El descubrimiento de un gen ‘Booster’ que mejora la fotosíntesis podría revolucionar los cultivos

El estudio titulado 'An orphan gene BOOSTER enhances photosynthetic efficient and plant productivity', se publicó en Developmental Cell y fue una colaboración entre el Centro de Innovación en Bioenergía y Bioproductos Avanzados de la Universidad de Illinois y el Centro de Innovación en Bioenergía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en California.

Los investigadores se centraron en el Populus trichocarpa, también conocido como álamo negro, que crece desde Baja California hasta el norte de Canadá. En los álamos, este gen permitió un incremento sustancial en la altura de las plantas al optimizar la captación de energía solar y mejorar la asimilación de carbono. 

Esta especie se considera a menudo un candidato prometedor para producir biocombustibles y otros materiales útiles. Fue aquí donde los investigadores encontraron Booster, un gen quimérico que surgió de varias piezas genéticas combinadas en una sola.

¿De dónde proviene el gen Booster?

Booster se desarrolló como una combinación de tres secuencias genéticas originalmente separadas. Una provino de una bacteria que vive en la zona de la raíz del árbol, otra de una hormiga asociada con un hongo que infecta al árbol y otra de la subunidad grande de una proteína llamada RUBisCO (La RuBP oxigenasa-carboxilasa).

La fotosíntesis es el proceso vital mediante el cual las plantas convierten la luz solar en energía química. Mejorar esta función no solo implica un mayor crecimiento, sino también un uso más eficiente de los recursos como el agua y los nutrientes, algo especialmente relevante para cultivos como el cannabis, que requieren un control cuidadoso de las condiciones ambientales.

Los cloroplastos son las principales estructuras celulares que albergan el aparato fotosintético que convierte la energía luminosa en energía química que alimenta el crecimiento de las plantas. En concreto, la proteína RuBisCO captura el dióxido de carbono de la atmósfera. 

Los científicos llevan años trabajando en formas de aumentar la cantidad de RuBisCO en las plantas para lograr un mayor rendimiento de los cultivos y una mayor absorción del CO2 atmosférico. Y cuando el equipo animó a los álamos a expresar el gen Booster con más fuerza, 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 por las hojas, hasta un 37% más de crecimiento en pruebas de campo, un 88% más de volumen de tallo y, en condiciones controladas de invernadero, alturas hasta un 200% más altas.

Al probar el mismo gen en la Arabidopsis, una pequeña planta con flores, se aumentó su biomasa y mejoró su producción de semillas en un 50%. La Arabidopsis thaliana es la planta más estudiada del mundo a nivel genético y fisiológico, ya que se encuentra distribuida por todos los continentes, adaptada al hábitat en el que vive, lo que implica una interesante variabilidad genética de sus poblaciones silvestres. Aprovechar esta variabilidad genética puede ser de gran ayuda para entender procesos relacionados con la tolerancia a estreses ambientales. 

Además, los genes quiméricos conservados, como Booster, suelen descartarse por considerarlos artefactos evolutivos no funcionales que ya no influyen en los procesos de las plantas. Pero aquí demostraron exactamente lo contrario: esta validación molecular y fisiológica confirmó que Booster mejora la fotosíntesis para que las plantas rindan mejor en condiciones de luz constantes y fluctuantes.

En esta foto de julio de 2024, Biruk Feyissa, de ORNL, a la izquierda, sostiene un álamo de cinco meses que expresa altos niveles del gen Booster, mientras que su colega Wellington Muchero sostiene un árbol de la misma edad con una menor expresión del gen. Credit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy

¿Por qué es importante todo esto?

Tanto el álamo negro como la Arabidopsis pertenecen a un grupo conocido como plantas C3, que incluye cultivos alimentarios conocidos como la soja, el arroz, el trigo y la avena. Y si Booster funciona de manera similar en estas otras plantas, los agricultores podrían lograr una mayor producción sin necesidad de más tierra, agua o fertilizantes.

Los científicos están estudiando ahora la posibilidad de poner a prueba estos hallazgos en distintos lugares y durante períodos más prolongados, pues al probar el gen Booster en diferentes entornos, podrán ver qué tan bien se comporta y qué tipo de resultados ofrece a largo plazo.

Este 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 adaptaron a su entorno. En este caso, el intercambio de ADN con organismos asociados cambió un proceso biológico de manera fundamental.

Existe interés en ver si aparecen resultados similares 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 forma sencilla de mejorar el crecimiento de las plantas. Y plantas más productivas que utilicen los recursos de manera eficiente ayudarían a satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos sin sobrecargar las tierras agrícolas existentes, y eso, literalmente, cambiaría todo.

Posibles aplicaciones en el cultivo de cannabis

Aunque el estudio se centró en los álamos, las implicaciones del descubrimiento del gen Booster podrían extrapolarse al cannabis y al cáñamo industrial. Estas plantas comparten muchas similitudes metabólicas y fisiológicas con los álamos, especialmente en lo que respecta a la captación de luz y la eficiencia del crecimiento.

En el cultivo de cannabis, la altura y el vigor de las plantas son factores clave tanto para la producción de biomasa en el cáñamo como para el rendimiento de flores en las variedades destinadas al consumo recreativo o medicinal. Si se lograra implementar el gen Booster en el cannabis, podría generar plantas más robustas, con mayores rendimientos y menos dependencia de condiciones ambientales óptimas.

Además, el cáñamo tiene la capacidad de capturar grandes cantidades de carbono atmosférico, lo que ya lo posiciona como un cultivo amigable con el medio ambiente. Con la introducción del gen Booster, esta capacidad podría potenciarse, convirtiéndolo en un recurso clave para mitigar el cambio climático.

En el caso del cannabis destinado al consumo medicinal o recreativo, la optimización de la fotosíntesis podría tener un impacto directo en la producción de cannabinoides y terpenos. Al maximizar la eficiencia metabólica, las plantas podrían generar mayores concentraciones de estos compuestos, mejorando la calidad y el valor del producto final.

Desafíos de la implementación

Aunque las ventajas potenciales son enormes, también existen desafíos significativos. La aplicación del gen Booster en cannabis requeriría investigaciones extensas para garantizar que el gen sea compatible con las características específicas de esta planta. Además, el desarrollo de variedades genéticamente modificadas podría enfrentarse a barreras regulatorias en muchos países, donde las leyes sobre organismos modificados genéticamente son estrictas.

Otro factor a considerar es la aceptación del mercado. Muchos consumidores de cannabis, especialmente aquellos que buscan productos orgánicos o naturales, podrían mostrarse reticentes a comprar productos derivados de plantas genéticamente modificadas. Por lo tanto, sería esencial acompañar estos desarrollos con campañas educativas que expliquen los beneficios y los inconvenientes de estas innovaciones.

Lo que está claro es que en un mundo donde la demanda de alimentos no deja de crecer, avances como el del gen Booster podrían ser la clave para satisfacer las necesidades de los consumidores y enfrentar los desafíos del futuro, donde la optimización de recursos será clave para que la humanidad salga victoriosa de los retos del cambio climático a los que nos enfrentamos.