El 11 de abril, el MIT anunció cinco proyectos emblemáticos plurianuales en los primeros Grandes Desafíos Climáticos , una nueva iniciativa para abordar problemas climáticos complejos y brindar soluciones innovadoras al mundo lo más rápido posible. Este artículo es el cuarto de una serie de cinco partes que destaca los conceptos más prometedores que surgieron de la competencia y los equipos de investigación interdisciplinarios detrás de ellos.

El impacto de nuestro clima cambiante en la agricultura y la seguridad alimentaria, y cómo la agricultura contemporánea contribuye al cambio climático, está al frente del proyecto multidisciplinario del MIT " Revolucionando la agricultura con cultivos resilientes y bajos en emisiones ". El proyecto El proyecto es uno de los cinco ganadores insignia del concurso Climate Grand Challenges y reúne a investigadores de los departamentos de Biología, Ingeniería Biológica, Ingeniería Química e Ingeniería Civil y Ambiental.

“La investigación de nuestro equipo busca abordar dos desafíos conectados: primero, la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero que producen los fertilizantes agrícolas; en segundo lugar, el hecho de que los rendimientos de muchos cultivos agrícolas actuales disminuirán debido a los efectos del cambio climático en el metabolismo de las plantas”, dice el líder de la facultad del proyecto, Christopher Voigt, profesor Daniel IC Wang en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. “Estamos llevando a cabo seis proyectos interdisciplinarios que son clave para nuestro objetivo general de desarrollar métodos de bajas emisiones para fertilizar plantas que están diseñadas mediante bioingeniería para que sean más resistentes y productivas en un clima cambiante”.

Los miembros del Instituto Whitehead Mary Gehring y Jing-Ke Weng, biólogos de plantas que también son profesores asociados en el Departamento de Biología del MIT, liderarán dos de esos proyectos.

Promoción de la resiliencia de los cultivos

Durante la mayor parte de la historia humana, el cambio climático se produjo de forma gradual, a lo largo de cientos o miles de años. Ese ritmo permitió que las plantas se adaptaran a las variaciones de temperatura, precipitación y composición atmosférica. Sin embargo, el cambio climático provocado por el hombre ha ocurrido mucho más rápido y las plantas de cultivo han sufrido: los rendimientos de los cultivos han disminuido en muchas regiones, al igual que el contenido de proteínas de las semillas en los cultivos de cereales.

“Si queremos asegurar un suministro abundante de alimentos nutritivos para el mundo, necesitamos desarrollar mecanismos fundamentales para la bioingeniería de una amplia variedad de plantas de cultivo que serán abundantes y nutritivas frente a nuestro clima cambiante”, dice Gehring. En su trabajo anterior, demostró que muchos aspectos de la reproducción de las plantas y el desarrollo de las semillas están controlados por la epigenética, es decir, por información fuera de la secuencia del ADN. Ha estado utilizando ese conocimiento y los métodos de investigación que ha desarrollado para identificar formas de crear variedades de plantas productoras de semillas que sean más productivas y resistentes que los cultivos alimentarios actuales.

Pero la biología de las plantas es compleja, y si bien es posible desarrollar plantas que integren rasgos que mejoren la robustez mediante la combinación de cepas parentales diferentes, los científicos aún están aprendiendo cómo garantizar que los nuevos rasgos se transmitan de una generación a la siguiente. "Las plantas que portan las características que mejoran la robustez tienen vigor híbrido y creemos que la perpetuación de esas características está controlada por la epigenética", explica Gehring. "En este momento, algunos cultivos alimentarios, como el maíz, pueden diseñarse para beneficiarse de vigor híbrido, pero esos rasgos no se heredan. Es por eso que los agricultores que cultivan muchas de las variedades de maíz más productivas de la actualidad deben comprar y plantar nuevos lotes de semillas cada año. Además, muchos cultivos alimentarios importantes aún no se han dado cuenta de los beneficios del vigor híbrido”.

El proyecto que dirige Gehring, “Desarrollo de la producción de semillas clonales para arreglar el vigor híbrido”, tiene como objetivo permitir que las plantas de cultivos alimentarios creen semillas que sean más robustas y genéticamente idénticas a las de los padres y, por lo tanto, capaces de transmitir rasgos beneficiosos de generación en generación.

El proceso de producción clonal (o asexual) de semillas que son genéticamente idénticas al progenitor materno se denomina apomixis. Gehring dice: “Debido a que la apomixis está presente en 400 especies de plantas con flores, aproximadamente el 1 por ciento de las especies de plantas con flores, es probable que los genes y las vías de señalización necesarias para la apomixis ya estén presentes en las plantas de cultivo. Nuestro desafío es modificar esos genes y vías para que la planta cambie la reproducción de sexual a asexual”.

El proyecto aprovechará el hecho de que existen genes y vías relacionados con el desarrollo asexual autónomo del endospermo (el tejido nutritivo de una semilla) en la planta modelo Arabidopsis thaliana . En un trabajo anterior sobre Arabidopsis , el laboratorio de Gehring investigó un gen específico que, cuando está mal regulado, impulsa el desarrollo de un material asexual similar al endospermo. “Normalmente, esa semilla no sería viable”, señala. “Pero creemos que mediante el ajuste epigenético de la expresión de genes relevantes adicionales, permitiremos que la planta retenga ese material y ayudaremos a lograr la apomixis”.

Si Gehring y sus colegas logran crear una "fórmula" de expresión génica para introducir la apomixis del endospermo en una amplia gama de plantas de cultivo, habrán logrado un logro fundamental e importante. Tal método podría aplicarse en toda la agricultura para crear y perpetuar nuevas razas de cultivos capaces de resistir sus entornos cambiantes y al mismo tiempo requerir menos fertilizantes y pesticidas.

Creando cultivos “autofertilizantes”

Aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en los Estados Unidos son producto de la agricultura. La producción y el uso de fertilizantes representan un tercio de esas emisiones e incluyen el óxido nitroso, que tiene una capacidad de atrapar calor 298 veces más fuerte que el dióxido de carbono, según un estudio de Frontiers in Plant Science de 2018 . La mayor parte de la producción de fertilizantes artificiales también consume grandes cantidades de gas natural y utiliza minerales extraídos de recursos no renovables. Después de todo eso, gran parte del fertilizante nitrogenado se convierte en escorrentía que contamina las vías fluviales locales. Por esas razones, este proyecto insignia de Climate Grand Challenges tiene como objetivo reducir en gran medida el uso de fertilizantes hechos por el hombre.

Un enfoque tentador es cultivar plantas de cultivo de cereales, que representan alrededor del 75 por ciento de la producción mundial de alimentos, capaces de extraer nitrógeno de las interacciones metabólicas con las bacterias en el suelo. Weng, del Instituto Whitehead, lidera un esfuerzo para hacer precisamente eso: modificar genéticamente cultivos como el maíz, el arroz y el trigo para, esencialmente, crear su propio fertilizante a través de una relación simbiótica con microbios fijadores de nitrógeno.

"Las legumbres como las plantas de frijoles y guisantes pueden formar nódulos en las raíces a través de los cuales reciben nitrógeno de las bacterias rizobios a cambio de carbono", explica Weng. “Este intercambio metabólico significa que las legumbres liberan muchos menos gases de efecto invernadero (y requieren mucha menos inversión de energía fósil) que los cultivos de cereales, que utilizan una gran parte de los fertilizantes nitrogenados producidos artificialmente que se emplean en la actualidad.

“Nuestro objetivo es desarrollar métodos para transferir la capacidad de autofecundación de las leguminosas a los cultivos de cereales”, dice Weng. “Si podemos, revolucionaremos la sostenibilidad de la producción de alimentos”.

El proyecto, formalmente titulado "Imitación de la simbiosis leguminosa-rizobios para la producción de fertilizantes en cereales", será un esfuerzo de cinco años en varias etapas. Se basa en los extensos estudios de Weng sobre la evolución metabólica en las plantas y su identificación de las moléculas involucradas en la formación de los nódulos de las raíces que permiten los intercambios entre las leguminosas y las bacterias fijadoras de nitrógeno. También aprovecha su experiencia en la reconstitución de rutas metabólicas y de señalización específicas en las plantas.

Weng y sus colegas comenzarán descifrando el espectro completo de procesos de señalización de moléculas pequeñas que ocurren entre las leguminosas y las bacterias rhizobium. Luego, diseñarán genéticamente un sistema análogo en plantas de cultivo que no sean leguminosas. A continuación, utilizando métodos metabolómicos de última generación, identificarán qué pequeñas moléculas excretadas de las raíces de las leguminosas provocan un intercambio de nitrógeno/carbono de la bacteria Rhizobium. Finalmente, los investigadores modificarán genéticamente la biosíntesis de esas moléculas en las raíces de las plantas que no son leguminosas y observarán su efecto sobre las bacterias Rhizobium que rodean las raíces.

Si bien el proyecto es complejo y técnicamente desafiante, su potencial es asombroso. “Centrándonos solo en el maíz, esto podría reducir la producción y el uso de fertilizantes nitrogenados en 160 000 toneladas”, señala Weng. “Y podría reducir a la mitad las emisiones relacionadas de gas de óxido nitroso”.