar las condiciones ambientales. Por otro lado, los experimentos de campo ofrecen 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 con plantas modificadas genéticamente, los investigadores deben obtener la aprobación del gobierno que limita y controla 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 se fusionan en un dosel y están expuestas al estrés biótico y abiótico y al clima extremo, que afectan el rendimiento y el rendimiento de la planta. Sin embargo, este es un paso importante, ya que la soya se cultiva exclusivamente al aire libre.

Las condiciones de campo naturales proporcionaron el entorno de luz exacto necesario para probar sus semillas de 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 protegerla del daño, permitiendo que las hojas eliminen el exceso de energía. Sin embargo, cuando las hojas están sombreadas (por otras hojas, nubes o el sol moviéndose por el cielo), esta fotoprotección debe desactivarse para permitir que las hojas continúen el proceso fotosintético con una reserva de luz solar. La planta tarda varios minutos en apagar el mecanismo de protección, lo que le cuesta a la planta un tiempo valioso que podría haberse utilizado para la fotosíntesis.

Los autores del estudio se enfocaron en tres genes que codifican proteínas en el ciclo de las xantofilas, un ciclo de pigmentos que ayuda a proteger las plantas de la luz. Al sobreexpresar los tres genes en la soja con la construcción VPZ, los autores pudieron acelerar la recuperación de la protección contra la luz. En las pruebas de campo, la aceleración le dio a las hojas minutos fotosintéticos adicionales que, cuando se sumaron durante toda la temporada de crecimiento, aumentaron la tasa general de fotosíntesis. Esto resultó en un aumento del rendimiento de hasta un 33% con un contenido de proteína y aceite prácticamente sin cambios.

Este descubrimiento tomó más de una década.

En 2004, el coautor Steve Long realizó un estudio utilizando simulaciones de modelos que demostraron que un retraso en la restauración de la fotoprotección en un dosel en capas reducía la fotosíntesis hasta en un 30 %.

En 2011, el coautor Kris Niyogi teorizó sobre cómo la capacidad fotoprotectora de una planta podría modificarse genéticamente. En ese artículo, propuso los tres genes del ciclo de xantofila probados como objetivos.

En 2016, el equipo de Niyogi demostró que la extinción no fotoquímica se puede inducir y relajar más rápido mediante la expresión génica transitoria de los tres genes del ciclo de la xantofila. La expresión transitoria es la expresión transitoria de genes, en este caso en una hoja de tabaco en la que se han inyectado 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 convertir, produce muchas semillas y se puede probar en el campo. Este trabajo dio como resultado un aumento del 14-21% en la producción de biomasa vegetal en condiciones de campo naturales.

En 2022, la construcción VPZ se probó en soja cultivada en condiciones de campo naturales, lo que resultó en aumentos de rendimiento de hasta un 33 %.

¿Este descubrimiento cambiará el hambre global?

Es probable que esta modificación pueda aumentar los rendimientos en otros cultivos, ya que todas las plantas usan los mismos tres genes para regular la extinción no fotoquímica. También es técnicamente posible modificar otras culturas; El maíz, el algodón, las patatas, la canola, el trigo, el arroz, las fresas, la lechuga, la berenjena y muchos otros cereales, frutas y verduras 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 cultivada en todo el mundo se modificó genéticamente para tolerar los herbicidas y la resistencia a los insectos.

Sin embargo, se necesita mucha investigación, verificación y regulación para llevar un nuevo producto de bioingeniería al mercado. De acuerdo con el Proyecto de Alfabetización Genética, “En los Estados Unidos, donde ocurre gran parte de la ingeniería genética agrícola, toma un promedio de casi ocho años y más de $135 millones para desarrollar un nuevo rasgo y pasar por el proceso regulatorio”.

LEER 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 de la soja y el rendimiento de los cultivos se mejoran al acelerar la recuperación de la fotoprotección”, Ciencias https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831

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