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Por primera vez logran modificar el ADN mitocondrial de plantas; aumentaría diversidad de cultivos agrícolas

Investigadores de Japón han logrado editar el ADN mitocondrial de plantas por primera vez, lo que podría ayudar a mejorar la diversidad de cultivos y a un suministro alimentario más seguro. El ADN nuclear de las plantas se modificó por primera vez a principios de la década de 1970, posteriormente el ADN de los cloroplastos se modificó por primera vez en 1988 y el ADN mitocondrial animal se modificó en 2008. Sin embargo, ninguna herramienta había logrado modificar con éxito el ADN mitocondrial de las plantas.

Universidad de Tokyo / 9 de julio, 2019.- Los investigadores utilizaron su técnica para crear cuatro nuevas líneas de arroz y tres nuevas líneas de canola. “Sabíamos que teníamos éxito cuando vimos que la planta de arroz era más educada, tenía una profunda reverencia”, dijo el profesor asociado Shin-ichi Arimura, bromeando sobre cómo una planta de arroz fértil se dobla bajo el peso de semillas pesadas.

Arimura es un experto en genética molecular de plantas en la Universidad de Tokio y dirigió el equipo de investigación, cuyos resultados se publicaron en Nature Plants. Colaboradores de la Universidad de Tohoku y la Universidad de Tamagawa también contribuyeron a la investigación.

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Diversidad genética para el suministro de alimentos

Los investigadores esperan usar la técnica para abordar la actual falta de diversidad genética mitocondrial en los cultivos, un punto débil potencialmente devastador en nuestro suministro de alimentos. En 1970, una infección por hongos llegó a las granjas de maíz de Texas (EE.UU.) y fue exacerbada por un gen en las mitocondrias del maíz. Todo el maíz en las granjas tenía el mismo gen, por lo que ninguno era resistente a la infección. 15% de toda la cosecha de maíz estadounidense fue asesinada ese año. El maíz con ese gen mitocondrial específico no se ha plantado desde entonces.

“Todavía tenemos un gran riesgo ahora porque hay muy pocos genomas mitocondriales de plantas utilizados en el mundo. Me gustaría usar nuestra capacidad para manipular el ADN mitocondrial de las plantas para agregar diversidad”, dijo Arimura.

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Plantas sin polen

La mayoría de los agricultores no guardan semillas de su cosecha para replantarlas el próximo año. Esto se debe a que las plantas híbridas (la descendencia de primera generación del cruce entre dos subespecies parentales genéticamente diferentes) suelen ser más resistentes y productivas. Sin embargo, la segunda generación pierde ese “vigor híbrido”.

Para garantizar que los agricultores tengan semillas híbridas de primera generación cada temporada, las empresas de suministro agrícola producen semillas a través de un proceso de reproducción independiente utilizando dos subespecies principales. Uno de esos padres es un macho infértil: no puede producir polen. Los investigadores se refieren a un tipo común de infertilidad masculina en las plantas como la esterilidad masculina citoplasmática (CMS, por sus siglas en inglés). El CMS es un fenómeno raro pero natural que se produce principalmente por genes que no se encuentran en el núcleo de las células, sino en las mitocondrias.

El poroto verde, remolachas, zanahorias, maíz, cebollas, petunia, canola para aceite, arroz, centeno, sorgo y girasoles pueden cultivarse comercialmente utilizando subespecies parentales con infertilidad masculina de tipo CMS.

Más allá del verde

Las plantas utilizan la luz solar para producir la mayor parte de su energía, a través de la fotosíntesis en cloroplastos de pigmento verde. Sin embargo, la fama de los cloroplastos está sobrevalorada, según Arimura. “La mayoría de las plantas no son verdes, solo las hojas sobre el suelo. Y muchas plantas no tienen hojas durante la mitad del año”, dijo Arimura.

Las plantas obtienen una porción significativa de su energía a través de la misma “central eléctrica de la célula” que produce energía en las células animales: las mitocondrias. “Si no hay mitocondrias en plantas, no hay vida”, dijo Arimura.

Las mitocondrias contienen ADN completamente separado del ADN principal de la célula, que se almacena en el núcleo. El ADN nuclear es el material genético largo de doble hélice heredado de ambos padres. El genoma mitocondrial es circular, contiene muchos menos genes y se hereda principalmente desde la madre.

El genoma mitocondrial animal es una molécula relativamente pequeña contenida en una única estructura circular con una notable conservación entre especies. “Incluso el genoma mitocondrial de un pez es similar al de un humano”, dijo Arimura.

Los genomas mitocondriales de plantas son una historia diferente. “El genoma mitocondrial de la planta es enorme en comparación, la estructura es mucho más complicada, los genes a veces se duplican, los mecanismos de expresión génica no se conocen bien y algunas mitocondrias no tienen genomas en absoluto; en nuestros estudios anteriores, observamos que se fusionan con otras mitocondrias para intercambiar productos proteicos y luego se vuelven a separar“, dijo Arimura.

Manipular el ADN mitocondrial de la planta

Para encontrar una manera de manipular el complejo genoma mitocondrial de la planta, Arimura recurrió a colaboradores familiarizados con los sistemas de CMS en arroz y canola. Investigaciones anteriores sugirieron con fuerza que en ambas plantas, la causa de la CMS era un gen mitocondrial único, evolutivamente no relacionado en el arroz y en canola: objetivos claros en el laberinto desconcertante de los genomas mitocondriales de las plantas.

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El equipo de Arimura adaptó una técnica que había editado previamente genomas mitocondriales de células animales que crecían en un plato. La técnica, llamada mitoTALENs, utiliza una única proteína para localizar el genoma mitocondrial, cortar el ADN en el gen deseado y eliminarlo. “Si bien la eliminación de la mayoría de los genes crea problemas, la eliminación de un gen CMS resuelve un problema para las plantas. Sin el gen CMS, las plantas son fértiles nuevamente“, dijo Arimura.

Un gen mitocondrial que causa infertilidad masculina citoplásmica se eliminó usando la técnica de mitoTALENs. El arroz infértil (derecha) permanece recto, pero el arroz fértil (izquierda) se dobla bajo el peso de semillas pesadas. | Imagen de Tomohiko Kazama, CC-BY

Las cuatro nuevas líneas de arroz completamente fértiles y las tres nuevas líneas de canola que los investigadores crearon son una prueba de concepto de que el sistema mitoTALENs puede manipular con éxito incluso el complejo genoma mitocondrial de la planta. “Este es un primer paso importante para la investigación mitocondrial de plantas”, dijo Arimura.

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Los investigadores estudiarán los genes mitocondriales responsables de la infertilidad masculina de la planta con más detalle e identificarán las posibles mutaciones que podrían agregar una diversidad muy necesaria.

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