Cómo hacer que el maíz se parezca más a un cactus

El verano pasado, una sequía generalizada en Estados Unidos redujo el rendimiento de los cultivos hasta en un tercio pues el maíz, el trigo, la cebada y otras plantas sufrieron el impacto de tener demasiado calor y muy poca agua. Es un escenario que probablemente se hará cada vez más frecuente a medida que el cambio climático convierta gran parte del mundo en un lugar más cálido y seco.

Los científicos están tratando de enseñar a cultivos antiguos algunos trucos nuevos que les permitan prosperar en estas condiciones más duras —recurriendo a secretos que residen en plantas como las piñas, las orquídeas y los agaves—. Estas y otras plantas han modificado la fotosíntesis de tal forma que les permite prosperar cuando hace calor y el ambiente es seco, e incluso resistir periodos extremos de ausencia de agua.

Muchas orquídeas, por ejemplo, viven en los recovecos de los árboles, donde solo reciben el agua que proviene de lluvias esporádicas; mientras que otros, como los agaves, prosperan en los suelos rocosos de las praderas desérticas. Si los científicos pudieran diseñar plantas de cultivo como el arroz y el trigo para que se parecieran más a estas especies resistentes al calor, podrían cultivarse en tierras que ahora no pueden explotarse. Los investigadores afirman que, en las condiciones adecuadas, el rendimiento de algunos cultivos podría aumentar en un 50 % o más.

Aún faltan años para que ese trabajo esté completado, pero podría ser vital. Se prevé que el cambio climático cause más sequías y haga menos productivas las tierras de cultivo. Al mismo tiempo, el número de personas que el mundo necesita alimentar aumentará de 8.000 millones a 10.000 millones a finales de este siglo.

“Cada vez es más evidente que el cambio climático será un gran desafío”, afirma Xiaohan Yang, biólogo molecular vegetal del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Tennessee. “Estas plantas son una solución natural para mitigar el cambio climático”.

El problema con la fotosíntesis

Tradicionalmente, la mejora de los cultivos se ha centrado en rasgos como el tamaño de la planta, su resistencia a las plagas o la duración del período de crecimiento. Pero en los últimos años, los científicos se han enfocado en la fotosíntesis, el proceso que hace que las plantas crezcan y que, en última instancia, hace posible casi toda la vida en la Tierra.

La fotosíntesis emplea luz solar, agua y dióxido de carbono para producir azúcares y otras moléculas que necesitan las plantas. Pero en ambientes secos o calurosos, la doble necesidad de agua y dióxido de carbono plantea un dilema: para dejar entrar el dióxido de carbono, las plantas deben mantener abiertos pequeños poros en sus hojas. Pero esos mismos poros también dejan salir el vapor de agua. Cuando hace calor y está seco, esto puede provocar una pérdida mortal de agua, una fotosíntesis ineficaz o ambas cosas.

Sin embargo, la fotosíntesis se realiza en dos etapas principales, lo que ofrece a los científicos un espacio para maiobrar. En la primera parte de la fotosíntesis, denominada “reacciones luminosas”, la planta capta los fotones del sol. El objetivo principal de esta etapa es crear moléculas que almacenen energía para alimentar las reacciones de la etapa siguiente. Es algo así como llenar el depósito de gasolina para estar listos.

La segunda etapa del proceso, las “reacciones oscuras”, no requiere luz. Una enzima llamada rubisco capta el dióxido de carbono que ha entrado en la hoja y lo une a una molécula conocida como RuBP. La energía solar capturada y almacenada anteriormente se utiliza para alimentar las reacciones que crean un azúcar simple a partir del carbono. La planta puede utilizar los azúcares para fabricar moléculas más complejas.

Esta versión de la fotosíntesis es la que utilizan el 85 % de las plantas, incluidos la mayoría de los árboles y los principales cultivos alimentarios —arroz, trigo, soya, y otros—. Estas plantas se denominan C3 porque producen una molécula de tres carbonos en uno de los primeros pasos de la fotosíntesis.

Aunque solo la primera parte de la fotosíntesis requiere luz, en la mayoría de las plantas ambas partes del proceso —incluida la captación de CO₂— ocurren al mismo tiempo, mientras brilla el sol. Si hace calor, los poros de la hoja permanecen abiertos y pierden agua, o se cierran e impiden el acceso al CO₂ del aire. Si los poros se cierran, la concentración de CO₂ en el interior de la hoja disminuye, por lo que hay menos CO₂ para la fotosíntesis. Peor aún, puede complicar mucho las cosas —porque la enzima rubisco empieza a absorber oxígeno en su lugar—. Esto desencadena un proceso de consumo excesivo llamado fotorrespiración, durante el cual la planta tiene que desechar parte del carbono que ha recogido con tanto esfuerzo. La fotorrespiración puede reducir la eficacia de fijación del carbono en un 40 %, lo que atrofia las plantas.

Las plantas han descubierto dos formas ligeramente distintas de sortear el problema y los científicos esperan poder explotar ambas. Algunas plantas utilizan un proceso llamado metabolismo ácido de las crasuláceas, o CAM: captan CO₂ durante la noche, cuando hace relativamente poco calor, y lo concentran y almacenan hasta que pueden utilizarlo durante el día para producir azúcares. Otras plantas —conocidas como C4— concentran y almacenan el dióxido de carbono en células especializadas, evitando así la derrochadora fotorrespiración.

En ambos casos, estas plantas han separado la parte de la fotosíntesis que capta el dióxido de carbono del aire de la parte del proceso en la que la rubisco capta el CO₂ y comienza el proceso de convertirlo en azúcar. Las plantas CAM separan los procesos según la hora del día, y las plantas C4 los separan físicamente en distintas partes de la planta.

Estas adaptaciones ayudan a las plantas de dos formas. En primer lugar, ahorran agua, permitiendo que la planta se las arregle con menos. Igual de importante es que, al limitar el despilfarro de la fotorrespiración, les permite crecer más con la misma cantidad de nutrientes.

La estrategia CAM

El proceso CAM debe su nombre a Crassulaceae, la familia de plantas suculentas en la que se observó por primera vez. La estrategia, con su paso extra, evolucionó hace unos 20 millones de años.

Las plantas CAM abren los poros de sus hojas, llamados estomas, por la noche, cuando está relativamente fresco. Entonces, en lugar de utilizar la rubisco, la enzima captadora de CO₂ de la que dependen las plantas C3, las CAM utilizan una enzima llamada fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa para capturar CO₂. A diferencia de la rubisco, la PEP es muy específica para el CO₂ y no capta el oxígeno. La planta convierte el CO₂ en una sustancia química llamada malato y lo guarda durante la noche en un armario celular llamado vacuola.

Cuando sale el sol, las plantas CAM pueden cerrar sus estomas para conservar agua porque ya tienen carbono almacenado en la vacuola. Ese carbono puede volver a convertirse en CO₂ y ser utilizado por la rubisco para construir las moléculas que necesita la planta.

Muchos científicos creen que la CAM es un objetivo prometedor para la ingeniería. Debido a que CAM ha evolucionado de forma independiente, muchas veces en muchas plantas diferentes, no debería haber un obstáculo fundamental para inducir este proceso en plantas que no son CAM, escriben Katharina Schiller y Andrea Bräutigam en el Annual Review of Plant Biology de 2021.

De hecho, CAM parece usar enzimas y otra maquinaria molecular que ya se encuentran en las plantas C3 —solo que las emplean de manera diferente en momentos distintos—. Esto sugiere que es posible readaptar el propósito de genes ya existentes en plantas normales para convertirlas en plantas CAM.

Las complejidades de CAM

Pero esto es más fácil decirlo que hacerlo. Para crear una planta CAM, los investigadores tendrían que crear vías bioquímicas no solo para producir malato por la noche, sino también para transportarlo por la célula y liberar el CO₂ en el momento adecuado.

Por ahora, los científicos siguen trabajando para entender el proceso CAM lo suficientemente bien como para controlarlo. Ha sido un trabajo minucioso de muchas décadas, y aún quedan preguntas sin responder. Gran parte de los conocimientos actuales proceden del estudio de la yerba del rocío —también conocida como escarcha o hielito— (Mesembryanthemum crystallinum), que es capaz de pasar del metabolismo C3 al CAM. Estudiando las diferencias entre ambos metabolismos, los científicos han podido descifrar muchos de los procesos que deben ponerse en marcha para que funcione la CAM. Y el diablo está en los detalles.

Por ejemplo, los científicos habían identificado 13 enzimas y proteínas reguladoras que parecían estar implicadas en el almacenamiento de CO₂ en forma de malato y su posterior liberación. Para entender mejor el papel de cada una de ellas, el biólogo molecular de plantas John C. Cushman, de la Universidad de Nevada, Reno, y sus colegas insertaron los genes de cada una en una planta no CAM: la Arabidopsis thaliana, la rata de laboratorio de la ciencia de las plantas. Después midieron qué diferencia aportaba cada gen. También midieron en qué parte de las células se ponían a trabajar las proteínas reguladoras y las enzimas.

La mayoría de los genes implicados en la producción de malato aumentaba el malato, al menos un poco, cuando se activan de uno en uno. Y la mayoría de los implicados en cambiar el malato de vuelta al CO₂ lo disminuía, reportó el equipo en 2019 en Frontiers in Plant Science.

Cushman y sus colegas también se han enfocado en otra característica de las plantas CAM: el grosor de sus hojas. Muchas tienen hojas gruesas y carnosas, un rasgo llamado suculencia que les ayuda a retener y almacenar agua (piense en el tallo de un cactus, o en las hojas de una planta de jade o una orquídea). El rasgo parece ser importante, ya que la suculencia haría más eficiente el proceso CAM, ayudando a la hoja a retener el CO₂ almacenado. Utilizando genes de uvas de vino que hacen que la fruta se vuelva carnosa y madure, los investigadores han aumentado la suculencia de la Arabidopsis thaliana, creando hojas que almacenan más agua de lo normal.

Con tantos mecanismos complicados que es necesario coordinar, aún queda mucho trabajo por hacer. Schiller y Bräutigam señalan que no basta con saber qué genes deben activarse para conseguir la producción de determinadas enzimas. Los genes también tienen que activarse en los lugares y momentos adecuados, y producir la cantidad correcta de proteínas.

“Yo diría que, dentro de cinco años, deberíamos tener una idea bastante clara de si esto va a funcionar o no”, afirma Cushman.

Yang, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, es optimista respecto a que la ingeniería CAM pueda funcionar porque la evolución ha dado con la misma solución muchas veces de forma independiente. Con tiempo y esfuerzo suficientes, afirma, la biología sintética y la edición del genoma podrán reproducir el proceso.

Así lo hace el maíz

Otro método para que la fotosíntesis continúe funcionando con eficiencia incluso cuando hace calor y hay sequía consiste en introducir rasgos C4 en las plantas C3. Muchos de nuestros cultivos de cereales ya son plantas C4, como el maíz, la caña de azúcar y el sorgo, y las evidencias sugieren que este rasgo ha evolucionado de forma independiente más de 60 veces. (C4 recibe su nombre de una molécula de cuatro carbonos producida por las plantas durante la fotosíntesis, en comparación con la molécula de tres carbonos producida por las plantas C3).

Las plantas C4 también convierten el CO₂ en malato fácil de almacenar antes de enviarlo a la línea de ensamblaje para producir azúcares. Además, las plantas C4 han desarrollado una anatomía de hoja particular: agrupan dos tipos de células foliares —las células del mesófilo y las células del haz vascular— en círculos concéntricos. El dióxido de carbono entra en las células del mesófilo, igual ocurre en las plantas C3. Pero en las plantas C4, la enzima rubisco solo está en las células del haz vascular. Esta disposición mantiene la enzima rodeada de CO₂ y alejada del oxígeno, lo que minimiza la fotorrespiración despilfarradora.

Los poros de las plantas C4 no realizan el truco de abrirse solo por la noche y, en general, son menos eficientes en cuanto al consumo de agua que las plantas CAM, aunque son el doble de eficientes que las plantas C3. Su gran ventaja es que, al retener la rubisco en las células del haz vascular, disminuyen la fotorrespiración.

Si el arroz se convirtiera en una planta C4, “los modelos predicen que el rendimiento podría aumentar en un 50 %; la eficiencia en el uso del agua mejoraría enormemente, al igual que la eficiencia en el uso del nitrógeno”, afirma Jane Langdale, genetista de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, que dirige el Proyecto Arroz C4, un esfuerzo de varios años que vincula a varios grupos de investigación financiados por la Fundación Bill y Melinda Gates.

Hace dos años, los investigadores del proyecto introdujeron cinco genes del maíz en una planta de arroz. Estos cinco, pensaron, eran el número mínimo necesario para las reacciones básicas: convertir el CO₂ en malato y luego de nuevo en CO₂. Todos los genes produjeron las proteínas previstas y las plantas de arroz no sufrieron daño. Es más, el arroz alterado creó malato. Pero no lo convirtió de nuevo en CO₂, y los investigadores siguen intentando averiguar por qué. “Ese es el principal punto que se está estudiando en estos momentos”, afirma Langdale.

Aun así, el trabajo fue suficiente para convencer a Langdale y a sus colegas de que pueden conseguir que partes del metabolismo C4 funcionen en el arroz. Como mínimo, estarían felices de que la fotosíntesis C4 funcione junto a la C3.

CAM y C4 cara a cara

Aunque los enfoques C4 y CAM comparten similitudes, tienen diferentes fortalezas y debilidades. La CAM es relativamente más sencilla, ya que no es necesario disponer las células de las hojas de la forma especial de la C4. Y debido a que muchas plantas existentes tienen características tanto C3 como CAM, hay razones para pensar que incluso las vías CAM parciales serán beneficiosas para las plantas, dice Cushman. Además, CAM hace un uso del agua más eficiente.

Por otro lado, el C4 tiene más probabilidades de generar grandes ganancias en el rendimiento de los cultivos, al tiempo que aumenta la eficiencia en el uso del agua en comparación con las plantas C3, afirma Langdale.

“La CAM nunca ha evolucionado para aumentar el rendimiento o la biomasa. La CAM ha evolucionado como mecanismo de supervivencia en condiciones de estrés severo”, afirma la experta. “Así que no creo que se quiera introducir la CAM para aumentar el rendimiento. Pero sí se podría utilizar la CAM en tierras marginales, por ejemplo”.

Incluso es posible que se puedan hacer ambas cosas: diseñar rasgos CAM en plantas C4 como el maíz para hacerlas aún más eficientes en el uso del agua, dice Cushman.

En ambos casos, aún no está claro si es posible obtener plantas comerciales. Yang afirma que está claro que la CAM puede modificarse en plantas C3, pero aún está por verse si se obtendrán cultivos útiles. Si eso sucede, calcula que pasarán unos 10 años antes de que estén disponibles.

“El primer paso es: ¿podemos hacerlo? Creo que sí”, afirma. “Pero luego, ¿podemos optimizarlo? Esa es la siguiente pregunta”.

El proyecto del Arroz C4, por su parte, cobró impulso en 2006 con el convencimiento de que será un esfuerzo a largo plazo que requerirá mucha investigación básica. Según el calendario original, no será antes de 2039 que el proyecto pueda entregar una planta C4 activa a los cultivadores comerciales.

En la fase actual, los investigadores intentan crear un prototipo de arroz que muestre las características básicas de una planta C4, y es probable que pasen cuatro o cinco años más antes de que sepan con seguridad si el arroz C4 funcionará. Necesitan averiguar cómo hacer que la planta transforme el malato en CO₂, y les gustaría poder aumentar el tamaño de las células que rodean las venas de la hoja como paso previo a la especialización de las células del haz vascular, entre otras cosas.

“Es muy difícil de predecir. Tenemos la sensación de estar siempre a la vanguardia del desarrollo tecnológico”, afirma Langdale. “Y eso significa que damos dos pasos adelante, uno atrás, dos adelante, uno atrás —lo cual es parte de la emoción, pero también parte de la frustración—”.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld