Cómo podemos hacer cultivos que sobrevivan sin agua

Conforme la población mundial crezca y los efectos del cambio climático cobren mayor relieve, vamos a tener que alimentar a más personas utilizando menos tierra cultivable. La bióloga molecular Jill Farrant estudia un fenómeno peculiar que puede ayudar: "Las plantas de resurrección", plantas muy resistentes que aparentemente reviven de entre los muertos. ¿Podrían tener la solución para el cultivo de alimentos en un mundo más caliente y seco?

Creo que el secreto para producir
cultivos resistentes a la sequía,

que debemos lograr para dar
seguridad alimentaria al mundo,

reside en las plantas de resurrección,

representadas aquí,
en un estado muy deshidratado.

Podrían pensar que estas
plantas están muertas,

pero no lo están.

Al darles agua,

resucitarán, reverdecerán y comenzarán
a crecer, entre 12 y 48 horas.

¿Por qué sugiero que la producción de

cultivos tolerantes a la sequía
brindaría seguridad alimentaria?

La población mundial actual
es de alrededor de 7 mil millones.

Y se estima que para el año 2050,

vamos a ser entre 9 y 10
mil millones de personas,

con la mayor tasa de
crecimiento en África.

Las organizaciones agrícolas
de alimentos del mundo

han sugerido que es necesario
un aumento del 70%

en la producción agrícola actual

para satisfacer esa demanda.

Ya que las plantas están
en la base de la cadena alimentaria,

la mayor parte tendrá
que venir de las plantas.

Ese porcentaje del 70 %

no tiene en cuenta los posibles
efectos del cambio climático.

Esto está tomado de un estudio realizado
por Dai, publicado en 2011,

donde tomó en consideración

todos los efectos potenciales
del cambio climático

y señaló, entre otras cosas

el aumento de la aridez debido a
la sequía o lluvia poco frecuente.

Las zonas en rojo mostradas aquí,

son áreas que hasta hace poco

se habían utilizado con mucho
éxito para la agricultura,

pero ya no más debido
a la falta de lluvias.

Esta es la situación que
se prevé ocurrirá en el 2050.

Gran parte de África, de hecho,
gran parte del mundo,

va a tener problemas.

Tendremos que pensar en formas muy
inteligentes para producir alimentos.

Y de preferencia, cultivos
resistentes a la sequía.

También hay que recordar que en África

la mayor parte de su
agricultura es de secano.

Hacer cultivos tolerantes a
la sequía no es cosa fácil.

Y la razón es el agua.

El agua es esencial para
la vida en este planeta.

Todos los organismos
vivos que metabolizan

desde los microbios
hasta tú y yo,

estamos compuestos
predominantemente de agua.

Todas las reacciones de
la vida suceden en el agua.

Y la pérdida de una pequeña cantidad
de agua resulta en la muerte.

Tú y yo somos 65% agua,

si perdemos un 1%, morimos.

Pero podemos cambiar nuestro
comportamiento para evitarlo.

Las plantas no pueden.

Están atrapados en el suelo.

Por eso tienen un poco
más de agua que nosotros,

casi un 95 % de agua,

y pueden perder un
poco más que nosotros,

entre 10 % y 70 %,
dependiendo de la especie,

pero por periodos cortos solamente.

La mayoría tratarán de resistir o
evitar la pérdida de agua.

Ejemplos extremos los podemos
encontrar en plantas suculentas.

Tienden a ser pequeñas, muy atractivas,

pero se aferran a su
agua a tan alto costo

que crecen muy lentamente.

Los árboles y arbustos
evitan la pérdida de agua.

Envían raíces muy profundas,

minan suministros de
agua subterráneos

y mantienen el flujo en todo momento,

manteniéndose hidratados.

El de la derecha es un baobab.

También se le llama el árbol al revés,

simplemente porque la proporción de
las raíces con las ramas es tan grande

que parece que el árbol
se plantó al revés.

Y, por supuesto, se requieren las raíces
para la hidratación de esa planta.

Y probablemente la estrategia más común
se encuentra en las plantas anuales.

Las anuales son la mayoría
de nuestros alimentos vegetales.

En la costa oeste de mi país,

durante gran parte del año
no se ve mucha vegetación.

Pero al llegar las lluvias
de primavera, se ve esto:

flores en el desierto.

La estrategia de las plantas anuales,

es crecer solo en la temporada de lluvias.

Al final de esa temporada
producen semillas,

que están secas, con
entre 8% y 10% de agua,

pero muy vivas.

Y cualquier a cosa que esté
seca y aún con vida,

la llamamos tolerante a la desecación.

En estado desecado,

las semillas pueden sobrevivir en
condiciones extremas

por períodos prolongados de tiempo.

con la siguiente temporada de lluvias,

germinan y crecen,

y todo el ciclo comienza de nuevo.

Se cree ampliamente que la evolución
de semillas tolerantes a la desecación

permitió la colonización y la expansión

de plantas con flores o
angiospermas, hacia la tierra.

Regresemos a que las anuales son nuestro
principal suministro de alimentos.

El trigo, el arroz y el maíz forman el
95% de nuestros alimentos vegetales.

Y ha sido una buena estrategia

porque en poco tiempo se pueden
producir muchas semillas.

Las semillas son ricas en energía
y hay gran cantidad de calorías,

se pueden almacenar en tiempos de
abundancia para los tiempos de escasez,

pero hay un inconveniente.

Los tejidos vegetales,

las raíces y hojas de
las plantas anuales,

no tienen por sí solas

características inherentes
de resistencia o tolerancia.

Simplemente no las necesitan.

Crecen en temporada de lluvias

y tienen una semilla para
sobrevivir el resto del año.

Y así, a pesar de los esfuerzos
conjuntos en la agricultura

para hacer cultivos con
propiedades mejoradas

de resistencia, evasión y tolerancia,

particularmente la resistencia
y la evasión

porque hemos tenido buenos modelos
para entender cómo funcionan,

todavía nos llegan imágenes como esta.

Cosecha de maíz en África,

dos semanas sin lluvia

y está muerta.

Hay una solución:

plantas de resurrección.

Estas plantas pueden perder
el 95% de su agua celular,

permanecer en un estado seco,
muerto, durante meses o años,

y al darles agua,

reverdecen y comienzan
a crecer de nuevo.

Como las semillas, son
tolerantes a la desecación.

Como las semillas, pueden soportar
condiciones ambientales extremas.

Y es un fenómeno muy raro.

Solo hay 135 especies de plantas
con flores que pueden hacer esto.

Voy a mostrarles un vídeo

del proceso de resurrección
de estas tres especies

en ese orden.

Y en la parte inferior,

hay un eje de tiempo para
que puedan ver lo rápido que pasa.

(Aplausos)

Bastante impresionante, ¿cierto?

Me he pasado los últimos 21 años
tratando de entender cómo lo hacen.

¿Cómo se secan estas plantas sin morir?

Y trabajo con diferentes
plantas de resurrección,

mostradas aquí en los
estados hidratados y secos,

por distintas razones.

Una es que cada una de estas
plantas sirve como modelo

para un cultivo que me gustaría
hacer tolerante a la sequía.

En el extremo superior izquierdo,
por ejemplo, es una hierba,

se llama Eragrostis nindensis,

tiene un pariente cercano
llamado Eragrostis tef...

muchos sabrán que "teff"

es un alimento básico en Etiopía,

libre de gluten,

y es algo que nos gustaría
hacer tolerante a la sequía.

La otra razón para examinar
varias plantas,

es que, al menos inicialmente,

quería averiguar: ¿hacen lo mismo?

¿todas utilizan los mismos mecanismos

para ser capaces de perder
toda esa agua y no morir?

Hice lo que llamamos un enfoque
de la biología de sistemas

con el fin de obtener
una comprensión global

de la tolerancia a la desecación,

en donde nos fijamos en todo

desde la molécula a la planta entera,
el nivel ecofisiológico.

Por ejemplo nos fijamos en

los cambios en la anatomía
de las plantas al secarse

y su ultraestructura.

Vemos el transcriptoma, que es
solo un término para una tecnología

con la que analizamos los genes

que se activan o se apagan
por la desecación.

La mayoría de los genes codifican
proteínas, así que vemos el proteoma.

¿Cuáles son las proteínas
producidas en respuesta al secado?

Algunas proteínas codifican
enzimas que hacen metabolitos,

así que nos fijamos en el metaboloma.

Esto es importante porque
las plantas están sujetas al suelo.

Utilizan lo que yo llamo un arsenal
químico altamente sintonizado

para protegerse de todas
las tensiones de su entorno.

Así que es importante ver

los cambios químicos
implicados en el secado.

Y en el último estudio que
hacemos a nivel molecular,

nos fijamos en el lipidome,

el lípido cambia en respuesta al secado.

Y eso es también importante

porque todas las membranas
biológicas están hechas de lípidos.

Se usan como membranas
porque están en el agua.

Al quitar el agua, estas
membranas se destruyen.

Los lípidos también actúan como
señales para activar genes.

Luego usamos estudios
fisiológicos y bioquímicos

para tratar de entender la función
de los protectores putativos

que descubrimos en nuestros
otros estudios.

Y entonces utilizamos todo
eso para tratar de entender

cómo la planta enfrenta
su entorno natural.

Siempre he tenido la filosofía de que
necesitaba una comprensión global

de los mecanismos de
tolerancia a la desecación

para hacer una aportación significativa
para una aplicación biótica.

Estoy segura de que algunos
están pensando,

"Mediante recurso biótico,

¿significa que va a hacer cultivos
modificados genéticamente?"

Y la respuesta es:

depende de su definición
de modificación genética.

Todos los cultivos que comemos
hoy en día, trigo, arroz, maíz,

están muy modificados genéticamente
de sus antepasados,

pero no los consideramos así

porque se producen
con el cultivo convencional.

Si se refieren a poner genes de plantas
de resurrección en los cultivos,

la respuesta es sí.

Durante todo este tiempo,
hemos usado ese enfoque.

Más precisamente, algunos de
mis colaboradores en la UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

han encabezado este enfoque

y voy a mostrarles algunos datos pronto.

Pero estamos a punto de embarcarnos
en un enfoque muy ambicioso,

en la que tratamos de activar
grupos enteros de genes

que ya están presentes
en todos los cultivos.

Nunca están encendidos en
condiciones de sequía extrema.

Por lo que deben decidir

si se deben llamar GM o no.

Les daré algunos de los datos
de ese primer acercamiento.

Y para hacer eso

tengo que explicar un poco
cómo funcionan los genes.

Como todos sabemos,

los genes están hechos
de ADN de doble cadena.

Se enrolla muy estrechamente
en los cromosomas,

están en todas las células de su
cuerpo o en el cuerpo de una planta.

Al desenrollar el ADN,
se obtiene los genes.

Y cada gen tiene un promotor,

que es un interruptor de
encendido y apagado,

la región de la codificación del gen,

y también un terminador,

que indica el final de este gen y
que el siguiente gen inicia.

Los promotores no son solo
interruptores de encendido y apagado.

Por lo general requieren
una afinación fina,

muchas cosas deben estar presentes
y bien antes de encender el gen.

Lo que se hace típicamente
en los estudios de biotecnología

es usar un promotor inducible

que sabemos cómo encenderlo.

Lo aparejamos a los genes de interés,

lo colocamos en una planta y
vemos cómo responde la planta.

En el estudio del que les voy a hablar

mis colaboradores utilizaron un
promotor inducido por la sequía,

que descubrimos en una
planta de resurrección.

Lo bueno de este promotor
es que no hacemos nada.

La planta en sí detecta la sequía.

Con esto llevamos genes antioxidantes
de las plantas de resurrección.

¿Por qué genes antioxidantes?

Bueno, todo el estrés,
sobre todo la sequía,

resulta en la formación
de radicales libres,

o especies reactivas de oxígeno,

que son altamente perjudiciales y
puede causar la muerte de los cultivos.

Lo antioxidantes detienen el daño.

Estos son algunos datos de una
cepa de maíz muy usada en África.

A la izquierda de la flecha están
las plantas sin los genes,

a la derecha,

plantas con genes antioxidantes.

Después de tres semanas sin riego,

los que tienen los genes se
recuperan mucho mejor.

Para el enfoque final.

Mi investigación ha demostrado que
hay una considerable similitud

en los mecanismos de
tolerancia a la desecación

en semillas y plantas de resurrección.
Así que me hice la pregunta,

¿utilizan los mismos genes?

O parafraseado,

¿las plantas de resurrección
evolucionaron semillas con genes

tolerantes a la desecación
en sus raíces y hojas?

¿Han reasignado la tarea de
estos genes de semillas

en las raíces y las hojas de
las plantas de resurrección?

Y respondo a esa pregunta,

gracias a una gran cantidad de
investigación de mi grupo

y recientes colaboraciones de un grupo
de Henk Hilhorst en los Países Bajos,

Mel Oliver en los Estados Unidos

y Julia Buitink en Francia.

La respuesta es sí,

hay un conjunto básico de genes
que están involucrados en ambos.

Voy a ilustrar esto muy
crudamente para el maíz,

donde los cromosomas desactivados

representan todos los genes
requeridos para tolerar la desecación.

Al secarse las semillas de maíz,
al final de su período de desarrollo,

se activan estos genes.

Las plantas de resurrección
activan los mismos genes

cuando se secan.

Todos los cultivos modernos, por lo tanto,

tienen estos genes en sus raíces y hojas,

pero nunca los activan.

Solo se encienden en
los tejidos de semillas.

Lo que estamos tratando de hacer ahora

es entender las señales
ambientales y celulares

que activan estos genes
en plantas de resurrección,

para imitar el proceso en los cultivos.

Un pensamiento final.

Lo que estamos tratando
de hacer rapidamente es repetir

lo que la naturaleza hizo en la evolución
con las plantas de resurrección

hace entre 10 y 40 millones de años.

Mis plantas y yo les damos
las gracias por su atención.

(Aplausos)