Conversión de la fotosíntesis C3 en C4 | La segunda revolución verde está un poquito más cerca

En la década del 60 del siglo pasado, surgió la llamada ‘Revolución Verde’ basada en la selección genética de plantas de trigo y de arroz capacitadas en captar selectivamente la luz para transferir la materia producida por la fotosíntesis preferentemente a los granos, la parte comestible por los humanos. Así se logró que plantas con tallos más cortos produjeran mayor cantidad de granos.

Sin embargo, este tipo de herramienta tecnológica de mejora de rendimientos ha llegado a un amesetamiento donde parece que han dado todo lo que podían dar y, en adelante, será difícil enviar más energía de los tallos a la producción de granos, porque las plantas se quedarían sin estructura que las sostenga.

Por lo tanto, trabajando con ingeniería genética los científicos han puesto como objetivo la mejora de la eficiencia de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es el proceso en el mundo vegetal por el cual se produce materia orgánica a partir del agua y del CO2 mediante la acción luz y esto permite la liberación de oxígeno. La energía lumínica se transforma y se almacena en forma de energía química. Hace millones de años, la atmósfera terrestre tenía en su composición una mayor proporción de CO2 y menos oxígeno y ha sido el proceso de fotosíntesis lo que ha permitido lograr la atmósfera actual, que ha desarrollado la vida en la Tierra como la conocemos.

La ecuación básica de la fotosíntesis es:

6 moléculas de H2O + 6 moléculas de CO2 producen 6 moléculas de hidrato de carbono (inicialmente glucosa) y 6 moléculas de oxígeno

Existen tres tipos de fotosíntesis:

  • Fijación del carbono C3: la presentan cerca del 97% de las especies vegetales, las que producen el 75% de la materia seca vegetal de la Tierra. Ejemplos de especies de interés comercial son el trigo, el arroz, la cebada, la soja, el girasol. Las plantas C3 fijan el carbono directamente y una parte de lo producido lo pierden en días cálidos y soleados por efecto de la fotorrespiración, ya que no tienen mecanismos útiles de importancia para evitar la pérdida de materia seca por la fotorrespiración.
  • Fijación del carbono C4: este tipo de fotosíntesis lo poseen el 3% de las especies (principales: maíz, caña de azúcar, sorgo) que producen el 25% de la materia seca mundial. Este sistema de fotosíntesis es una evolución natural del C3 y es más eficiente en producir materia seca en ambientes cálidos y secos. Se encuentra en más de 19 familias de plantas con flores, especialmente gramíneas, pero C4 también existe en algunas dicotiledóneas. Las plantas C4 incorporan el CO2 en otros compuestos, como una adaptación para soportar mejor la luz solar intensa y la sequía, perdiendo menos carbono que la C3 por efecto de la fotorrespiración. Se verificó experimentalmente que al cultivar en un mismo ambiente a 30°C plantas C3 y C4, se observa que las C3 pierden unas 833 moléculas de agua por cada molécula de CO2 fijado, mientras que las C4 pierden solamente 277 moléculas de agua por molécula de CO2 fijada. O sea que las plantas C4 se destacan por usar el agua más eficientemente.
  • Fotosíntesis CAM: Las plantas CAM (del inglés Crassulaceam Acidic Metabolism) poseen un metabolismo especial. Son las Crasuláceas, especies adaptadas a las condiciones desérticas de aridez extrema; viven bajo una intensa iluminación y un déficit hídrico permanente. Sus estomas se abren durante la noche para evitar, en la medida de lo posible, la pérdida de agua por transpiración, fijando el CO2 en la oscuridad. No presentan interés productivo y su biomasa mundial es ínfima.

Atento a todo esto, un paso revolucionario que los grandes laboratorios de ingeniería genética y los organismos gubernamentales de investigación están llevando adelante es introducir la fotosíntesis C4 en plantas C3, con lo que se podrían esperar aumentos significativos de volúmenes de producción en algunos vegetales. Lograr plantas con una fotosíntesis más eficiente significa la producción de mayor cantidad de materia seca a igualdad de la cantidad de energía lumínica y agua utilizada.

En este sentido, uno de estos programas es el que lidera el Departamento de Ciencias Vegetales de la Universidad de Oxford (Gran Bretaña), que está investigando para modificar el sistema de fotosíntesis del arroz, pasando de C3 a C4, y de ser exitoso, la producción mundial de arroz se incrementará en un 50%. La tasa de mejora del rendimiento del arroz con los procedimientos tradicionales y otras herramientas de ingeniería genética actualmente utilizadas de mejoramiento vegetal es de alrededor del 1% anual, por lo que el cambio de sistema de fotosíntesis hará que se gane, de una sola vez, algo más de 40 años años de trabajos de mejoramiento. Más información en la web: https://c4rice.com.

Sin embargo, la cuestión es altamente complicada. Posiblemente el asunto más complejo que hayan debido enfrentar quienes mejoran plantas manipulando genes. Cuando hace años se comenzó a hablar de pasar de C3 a C4 se pensaba que se deberían introducir en el genoma de la especie a mejorar no menos de 10 genes y, tal vez, más de 15 genes.

El motivo de la complejidad es que la anatomía de las hojas fotosintetizadora de las plantas C4 y de las C3 son totalmente diferentes. En la mayoría de las plantas C4, las reacciones fotosintéticas ocurren en dos tipos de células dispuestas en ‘coronas’ alrededor de venas poco espaciadas, un arreglo denominado anatomía de Kranz (su descubridor).

Uno de los principales desafíos de los proyectos para pasar de C3 a C4 es convertir la anatomía de la hoja fotosintetizadora en una anatomía Kranz.

¿Cuál es la última novedad?

Los investigadores de Oxford han publicado un trabajo donde informan cómo dieron el primer paso hacia una anatomía ‘proto-Kranz’. Este tipo de anatomía es la primer etapa que dieron las especies vegetales C3 en la evolución natural antes de llegar a la anatomia Kranz.

En Oxford introdujeron un solo gen de maíz conocido como GOLDEN2-LIKE en las plantas de arroz, lo cual tuvo el efecto de aumentar el volumen de cloroplastos y mitocondrias funcionales en las células de la vaina que rodean las venas de las hojas, imitando los rasgos observados en las especies de anatomía proto-Kanz que ya se encuentran distribuidas naturalmente.

La ruta C4 es una evolución natural de la C3 y los investigadores han dado apenas el primer paso de lo que suponen sucedió naturalmente. Es más, esto es tan complejo que se calcula que los pasos que se dieron en la Naturaleza para evolucionar de C3 a C4 son unos 60.

Lo que viene es construir sobre eso y encontrar los genes correctos para modificar y completar los pasos restantes en el proceso evolutivo. La nueva revolución verde se acerca, pero no está próxima.

El trabajo mencionado arriba se puede consultar en:

Re-creation of a key step in the evolutionary switch from C3 to C4 Leaf Anatomy
Autores: Peng Wang y colegas.