La biotecnología vegetal en la lucha contra el cambio climático

Uno de los mayores retos a los que se enfrenta la humanidad es producir suficientes alimentos para todos los habitantes de un planeta donde la población crece de manera exponencial. Un dato que da idea de la dimensión de este desafío es que, según la FAO, en la actualidad, cerca de 800 millones de personas sufren hambre en el mundo¹. Por desgracia, los cambios en las condiciones ambientales causados por el cambio climático, que ya son tan obvios en nuestro día a día, van a dificultar aún más afrontar con éxito este reto. Como consecuencia del cambio climático, estamos asistiendo a un incremento en la duración y frecuencia de eventos climáticos dramáticos como periodos de sequía, de temperaturas extremas (tanto altas como bajas) o la salinización de los suelos². Todas estas situaciones de estrés ambiental ya limitan gravemente la producción agrícola y, por tanto, un aumento en su frecuencia o intensidad agravará aún más sus efectos negativos en la producción de alimentos básicos. Numerosos laboratorios de todo el mundo están preocupados por este problema y se han fijado como objetivo la obtención de herramientas biotecnológicas con las cuales poder generar nuevas variedades de cultivos que permitan aumentar, o al menos asegurar, la producción agrícola en este escenario de una manera sostenible y, sobre todo, respetuosa con el medio ambiente.

Es importante resaltar que el desarrollo de nuevas herramientas biotecnológicas no sólo ayudará a alcanzar la seguridad alimentaria en el planeta, sino que también jugará un papel central en la reducción del impacto de la agricultura en el medio ambiente. Es obvio que aumentar la productividad de los cultivos debería ayudar a reducir la deforestación causada para incrementar la superficie cultivable. También la obtención de nuevas variedades más eficientes en la captación de nutrientes, como el nitrógeno o el fósforo, conseguirá reducir la contaminación debida al uso de fertilizantes. De manera similar, la obtención de cultivos más eficientes en el consumo de agua debería reducir las necesidades de irrigación y, como consecuencia, disminuirán los problemas asociados al riego forzado.

Dos laboratorios del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas están embarcados en el desafío que supone desarrollar nuevas herramientas para aumentar la producción agrícola en condiciones ambientales desfavorables. El laboratorio de “Biotecnología del polen de plantas cultivadas” dirigido por la Dra. Pilar S. Testillano y el laboratorio de “Biología Molecular de Plantas” del Dr. Julio Salinas, jefe de grupo, y el Dr. Rafael Catalá.

El grupo de la Dra. Testillano investiga los mecanismos reguladores de la reprogramación celular inducida por estrés. El estudio de este proceso es clave para la mejora, propagación y selección de plantas de alta calidad o mejor adaptadas a nuevas condiciones ambientales. Los sistemas de regeneración de plantas in vitro, basados en la inducción de reprogramación celular mediante tratamientos de estrés, son esenciales en las modernas técnicas de mejora. Estos sistemas permiten, por un lado, producir gran número de plantas idénticas genéticamente a partir de una planta seleccionada por sus mejores características, lo que se denomina propagación clonal de genotipos élite (mediante embriogénesis somática). También permiten producir plantas dobles haploides (DH) mediante embriogénesis de microsporas, las células precursoras del polen. Las plantas DHs permiten acelerar los programas de mejora ya que, mientras las técnicas clásicas requieren muchas generaciones y numerosos cruces y procesos de selección para producir nuevas variedades, las plantas DHs presentan nueva variabilidad genética (combinación de caracteres, procedentes del polen) en dotación homocigota, es decir, con todos los caracteres completamente fijados, y todo en sólo una generación. Asimismo, los sistemas de regeneración in vitro son esenciales para regenerar plantas completas tras edición genómica o transformación. Sin embargo, la regeneración in vitro es aún muy poco eficiente en muchas especies agronómicas y forestales.

El objetivo del grupo de la Dra. Testillano es aumentar el conocimiento sobre las bases celulares y moleculares de la inducción de la reprogramación celular por estrés para identificar nuevas dianas y efectores que permitan manipular eficientemente los sistemas de regeneración in vitro. Para estos estudios utilizan como especies modelo la colza y la cebada. Posteriormente, evalúan la aplicabilidad de los resultados obtenidos en otras especies de interés agronómico o forestal como el alcornoque. Para ello, siguen un abordaje multidisciplinar e integrador que incluye modernas técnicas celulares, moleculares, fisiológicas y genómicas, entre otras. El laboratorio tiene diferentes líneas de investigación. La primera de ellas consiste en la identificación de determinantes moleculares clave para la reprogramación celular de plantas. En esta línea el grupo ha caracterizado recientemente (i) el papel de elementos clave que regulan el balance entre supervivencia y muerte celular, como la autofagia y las cisteín-proteasas; (ii) la regulación del proceso por hormonas vegetales, entre las más importantes, la acción de auxinas y citoquininas; (iii) el papel de diversos mecanismos epigenéticos en la reprogramación celular ; o (iv) la remodelación de la pared celular^3,4,5,6. Además, el laboratorio de la Dra. Testillano ha iniciado una línea pionera mediante el cribado de moléculas pequeñas a partir de quimiotecas, en colaboración con las Dras. Ana Martínez y Carmen Gil, expertas en química biológica en el CIB Margarita Salas, contribuyendo a identificar por primera vez nuevos compuestos, inicialmente diseñados para uso terapéutico en biomedicina, que promueven la reprogramación y regeneración de plantas. Esta aproximación ha permitido ya la generación de distintas patentes, concedidas y en tramitación. Además, el grupo de la Dra. Testillano considera esencial transferir el conocimiento adquirido en su laboratorio al sector productivo, diseñando nuevas aplicaciones en especies de interés económico y medioambiental, mediante el establecimiento de contratos y colaboraciones con empresas del sector agrícola, forestal y biotecnológico para su aprovechamiento por parte de la sociedad.

En lo que respecta al laboratorio de “Biología Molecular de Plantas” que dirige el Dr. Salinas, su labor investigadora está centrada en el desarrollo de estrategias biotecnológicas que permitan aumentar la tolerancia de los cultivos a condiciones ambientales estresantes como las temperaturas bajas, la sequía o las altas concentraciones de sal en los suelos. El abordaje seguido por este grupo se fundamenta en una idea: comprender los mecanismos moleculares que controlan la tolerancia de las plantas al estrés ambiental es clave para obtener nuevas herramientas que permitan aumentar la tolerancia de los cultivos a esas situaciones adversas. En los últimos años, el grupo del Dr. Salinas se ha focalizado en la identificación y caracterización de intermediarios y vías de señalización que controlan el proceso de aclimatación a las temperaturas bajas. Este proceso es una respuesta adaptativa adquirida por las plantas a lo largo de la evolución que les permite aumentar su tolerancia a las heladas después de pasar un periodo de exposición a temperaturas bajas de entre 0 y 4 °C. Una característica que hace muy interesante a este proceso es que las plantas aclimatadas, además de aumentar su tolerancia a la congelación, también ven incrementada su tolerancia a otros estreses como la sequía o la salinidad. De hecho, el estudio de la regulación del proceso de aclimatación a las temperaturas bajas también está ayudando a entender los mecanismos empleados por las plantas para enfrentarse a estos estreses.

El inicio de la línea desarrollada por el grupo del Dr. Salinas se basó en la identificación de genes de Arabidopsis, la planta modelo por excelencia, expresados en respuesta a frío. De este modo, el grupo ha podido identificar y caracterizar importantes reguladores de la respuesta de las plantas a estreses abióticos que actúan a diferentes niveles (p.e. transcripcional, posttranscripcional y posttraduccional^7,8). Los resultados obtenidos, además, han definido las dos líneas actuales del laboratorio. La primera tiene como objeto comprender el papel del metabolismo del RNA en el control de la respuesta de la planta al estrés abiótico. Los estudios del grupo del Dr. Salinas han revelado que la modulación tanto de la escisión de intrones de los RNAs mensajeros precursores como de la estabilidad de estos RNAs juega un papel clave en la generación de respuestas adecuadas y específicas para cada situación de estrés a la que se enfrentan las plantas. La segunda línea del grupo nace de la identificación de una nueva molécula en plantas, el TMAO, que hasta ahora solo se conocía en animales. El TMAO aumenta la tolerancia de las plantas a las temperaturas bajas, incluyendo las heladas, la sequía y a la salinidad⁹. Estos estudios se centran en la comprensión de los mecanismos moleculares que controlan la síntesis del TMAO en plantas, y la identificación de las vías de señalización a través de las cuales esta molécula lleva a cabo su función protectora. El interés biotecnológico del TMAO ha permitido el registro de varias patentes que han sido licenciadas a la empresa Plant Response Biotech, que ya ha sacado al mercado un producto basado en el TMAO que aumenta la tolerancia a la sequía de cultivos como el maíz, el tomate o el pimiento.

Las Naciones Unidas identificaron en el año 2015 los retos a los que se enfrenta la humanidad en el futuro próximo, impulsando los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), descritos en un reportaje de este mismo número. Se marcaron 17 objetivos para el año 2030, donde la lucha contra el cambio climático y el desarrollo sostenible tienen un gran protagonismo. Las herramientas que nos proporciona la biotecnología vegetal no solo son muy útiles, sino que en algunos casos son imprescindibles si queremos tener éxito en la consecución de estos objetivos. Es obvio que, para lograr la seguridad alimentaria, mejorar la nutrición y la sostenibilidad de la agricultura, como plantea el objetivo 2, debemos obtener cultivos más productivos, con mayor aporte de nutrientes y mejor adaptados a las condiciones ambientales del lugar de cultivo. De manera similar, el desarrollo de plantas con menos requerimientos hídricos o de fertilizantes es necesario para alcanzar el objetivo 6 que plantea la gestión sostenible del agua. Estas plantas también reducirán la presión de los cultivos sobre los ecosistemas facilitando el objetivo 15, centrado en la protección de los ecosistemas. Por último, la biotecnología vegetal también es imprescindible para combatir el cambio climático (objetivo 13), aportando soluciones tan potentes como la producción de biofueles para reducir el uso de combustibles fósiles, o tan imaginativas como el desarrollo de plantas con mayor capacidad para fijar CO₂ en el suelo.

Los retos que nos plantea el futuro son formidables, y la biotecnología vegetal es nuestro mejor aliado en esta lucha.

Referencias:

1. FAO, FIDA, UNICEF, PMA y OMS. (2018) El estado de la seguridad alimentaria y la nutrición en el mundo. Fomentando la resiliencia climática en aras de la seguridad alimentaria y la nutrición. FAO. Roma.

2. Schiermeier Q. (2018) Climate as culprit. Nature. 560, 20-22.

3. Bárány I, Berenguer E, Solís MT, Pérez-Pérez Y, Santamaría ME, Crespo JL, Rirueño MC, Díaz I, Testillano PS (2018) Autophagy is activated and involved in cell death with participation of cathepsins during stress-induced microspore embryogenesis in barley. J Exp Bot 69, 1387-1402. doi: 10.1093/jxb/erx455.

4. Testillano PS (2019) Microspore embryogenesis: targeting the determinant factors of stress-induced cell reprogramming for crop improvement. J Exp Bot 70, 2965-2978. doi: 10.1093/jxb/ery464.

5. Pérez-Pérez Y, El-Tantawy AA, Solís MT, Risueño MC, Testillano PS (2019) Stress-induced microspore embryogenesis requires endogenous auxin synthesis and polar transport in barley. Front Plant Sci. 10, 1200. doi: 10.3389/fpls.2019.01200.

6. Berenguer E, Minina EA, Carneros E, Bárány I, Bozhkov PV, Testillano PS (2020) Suppression of metacaspase and autophagy-dependent cell death improves stress-induced microspore embryogenesis in Brassica napus. Plant Cell Phys. 61, 2097-2110. doi: 10.1093/pcp/pcaa128.

7. Catalá R, Salinas J. (2010) Temperature-perception, molecules and mechanisms. Journal of Applied Biomedicine. 8 (4), 189-198.

8. Catalá R, Carrasco-López C, Perea-Resa C, Hernández-Verdeja T, Salinas J. (2019) Emerging Roles of LSM Complexes in Posttranscriptional Regulation of Plant Response to Abiotic Stress. Front Plant Sci. 19;10:167. doi: 10.3389/fpls.2019.00167. 9. Catalá R, López-Cobollo R, Berbís A, Jiménez-Barbero J, Salinas J. (2021) Trimethylamine N-oxide is a new plant molecule that promotes abiotic stress tolerance. Science Advances 7; eabd9296. doi: 10.1126/sciadv.abd9296.