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Investigadores despejan el camino para mejores plantas editadas genéticamente

La soya es uno de los cultivos en investigación bajo los fondos de la National Science Foundation.

Un equipo de investigadores ha encontrado una manera de identificar elementos reguladores de genes que podrían ayudar a producir plantas ‘de diseño’ y conducir a mejoras en los cultivos alimentarios en un momento crítico de cambio climático y crecimiento poblacional.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Georgia ha encontrado una manera de identificar elementos reguladores de genes que podrían ayudar a producir plantas “de diseño” y conducir a mejoras en los cultivos alimentarios en un momento crítico. Publicaron sus hallazgos en dos artículos separados en Nature Plants.

Según las proyecciones de la Organización para la Agricultura y la Alimentación de las Naciones Unidas (FAO), se espera que la población mundial alcance los 9.100 millones en 2050, por lo cual la producción mundial de alimentos deberá aumentar en un 70% y la producción de alimentos en el mundo en desarrollo. Las mejoras en las plantas de cultivo podrían desempeñar un papel clave en ese esfuerzo.

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El equipo, dirigido por Bob Schmitz, demostró la capacidad de identificar elementos reguladores cis, o CRE (por sus siglas en inglés), en 13 especies de plantas, incluido el maíz, el arroz, las porotos verdes y la cebada.

Los elementos reguladores cis son regiones de ADN no codificante que regulan genes vecinos. Si se puede identificar un gen y su CRE, se pueden tratar como una unidad modular, a veces llamada biobrick. El objetivo de los CREs para la edición ofrece una herramienta más refinada que la edición de genes, según Schmitz, profesor asociado de genética en el Franklin College of Arts and Sciences.

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“La edición de genes puede ser como un martillo. Si apuntas al gen, prácticamente lo rompes”, dijo. “Apuntar a los CRE, que están involucrados en el control de la expresión génica, cómo aparece una característica particular, le permite aumentar o disminuir la expresión génica, de manera similar a un dial. Nos brinda una herramienta para crear un rango completo de variación en la expresión de un gen“.

El control de un gen para la arquitectura de la hoja, por ejemplo, podría permitir que un obtentor elija el ángulo en el que una hoja crece de una planta, lo que puede desempeñar un papel importante en la absorción y el crecimiento de la luz de la planta. Apuntar al gen en sí mismo proporcionaría dos opciones: “encendido”, donde la hoja podría crecer en un ángulo de 90 grados, y “apagado”, donde la hoja podría crecer hacia abajo. Pero enfocarse en el CRE en lugar del gen permitiría al productor enfocarse en un rango de posibilidades intermedias: un ángulo de 10 grados, un ángulo de 25 grados, un ángulo de 45 grados, etc.

Una vez que se han creado y filtrado los ladrillos biológicos para obtener la producción deseada, podrían usarse para producir plantas “de diseño” (modificadas) que poseen características deseables, por ejemplo, plantas tolerantes a la sal que pueden crecer en un paisaje con alta salinidad. La capacidad de diseñar plantas para crecer en paisajes menos que ideales será cada vez más importante a medida que los productores de alimentos se esfuercen por producir más en un entorno que enfrenta desafíos cada vez mayores, como la sequía y las inundaciones.

En base a su éxito, el equipo de investigación recibió recientemente una subvención de US$3.5 millones de la National Science Foundation para investigar el papel de los CRE en las legumbres, incluidos el maní y la soya.

Detrás de la propuesta de subvención y de los documentos se encuentran avances tecnológicos desarrollados por Zefu Lu, Bill Ricci y Lexiang Ji.

“Zefu tomó un método de alto rendimiento para identificar elementos específicos que se desarrolló para las células animales y encontró una manera de aplicarlo a las células vegetales. Nos llevó mucho tiempo abordar la barrera significativa de los genomas de los organelos de las plantas, pero ahora somos capaces de hacer lo que el campo animal ha estado haciendo durante algunos años “, dijo Schmitz.

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“Cuando las personas intentan encontrar asociaciones de características/enfermedades, buscan mutaciones en los genes, pero el trabajo en animales ha demostrado que estas regiones no genéticas también poseen mutaciones que afectan la forma en que se expresa un gen. Las regiones que estamos identificando con este método están revelando información reguladora para el control de la expresión génica, que tradicionalmente ha sido difícil de detectar en comparación con los genes”.

Una de las contribuciones de Ricci fue desarrollar una técnica que muestre el vínculo entre las CRE y el gen que controlan.

“Por lo general, los CRE se encuentran justo al lado del gen que controlan, pero en plantas con genomas más grandes (soya, maíz), está claro que estos elementos de control pueden aparecer muy lejos”, dijo Schmitz. “En el espacio bidimensional, algo puede aparecer muy lejos, en muchos miles de pares de bases, pero el método de Bill muestra que en tres dimensiones, en realidad, se coloca justo al lado del gen”.

Este trabajo, la primera vez que se aplicó a las plantas, sirvió de base para los dos estudios publicados en Nature Plants, y Schmitz rindió homenaje a las contribuciones de los miembros de su equipo.

“Este es un esfuerzo grupal”, dijo. “Zefu, Bill y Lexiang fueron los principales impulsores de esta investigación”.

Los “elementos reguladores de Cis de largo alcance generalizados en el genoma del maíz” proporcionan evidencia molecular genética, epigenómica y funcional que respalda la existencia generalizada de loci de larga distancia que actúan como CRE de largo alcance que influyen sobre si se expresa un gen en el genoma del maíz y cómo lo hace.

En el estudio “La prevalencia, la evolución y las firmas de cromatina de los elementos reguladores de las plantas“, los investigadores identificaron miles de CRE y revelaron que las CRE de larga distancia son frecuentes en las plantas, especialmente en especies con genomas grandes y complejos. Resultados adicionales sugieren que los CRE funcionan con distintas rutas de cromatina para regular la expresión génica.

El trabajo del equipo se compartirá a través de navegadores de epigenoma disponibles al público que fueron desarrollados por Brigitte Hofmeister, un reciente graduado de doctorado del laboratorio de Schmitz.

“Nuestros estudios abarcan todo el genoma y realizamos muchas técnicas y desarrollos tecnológicos, pero no es útil si las personas no pueden acceder a él”, dijo Schmitz. “Proporcionamos navegadores de epigenoma que permiten a las personas que estudian la arquitectura de la hoja, por ejemplo, acceder a información sobre los genes o características específicas que les interesan”.

La industria también está interesada en las CRE, según Schmitz. Su canal de edición está bien establecido para los genes, y el siguiente objetivo obvio para la edición son los CRE una vez que se encuentran.

“No se trata solo de que la academia use esto para la ciencia básica”, afirma. “Las aplicaciones de este enfoque para identificar CRE se volverán comunes en la industria para mejorar el rendimiento de los cultivos”.

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