El agave es conocido por ser la planta con la que se produce el tequila, pero tiene un uso más oculto: está enseñando a los científicos cómo elaborar plantas resistentes a las sequías.

Junto con especies como el nopal (un cactus comestible), la piña y las orquídeas de vainilla, el agave ha evolucionado durante millones de años para llevar a cabo un tipo diferente de fotosíntesis, que permite a las plantas sobrevivir en ambientes semiáridos, donde no siempre hay agua disponible.

El proceso se denomina metabolismo ácido de las crasuláceas, o CAM, y un pequeño grupo de científicos ha estado estudiándolo durante varias décadas, debido a que las plantas que lo tienen usan menos agua. Sin embargo, solo ha sido en el último par de años que un número creciente de investigadores está intentando identificar y transferir esta vía fotosintética a otras especies de plantas.

Recrear una vía metabólica entera en una planta no es tarea sencilla. Una vez que los científicos determinan todos los genes asociados con su función básica, así como su regulación, entonces deben encontrar una manera de añadir el material genético en la planta de destino, o hacer que los genes y proteínas existentes en la planta se activen de la manera que ellos quieren. En total, eso podría implicar alrededor de 100 genes, aunque los investigadores explican que no saben el número exacto todavía.

Xiaohan Yang, un científico de la División de Biociencias en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, es uno de los investigadores que trabaja para averiguar cómo hacer que CAM funcione en otros tipos de plantas. Dijo que el interés por la CAM ha crecido rápidamente en los últimos años, por la mayor preocupación en sequías provocadas por el cambio climático, y por el aumento de fondos del gobierno federal.

¿Qué hace la fotosíntesis del agave y el cactus tan diferentes? A diferencia de la mayoría de las plantas que absorben dióxido de carbono a través de los estomas de sus hojas durante el día (conocidas como plantas C3 y C4), las plantas CAM absorben la mayor parte de su CO2 durante la noche. Este cambio implica que menos agua se evapora por las hojas a través de la transpiración. De hecho, las plantas CAM requieren entre un quinto y un tercio del agua que las plantas C3 y C4, respectivamente.

Sin embargo, las plantas CAM también necesitan una forma de almacenar carbono durante la noche, porque como las otras plantas, no pueden utilizarlo para construir reservas de energía –como azúcares y almidones- sin la luz del sol. Lo hacen fijando temporalmente el carbono en una especie de piscina de ácido málico. Cuando por la mañana sale el sol, las plantas descomponen esos ácidos orgánicos, liberando el CO2. En ese punto, la planta es capaz de realizar la fotosíntesis como una planta C3, excepto que los estomas no requieren permanecer abiertos porque el carbono ya está disponible en la hoja.

El desafío para investigadores como Yang es encontrar una manera de conseguir que otras plantas hagan este mismo almacenamiento de carbono nocturno. Gracias a la secuenciación de varios genomas de diferentes plantas CAM, los investigadores están empezando a entender mejor el funcionamiento de la vía metabólica.

"Tenemos muy buena idea de qué genes son importantes para las especies CAM", dijo Yang. "En este momento, estamos trabajando en ver cómo esos genes se relacionan, y luego pondremos a prueba su eficacia."

Plantas más resistentes para un problema creciente de alimentación mundial 

Si tienen éxito y las plantas CAM son lo suficientemente productivas, la investigación podría tener un impacto significativo en la seguridad alimentaria mundial. Las temperaturas irán creciendo a lo largo del siglo debido al cambio climático causado por el hombre, y el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) predice que habrá más sequías, y más severas. Al mismo tiempo, se espera que la población mundial supere los 9.000 millones de personas, poniendo más presión sobre los recursos hídricos disponibles. En estas condiciones, tener plantas que puedan producir alimentos para seres humanos y animales con menos agua, así como fibras y combustible, será muy importante.

El gobierno federal está interesado también en aplicaciones para biocombustibles. Yang es parte de un proyecto de investigación de cinco años financiado por el Departamento de Energía, que busca incorporar la vía fotosintética CAM en cultivos bioenergéticos. Su laboratorio se centra específicamente en el álamo, un árbol de crecimiento rápido utilizado por su biomasa leñosa. La subvención de $14.3 millones de dólares se divide entre cinco instituciones de los Estados Unidos y Reino Unido, con $6,3 millones para el Oak Ridge National Laboratory; la Universidad de Tennessee en Knoxville, y la Universidad de Newcastle. Otro sub-equipo que incluye a la Universidad de Nevada en Reno, y la Universidad de Liverpool recibió $7,6 millones en financiamiento.

Reciéntemente, 51 investigadores de nueve países diferentes co-publicaron un artículo en la sección Viewpoints de la revista New Phytologist's, en el que esbozaban en términos generales qué se necesita para seguir desarrollando la ingeniería CAM. Yang fue el autor principal del artículo. Dijo que la "hoja de ruta" estaba dirigida a los científicos que estudian la CAM, pero también a un público más general con el objetivo de dar a conocer la investigación. Los autores también analizaron cómo las plantas CAM ya existentes, podrían convertirse en grandes cultivos.

La investigación sobre las plantas CAM es parte de un esfuerzo internacional más amplio para identificar y, finalmente diseñar, los rasgos genéticos que permitan a las plantas ser más resistentes a la sequía. En un estudio publicado en la revista Plant Cell el mes pasado, investigadores de la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur encontraron un importante factor de transcripción (NAC016) en la planta modelo Arabidopsis thaliana, que activa la respuesta de estrés por sequía. Según el autor principal del estudio, Nam-Chon Paek, los hallazgos podrían dar una idea de cómo desarrollar plantas resistentes a la sequía ya sea a través de cultivos convencionales o de biotecnología.

Por su parte, los investigadores de la Universidad Estatal de Kansas publicaron un estudio mostrando que ciertas marcas genéticas específicas asociadas a la adaptación, podían predecir cómo diferentes variedades de sorgo responderían a tensiones ambientales como la sequía.

"Este es un enfoque que nos permite mirar a las variedades en un banco de genes de cultivos y decir, 'Hey, hay algo útil en esta variedad'", dijo Geoffrey Morris, profesor asistente de agronomía en KSU y autor principal del estudio.

El estudio no conecta genética vegetal con rasgos específicos; más bien, se basa en una asociación entre la ubicación geográfica y ciertos marcadores genómicos, dijo.

"Lo que estamos buscando es el uso a corto plazo. La mayoría de los laboratorios genéticos de cultivos pueden aprovecharse de esto", dijo Morris, agregando que la investigación en ingeniería CAM es mucho más especializada y podría tardar muchos años en completarse.

Aunque los investigadores CAM no pueden decir con certeza cuánto tiempo tardarán en desarrollar una vía CAM en una planta C3 o C4, Yang dijo que conceptualmente, al menos, su enfoque era el mejor.

La evolución puso su parte 

"La evolución ya nos dio la respuesta: CAM evolucionó para ser el más eficiente (en agua)", dijo.

A diferencia de otras plantas que desarrollan sistemas de raíces más profundas o mueren durante los períodos secos, las especies CAM tienen una manera de conservar el agua “como un camello”", dijo.

Yang y sus colegas no están tratando de hacer un C3 que pueda fijar carbono como una planta CAM todo el tiempo. Están planeando crear un híbrido C3 que será capaz de cambiar a un metabolismo de ahorro de agua si se expone a la sequía o a condiciones de alta salinidad. O, como el coautor del informe John Cushman explicó, quieren hacer una planta que tendría "CAM bajo demanda."

Los investigadores se están centrando en la creación de un híbrido con plantas C3 porque las plantas CAM evolucionaron de ellas hace entre 10 y 30 millones de años, según Cushman, que es profesor en el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Nevada (Reno) y parte del proyecto de investigación de cinco años. Antes de que esto suceda, todavía hay una gran cantidad de investigaciones para hacer, dijo.

"Las vías son muy complejas;  no queremos rediseñar algo hasta que no tengamos un buen sentido del plan ", dijo. "La forma en que estas vías han evolucionado, el conjunto de genes implicados... no creemos que algunos cambios pequeños sean suficientes."

Hasta el momento, no está claro cuantos genes están involucrados en la CAM. La adición de una nueva vía metabólica para plantar especies será un proceso complicado, pero las plantas CAM comparten una gran cantidad de componentes moleculares y genes con las plantas C3 y C4, que pueden ayudar a facilitar el proceso, dijo Yang.

Una de las razones para el optimismo es que estas plantas doblemente capaces ya existen en la naturaleza. Clusia pratensis es lo que se conoce como CAM-facultativa. Con la precipitación normal, la planta panameña toma CO2 durante el día, actuando como una planta C3. Pero durante los períodos secos, empieza a tomar el CO2 en la noche.

"Este es el ejemplo perfecto de que [C3 y CAM] pueden coexistir en una sola planta", dijo Yang. "Esa especie es como mágica."

Clusia pratensis no es la única planta CAM-facultativa. Cushman estudia la Mesembryanthemum crystallinum, también conocida como la planta del hielo común. La investigación ha ayudado a mostrar qué genes son reclutados en la CAM, aunque el enfoque puede no ser uniforme de especie a especie.

Idealmente, la mejor planta C3 a utilizar en ingeniería CAM sería una que ya tuviera el genoma secuenciado en su totalidad, se pueda transformar fácilmente, tuviera un gran impacto en la producción de alimentos o biocombustibles, y no sea actualmente capaz de prosperar en zonas secas.

Durante los dos años restantes de la subvención del DOE, los investigadores trabajarán para transferir CAM en el álamo y la planta modelo Arabidopsis thaliana.

"Empezaremos poco a poco trabajando con el metabolismo básico, y luego iremos hacia el exterior", dijo Cushman.

Con el tiempo, si tienen éxito con la transferencia de CAM a las plantas C3, los investigadores también podrían añadir CAM a plantas C4 como el maíz y el sorgo para aumentar su eficiencia en consumo de agua, escribieron los autores del informe.

 

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