Los científicos han identificado un gen estimulante en una especie de álscista que puede ayudar a ciertas plantas a crecer exponencialmente más alto y producir más materia vegetal.
Encontraron este gen después de estudiar árboles cultivados en diferentes ambientes y notaron grandes diferencias en la rapidez con la que brotaron.
El gen, al que llamaron Booster, llamó su atención con sus orígenes inusuales y su vínculo directo con un crecimiento más fuerte y un mejor uso de la luz solar.
El gen puede aumentar la altura de los árboles en alrededor de un 30% en las condiciones de campo y hasta en un 200% en un entorno de invernadero, lo que indica una posible ruta hacia plantas más saludables y productivas.
Encontrar plantas. Gene Booster
El estudio fue dirigido en parte por Stephen Long en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y Jerry Tuskan en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
Este descubrimiento podría cambiar el juego en términos de una gran estimulación de la fotosíntesis y la productividad de las plantas, explicó Stephen Long.
Se centraron en Populus trichocarpa, también conocida como algodón negro, que crece desde Baja California hasta el norte de Canadá.
Esta especie se considera a menudo una candidata prometedora para producir biocombustibles y otros materiales útiles.
Fue aquí donde los investigadores encontraron a Booster, un gen quimérica que surgió de varias piezas genéticas combinadas en una.
De dónde Boostervino el gen Booster?
Booster se desarrolló como una combinación de tres secuencias genéticas originalmente separadas.
Uno provenía de una bacteria que vivía en la zona radial del árbol, otra de una hormiga asociada con un hongo que infecta el árbol, y otro de la gran subunidad de una proteína llamada Rubisco.
Rubisco juega un papel clave en la captura de dióxido de carbono durante la fotosíntesis. Cuando el equipo animó a los álamos a expresar más fuertemente a Booster, los resultados fueron sorprendentes.
Los árboles mostraron hasta un 62% más de contenido de Rubisco, alrededor de un 25% de aumento en la absorción neta de dióxido de carbono de hoja, hasta un 37% de crecimiento más alto en las pruebas de campo, 88% más de volumen de tallo, y, en condiciones controladas de invernadero, alturas de hasta 200% más altas.
En esta foto de julio de 2024, ORNLás Biruk Feyissa, a la izquierda, sostiene un árbol de álcmeno de cinco meses que expresa altos niveles del gen Booster, mientras que la entonces liga a Wellington Muchero tiene un árbol de la misma edad con menor expresión del gen. Crédito: Genevieve Martin/ORNL, EE.UU. Departamento de Energía
Probando el mismo gen en Arabidopsis, una pequeña planta de floración, aumentó su biomasa y mejoró su producción de semillas en un 50%.
Los genes quiméricos conservados como Booster a menudo son ignorados como artefactos no funcionales y evolutivos que ya no influyen en los procesos de las plantas. Pero aquí demostramos justo lo contrario, explicó el Biruk Feyissa de ORNL.
Nuestra validación molecular y fisiológica confirmó que Booster mejora la fotosíntesis para que las plantas funcionen mejor en condiciones de luz estables y fluctuantes.
Por qué algo de esto importa?
Tanto la madera de algodón negro como la Arabidopsis pertenecen a un grupo conocido como plantas C3. Este grupo incluye cultivos alimentarios conocidos como soja, arroz, trigo y avena.
Si Booster trabaja de manera similar en estas otras plantas, entonces los agricultores podrían lograr una mayor producción sin necesidad de más tierra, agua o fertilizantes.
El crecimiento de cultivos de bioenergía perenne y de alto rendimiento en tierras marginales inadecuadas para la agricultura convencional puede ayudarnos a satisfacer la creciente demanda de biocombustibles líquidos para sectores difíciles de electrificar como la aviación, señaló Tuskan.
Los científicos están ahora buscando poner a prueba estos hallazgos en varios lugares durante períodos más largos. Al probar Booster en diferentes ambientes, pueden ver lo bien que se sostiene y qué tipo de resultados ofrece a largo plazo.
El descubrimiento abre una nueva vía de pensamiento científico. Tendemos a pensar en la fotosíntesis como un proceso difícil de mejorar.
Pero de hecho, la maquinaria molecular que rodea la fotosíntesis ha seguido evolucionando a medida que las plantas se adaptan a su entorno.
En este caso, el intercambio de ADN con organismos asociados cambió un proceso biológico de una manera fundamental.
Detección y percepciones genéticas
Durante años, los científicos del CBI estudiaron los álamos como una fuente constante de material vegetal que no compite directamente con los cultivos alimentarios.
Llevaron a cabo un estudio de asociación en todo el genoma, recogiendo muestras de unos 1.500 árboles silvestres y examinando su composición genética.
Identieron más de 28 millones de polimorfismos de nucleótidos únicos para ayudar a identificar genes relacionados con el crecimiento, el contenido de carbono y nitrógeno, la lignina y el uso más eficiente del agua.
A partir de ahí, buscaron genes involucrados en el apagado fotosintético, un proceso clave en el manejo de cambios en la luz solar.
Científicos del CABBI probaron álpado en jardines de pruebas en Davis, California. El análisis molecular mostró entonces que Booster se vinculó a genes que influyen en cómo las plantas manejan el flujo de energía en condiciones de luz cambiantes.
Los investigadores utilizaron muchos recursos tecnológicos de última generación, beneficiándose de técnicas de cribado a gran escala que les permitieron medir los rasgos físicos de manera rápida y precisa.
Qué sigue para Booster y los genes de las plantas?
Para resumir todo, este descubrimiento demuestra cómo un trabajo en equipo cercano en todas las instituciones puede ayudar a descubrir rasgos genéticos útiles que podrían haber pasado desapercibidos.
Con el apoyo continuo del Programa de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía, estos centros explorarán el potencial de Booster en una amplia gama de condiciones y especies de plantas.
Hay interés en ver si resultados similares aparecen en otros cultivos importantes para la economía y la producción de energía.
Si los esfuerzos continúan y producen un éxito constante, Booster podría proporcionar una manera sencilla de mejorar el crecimiento de las plantas.
Las plantas más productivas que utilizan los recursos eficientemente ayudarían a satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos sin tensar las tierras de cultivo existentes, y eso cambiaría, literalmente, todo.
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Este trabajo proviene de investigadores de dos Centros de Investigación de Bioenergética del Departamento de Energía: el Centro para la Innovación en Bioenergía (CBI) del Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI) de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign
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