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Mejoramiento genético para enriquecer la nutrición de las palomitas de maíz y los cereales

David Holding de Nebraska (derecha) y Leandra Marshall (izquierda) están desarrollando líneas de palomitas de maíz con niveles más altos de lisina, un aminoácido esencial para las dietas de los humanos y algunos animales. Crédito: Craig Chandler | University Communication

Un equipo de científico de la Universidad de Nebraska-Lincoln están aumentando los niveles y calidad de la proteína en el sorgo y el maíz utilizado para hacer palomitas. Para ello utilizan mejoramiento tradicional y nuevas técnicas como la edición genética con CRISPR.

La calidad de la proteína se ve a menudo opacada en medio de la atención por su cantidad. Pero esa cualidad, la presencia o ausencia de aminoácidos esenciales para las dietas de los humanos y el ganado, ocupa la mente de David Holding en Nebraska.

Holding y sus colegas en el Centro Beadle han pasado años trabajando para elevar los niveles de un aminoácido vital, la lisina, que es escasa en las proteínas de varios cereales. Al adoptar diferentes enfoques, uno de mejoramiento tradicional y otro emergente, el equipo ahora ha logrado duplicar aproximadamente el contenido de lisina tanto de palomitas de maíz como del sorgo.

Un nivel más alto de lisina podría agregar valor económico y ampliar el atractivo de las palomitas de maíz, dijeron los investigadores, mientras que al mismo tiempo aumenta el valor nutricional de tu película favorita. El aumento de la lisina en el sorgo debería hacer que este cultivo resistente a la sequía sea una fuente más completa de nutrición en el mundo en desarrollo, donde a veces se clasifica como un alimento básico, y para el ganado en los Estados Unidos.

Retirando la abolladura

El maíz dent (o maíz de campo), un cultivo mundial y la variedad característica del Medio Oeste de EE.UU., es deficiente en lisina. Pero en la década de 1990, los investigadores crearon con éxito una variante genética conocida como “opaque-2” en el maíz de campo. Al disminuir la producción de proteínas prolaminas normalmente dominantes, opaque-2 permitió un aumento de las proteína no-prolaminas: las que contienen lisina y otro aminoácido esencial, el triptófano. La variedad resultante (maíz de alta calidad proteica, o QPM por sus siglas en inglés), ha ayudado desde entonces a combatir la desnutrición en muchos países en desarrollo.

Con el respaldo de Conagra Foods, Holding decidió probar lo mismo en las palomitas de maíz.

“Resulta que eso es realmente difícil de hacer”, dijo Holding, profesor asociado de agronomía y horticultura.

Katie Black | University Communication

El problema era a la vez simple y complejo: las palomitas de maíz que contenían opaque-2 no explotarían al calentarse. Y ese problema se deriva de lo que hay en su nombre: Opaque-2 tiende a convertir los granos (de maíz para popcorn) vidriosos y normalmente sólidos, en formas más suaves y calcáreas resistentes a reventar.

Anteriormente, los agrónomos habían logrado retirar este rasgo (o característica) indeseable del maíz QPM, que lo hacia más susceptible a las plagas y al daño en la cosecha. Pero lo hicieron principalmente sin saber qué genes ayudaron a restaurar la consistencia vidriosa de los granos (un problema clásico del mejoramiento genético tradicional).

Holding había dedicado un tiempo considerable a la identificación de franjas del genoma del maíz responsables de restaurar esa consistencia vidriosa. Así que se propuso cruzar múltiples generaciones del maíz QPM con las variedades de palomitas de maíz que se sospechaba contienen los genes restauradores.

¿El resultado? Palomitas de maíz con alto contenido de lisina que aparecen casi tan bien como la variedad original.

Seis líneas de palomitas de maíz mejoradas para contener niveles más altos de lisina, un aminoácido esencial para la dieta humana. | Crédito: Frontiers in Plant Science

“Cuando comenzó este proyecto, no estaba seguro de que pudiéramos lograrlo, dado que las personas no habían tenido mucho éxito en la transferencia de rasgos beneficiosos del maíz a las palomitas de maíz en el pasado”, dijo Holding. “Somos los primeros en tomar la variedad QPM y convertirla exitosamente en palomitas de maíz, logrando un alto nivel de lisina y manteniendo el estallido”.

“Este es un producto que se presta para la producción orgánica y se puede comercializar como una nueva variedad de maíz para palomitas, ya que los consumidores están prestando más atención al valor nutricional de sus alimentos. Para el mejoramiento de palomitas de maíz en general, esto también muestra el potencial para extraer otras características del maíz de campo hacia el maíz para palomitas y así mejorar el rendimiento agronómico del cultivo”.

Sobre la base del trabajo del recién graduado de doctorado Ying Ren, la estudiante de doctorado Leandra Marshall ahora está cruzando varias líneas de palomitas de maíz con alto contenido de lisina para promover híbridos más fuertes y de mayor rendimiento adecuados para el campo. La secuenciación de los genomas de esas líneas también podría permitir al equipo identificar exactamente qué genes restauraron la integridad estructural de los granos, dijo.

Rompiéndolo

Junto con su propia deficiencia de lisina, las proteínas del sorgo tienen un problema relacionado: los seres humanos y algunos animales luchan por digerirlos, un problema que solo empeora cuando se cocinan.

Para abordar ambos problemas, el equipo de Holding recurrió a la revolucionaria herramienta biológica conocida como CRISPR-Cas9, una combinación de enzimas de ADN que puede utilizarse para editar genes con precisión. Usando CRISPR-Cas9, los investigadores se enfocaron en una familia de aproximadamente 20 genes conocidos para impulsar la producción de proteínas prolaminas.

[Recomendado: CRISPR: La herramienta de edición genética que está revolucionando la medicina y agricultura Edición genética con CRISPR: Una nueva caja de herramientas para mejorar los cultivos agrícolas]

En lugar de silenciar esos genes por completo (llevando a producir granos calcáticamente blandos y poco prácticos), el grupo programó la herramienta para desactivar parcialmente la familia de genes, una aplicación de CRISPR-Cas9 que Holding denominó la primera de su tipo.

David Holding de Nebraska examina un tallo de sorgo. Crédito: Craig Chandler | University Communication

Una vez más, los investigadores vieron un aumento en las proteínas no-prolaminas que contienen lisina, incluso cuando quedaban suficientes prolaminas para mantener la solidez de los granos. Al mismo tiempo, los vasos microscópicos que contienen esas prolaminas se transformaron en una forma más porosa, permitiendo que las enzimas digestivas penetren y comiencen a descomponer las proteínas. Los experimentos de seguimiento mostraron que se podía digerir casi el doble de la proteína de la harina resultante.

Una vez hecho esto, ahora el equipo está cruzando las nuevas variedades de sorgo para mejorar su uso de nitrógeno esencial para el crecimiento y desarrollar otras características deseables. El cruzamiento también eliminará el gen editado con CRISPR que el equipo implantó, eliminando el potencial de efectos genéticos imprevistos y simplificando la aprobación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

“Estamos haciendo algo que es innovador desde una perspectiva científica, pero que también tiene una aplicación directa que puede llegar al mercado con relativa rapidez”, dijo Holding. “Ambos de estos proyectos están motivados por el deseo de tener un producto comercializable al final”.

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