Para proteger los cultivos del aumento de las sequías, los científicos investigan los genes de un pequeño grupo de plantas capaces de sobrevivir meses de sequía y reverdecer en cuestión de horas.
Creciendo en Sudáfrica en la década de 1970, Jill Farrant se dio cuenta de niña por primera vez que, a su alrededor, había varias plantas que parecían resucitar.
Más tarde descubrió que estas plantas pueden sobrevivir seis meses o más sin agua. Sus hojas se vuelven marrones y quebradizas al tacto, pero, si reciben agua, reverdecen en cuestión de horas. En un día, recuperan su forma original y pueden continuar con la fotosíntesis.
Si bien esta capacidad, similar a la de Lázaro, es común entre musgos, helechos y otras plantas sin flores, estas "plantas de resurrección" pertenecían a las angiospermas, o plantas con flores, el grupo que incluye todos los árboles con flores y los cultivos que dan frutos y semillas. Sin embargo, de las 352,000 especies conocidas de plantas con flores, solo 240 son de "resurrección".
Dispersas por toda la rama del las plantas en el árbol de la vida, este tipo de plantas a menudo no guardan relación alguna, pues cada una ha desarrollado independientemente la capacidad de vivir sin agua.
Crecen principalmente en laderas rocosas o suelos con grava de Sudáfrica, Australia y Sudamérica, y las tácticas empleadas para este truco casi zombi son sorprendentemente similares, casi como si se pudiera recuperar un conjunto de herramientas ancestrales de las profundidades de su ADN para lidiar con el problema de la sequía.
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Farrant, ahora profesora en el área de tolerancia a la desecación en la Universidad de Ciudad del Cabo, lleva más de tres décadas estudiando estas inusuales plantas.
Junto con otros investigadores, cree que la capacidad de resistencia a la sequía presente en sus genes podría ser clave para adaptar la agricultura a un futuro de cambio climático.
Resistir la sequía
Que las plantas sobrevivan durante meses sin agua puede parecer ciencia ficción. La gran mayoría mueren cuando experimentan una pérdida de agua del 10 al 30%. Sin embargo, las plantas de resurrección pueden tolerar pérdidas de agua superiores al 95%.
Pero no solo la capacidad de sobrevivir a la sequía es importante para estas especies, afirma Carlos Messina, científico especializado en maíz de la Universidad de Florida. También es importante mirar cómo las plantas de resurrección vuelven a crecer después de una sequía.
Las plantas de maíz también pueden sobrevivir después de una sequía, explica, "pero cuando se rehidratan, no recuperan la misma estructura foliar que tenían antes, y el flujo de CO2 y agua se altera". Por lo tanto, la sequía compromete su crecimiento mucho después del regreso de las lluvias.
Pero las plantas de resurrección "parecen volver a la forma que tenían antes de la sequía", afirma. "Si podemos crear maíz que lo haga, sería fantástico, porque podemos recuperar esa productividad".
Las plantas de resurrección han desarrollado esta habilidad esencial reemplazando el agua que desaparece con azúcares como la sacarosa, convirtiendo el interior de sus células en una sustancia viscosa, similar al vidrio, que ralentiza cualquier reacción química.
Conocida como vitrificación, esta misma táctica es utilizada por animales tolerantes a la desecación como los tardígrados (también conocidos como osos de agua) y los huevos de camarones Artemia (sea monkeys o monos marinos).
Al transformarse en vidrio, estas plantas también deconstruyen su maquinaria fotosintética (como los cloroplastos), desactivando su principal fuente de alimento al entrar en un estado de latencia. Para mantener unido su ensamblaje de proteínas y membranas celulares, secretan un conjunto de proteínas protectoras conocidas como "chaperonas", ya que guían a la célula en momentos de peligro.
"Cómo preservan su tejido es un verdadero milagro", afirma Farrant.
Posible solución a un problema latente
En cierto sentido, las propiedades de las plantas de resurrección no difieren mucho de las de las semillas de la mayoría de las plantas con flores. Al secarlas y almacenarlas en un lugar oscuro y fresco, muchas semillas pueden sobrevivir durante años, a veces milenios, conservando la fórmula para generar una nueva planta cuando el calor y el agua regresen.
Pero una vez que emerge el primer brote verde, esta "tolerancia a la desecación" se pierde, a cambio de un crecimiento más rápido, un alto rendimiento y frutos o semillas más nutritivos.
Es una característica que la revolución verde, el auge agrícola del siglo XX que introdujo variedades de cultivos de alto rendimiento cultivadas en condiciones óptimas de agua, suelo y sol, exacerbó.
Mientras tanto, si bien las sequías siempre han sido un problema para los agricultores, el aumento de las temperaturas globales debido a las continuas emisiones de gases de efecto invernadero las está agravando aún más, especialmente en el Mediterráneo y el oeste de Norteamérica.
Se estima que la sequía, los incendios forestales y el calor costaron US$16.600 millones en pérdidas de cultivos solo en Estados Unidos en 2023.
Según algunos modelos climáticos, para 2100 gran parte de las tierras agrícolas del África subsahariana y Sudamérica serán inadecuadas para la producción de alimentos, una gran proporción de las cuales quedarán estériles debido a la sequía.
"La agricultura solo será posible en Canadá y Siberia", afirma Henk Hilhorst, científico de semillas jubilado y residente en los Países Bajos. Son estas regiones septentrionales del planeta, no los trópicos, las que tendrán que alimentar al mundo.
La situación es tan grave, argumenta Farrant, que ahora es necesario considerar incluso los cambios más radicales en la agricultura. "Simplemente no vamos a conseguir suficientes alimentos", afirma. "Por eso, tenemos que ser increíblemente creativos".
Los cultivos más comunes, como el trigo, el maíz y la soja, ya se han vuelto más resistentes a la escasez de agua mediante el mejoramiento selectivo. Elegir plantas con raíces más profundas les ayuda a encontrar reservas de agua a más profundidad, por ejemplo, o elegir aquellas que florecen más rápido ayuda a producir semillas en una temporada de crecimiento más corta.
Sin cambios adicionales
Los fenómenos meteorológicos extremos no solo son cada vez más comunes, sino también más impredecibles. El caos es el indicador del cambio climático, afirma Timothy George, edafólogo del Instituto James Hutton de Escocia. "Hay mucha más variabilidad".
Los periodos sin agua repentinos, conocidos como sequías repentinas, son cada vez más comunes, al igual que las sequías que ocurren durante meses del año en los que antes se garantizaban lluvias y condiciones templadas.
Esto significa que evitar la sequía podría dejar de ser posible. Por eso, Farrant y otros científicos investigan si pueden encontrar la manera de recrear la notable tolerancia a la desecación de las plantas de resurrección en cultivos alimentarios comunes.
Durante mucho tiempo se creyó que introducir estas capacidades en el arroz, el maíz y el trigo requería el uso de modificación genética «transgénica», es decir, la introducción de ADN de parientes lejanos del reino vegetal en su genoma.
Los genes implicados en la tolerancia a la desecación se aislarían e insertarían en cultivos sensibles a la sequía, una tarea que se ha simplificado con el reciente auge de las tecnologías de edición genética Crispr.
Pero los estudios recientes de Farrant sugieren que muchos de los genes utilizados para sobrevivir a la desecación son los mismos que se encuentran en las semillas de la mayoría de las plantas con flores.
Por lo tanto, crear cultivos resistentes a la sequía podría no requerir ningún gen nuevo; al activar el mismo conjunto de herramientas genéticas presente en sus semillas, una planta madura podría volverse más resistente a la desecación.
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Dado que esto implicaría activar genes que simplemente se han silenciado durante la germinación, en lugar de insertar genes foráneos de otras plantas, podría no ser tan controvertido como otros cultivos modificados genéticamente.
Julia Buitink, bióloga de semillas del Instituto Nacional Francés de Investigación Agrícola en París, coincide en que es un enfoque viable, incluso si el efecto se limitara a las plántulas jóvenes del cultivo.
Las plántulas podrían ser un objetivo más fácil, afirma, principalmente porque esta etapa de crecimiento sigue a la germinación, y extender la tolerancia a la desecación sería el primer paso más lógico.
Además, dado que la mayoría de los organismos tolerantes a la desecación son pequeños, estas plántulas encajarían en el molde que ya se encuentra en la naturaleza.
Aun así, aunque estas técnicas son factibles en cualquier laboratorio del mundo, aún existen grandes lagunas en nuestro conocimiento sobre cómo estas plantas sobreviven a la desecación, especialmente en cuanto a cómo se controla cada adaptación.
"Creo que conocemos los genes principales", afirma Buitink. "El problema radica en un nivel superior: ¿cómo podemos activarlos durante la sequía? Y sobre eso, realmente no sabemos mucho".
Los interruptores genéticos identificados, añade Buitink, a menudo no son específicos de una sola cosa: si se activa la tolerancia a la desecación, afirma, es casi seguro que se modificarán muchas otras partes de la planta y, lo más importante, puede disminuir su rendimiento. "Lo cual, en el caso de los cultivos, es precisamente lo que no se desea".
Buscando el interruptor
Si se encuentra un "interruptor maestro" —un gen específico para inducir la tolerancia a la desecación—, este podría activarse solo cuando la escasez de agua se convierta en un problema, garantizando así que el rendimiento de estos cultivos no se vea afectado si las condiciones son propicias para el crecimiento.
Así como una planta que busca la resurrección solo se marchita hasta convertirse en un bulto de hojas marrones durante la larga estación seca, un cultivo solo podría protegerse cuando se produce una sequía repentina.
Esto es exactamente lo que lograron investigadores de Kenia y Suecia en 2018 al introducir un único gen de Xerophyta viscosa (una planta de resurrección, también conocida como lirio de palo negro pequeño) en una variedad de boniato.
Conocido por su importancia en la defensa antioxidante, el gen, llamado XvAld1, hizo que estas plantas de patata transgénicas fueran más resistentes a un experimento de deshidratación de 12 días. En comparación con sus vecinas silvestres, se mantuvieron verdes durante más tiempo, perdieron menos hojas y crecieron más altas incluso sin agua.
Cabe destacar que eran indistinguibles antes del experimento de deshidratación, lo que sugiere que el gen no tuvo impacto en el crecimiento ni en la estructura foliar.
Se ha demostrado que los genes de las plantas de resurrección también mejoran la tolerancia a la sequía en otras plantas, incluyendo la Arabidopsis thaliana, una de las favoritas de laboratorio, y las plantas de tabaco.
Sin embargo, dado que los cultivos modificados genéticamente de cualquier tipo aún deben cumplir rigurosas normativas legales (especialmente en la UE), Farrant ha comenzado a buscar otras formas de inducir estas notables características de las plantas de resurrección en los cultivos actuales.
Llegando al fondo del asunto
Así como el microbioma es un tema candente en la salud humana, el microbioma radicular (o rizosfera) está despertando interés en la ciencia agrícola.
La tolerancia a la sequía podría no estar solo en las hojas y los tallos, sino también en las raíces. "Aquí es donde podría haber potencial para grupos como las plantas de resurrección u otras especies extremas", afirma George.
"Si existe un componente microbiano en su capacidad para afrontar el estrés extremo, podría transferirse a un sistema de cultivo con mucha más facilidad que, por ejemplo, los componentes genéticos".
Y esto es exactamente lo que Farrant intenta hacer. Junto con sus colegas Shandry Tebele y Rose Marks, ha comenzado a mapear el microbioma de la Myrothamnus flabellifolia, una especie única incluso entre las plantas de resurrección.
Crece en suelos pedregosos de Sudáfrica, puede crecer hasta la cintura y se parece más a un arbusto que a una solitaria extensión de hierba. Incluso con tal complejidad y tamaño, puede sobrevivir nueve meses o más sin agua.
El primer estudio de los investigadores sobre la rizosfera de M. flabellifolia, publicado en 2024, reveló más de 900 grupos únicos de bacterias y hongos, el inicio de lo que podría convertirse en un probiótico tolerante a la sequía que pueda utilizarse en otras plantas.
Sin embargo, en la superficie, el trabajo de Farrant con el teff podría ser el más prometedor. El teff, un cereal naturalmente libre de gluten, se ha cultivado durante miles de años en Etiopía.
Su tolerancia a la escasez de agua lo ha llevado a ser elogiado como un cultivo potencialmente más sostenible y resiliente al clima, pero Farrant se interesa por esta especie por razones ligeramente diferentes. El teff es el único cultivo que tiene como pariente cercano una planta de resurrección: Eragrostis nindensis, una hierba que crece hasta la cintura en las laderas rocosas del sur de África.
Conocer cómo estas plantas difieren en su respuesta a la sequía podría revelar qué genes se han perdido o desactivado, y si estos pueden reinsertarse en el teff, una modificación genética con más probabilidades de éxito dada su estrecha relación.
Es un trabajo aún en sus inicios. Pero ya parece que la protección contra la luz solar es una de las principales diferencias entre ambos.
E. nindensi produce antioxidantes en el interior de sus hojas y una capa de antocianinas —esencialmente, una versión vegetal de protector solar— en sus superficies externas. El teff no posee esta capacidad.
Es un equilibrio delicado para E. nindensi: la luz solar es esencial para el crecimiento de una planta con abundante agua, pero durante la sequía puede ser letal, provocando una fotosíntesis descontrolada, la producción de especies reactivas de oxígeno y daños por la radiación UV.
Sin embargo, que el teff tenga esta opción podría permitirle sobrevivir a la sequía más severa y crecer.
Así que las diminutas semillas de teff, molidas para hacer harina para pan y panqueques, podrían ser la clave para una agricultura más sostenible. Así como el maíz, el arroz y el trigo se cultivaron para obtener mayores rendimientos a costa de la resistencia durante la Revolución Verde del siglo XX, estos cultivos aumentarían la resiliencia, incluso a costa de un rendimiento ligeramente menor.
"Puede que tengan un rendimiento bajo, pero el agricultor de subsistencia tiene un cultivo", dijo Farrant. "Esto ocurre independientemente de si llueve en 10 días o en dos años".
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