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Las plantas transmiten ‘memoria’ del estrés a parte de sus descendientes, haciéndolos más resistentes

Los investigadores Xiaodong Yang (izquierda), profesor asistente de investigación, Hardik Kundariya, estudiante graduado (centro), y Sally Mackenzie, profesora de biología y ciencias de las plantas, en el laboratorio que realiza una investigación sobre el proceso de inducción de la memoria del gen MSH1. Imagen: Penn State

Al manipular la expresión de un gen, los genetistas pueden inducir una forma de “memoria de estrés” en las plantas, la cual es heredada por parte de la progenie, dándoles el potencial de un crecimiento más vigoroso, resistente y productivo, según afirman investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, quien sugieren  que el descubrimiento tiene implicaciones significativas para el mejoramiento genético de cultivos.

Penn State / 5 de mayo, 2020.- Y debido a que la técnica es epigenética, es decir que implica la expresión de genes existentes y no la introducción de nuevo material genético de otra planta, los cultivos mejorados con esta tecnología podrían evitar la controversia política/regulatoria asociada con los organismos y alimentos genéticamente modificados.

“Un gen, MSH1, nos da acceso a lo que controla una amplia gama de redes de resiliencia de las plantas”, dijo Sally Mackenzie, profesora de ciencias vegetales en la Escuela de Ciencias Agrícolas y profesora de biología en el Eberly College of Science. “Cuando una planta experimenta un estrés como la sequía o el calor extremo prolongado, tiene la capacidad de adaptarse rápidamente a su entorno para volverse fenotípicamente “plástico”o flexible”.

Este gráfico muestra el pedigrí de línea de memoria del gen MSH1 transgeneracional. El linaje de memoria del gen MSH1 se desarrolló seleccionando la progenie “nula en transgén” mantenida durante seis generaciones en paralelo a un grupo de control de plantas convencionales (o wild-type). IMAGEN: GRUPO DE INVESTIGACIÓN SALLY MACKENZIE / Penn State

Los investigadores explican que hay muchas formas de inactivar el gen MSH1, y en este contexto todos funcionan. En especies de plantas bien estudiadas, como Arabidopsis, tomate o arroz, es posible identificar mutaciones en el gen. En otros, y para pruebas comerciales, es posible diseñar un transgen que use “interferencia por ARN” para apuntar específicamente a MSH1 para silenciar genes. Según informan, cualquier método que silencia los resultados de MSH1 tiene resultados muy similares.

“Cuando las plantas se modifican epigenéticamente, pueden modificar muchos genes de la manera más simple posible”, señaló Mackenzie. Eso incluye ajustar el reloj circadiano, detectar la luz y activar el crecimiento y las fases reproductivas, y modificar las respuestas hormonales para darles la máxima flexibilidad, haciéndolos más resistentes.

Las plantas que “detectan” el estrés después de silenciar el gen MSH1 pueden ajustar su crecimiento y cambiar la configuración de la raíz, limitar la biomasa aérea, retrasar el tiempo de floración y alterar su respuesta a los estímulos ambientales. Esas respuestas son “recordadas”, informaron los investigadores, y pasaron el mejoramiento selectivo selectiva a través de muchas generaciones.

“En nuestra investigación, mostramos que esta condición de memoria es heredable por progenie, pero ocurre solo en una proporción de la progenie, de modo que hay hermanos llenos con memoria y sin memoria”, dijo Mackenzie, la Cátedra Lloyd y Dottie Huck de Genómica Funcional . “Eso da como resultado cambios definibles en la expresión génica que impactan la ‘plasticidad’ fenotípica de una planta”. Sugerimos que todas las plantas tienen esta capacidad y que la condición que describimos probablemente sea una parte importante de cómo las plantas transmiten la memoria de su entorno a la precondición de progenie.”

Esta vista muestra la gran variedad de crecimiento entre plantas con memoria y sin memoria en la investigación. IMAGEN: GRUPO DE INVESTIGACIÓN SALLY MACKENZIE / Penn State

Al ajustar la arquitectura epigenética de una planta, los investigadores pudieron acceder a su red de resiliencia y ver cómo los genes se expresan rápida y ampliamente para ajustar el crecimiento de una planta para adaptarse al medio ambiente, señaló Mackenzie, director del Plant Institute en Penn State.

Los investigadores identifican vías que mejoran el crecimiento de las raíces y el vigor de las plantas, aumentando el rendimiento. Presentaron sus resultados hoy (5 de mayo) en Nature Communications. Cuando se cruza o se injerta una planta modificada con MSH1, este vigor mejorado de la planta se vuelve bastante pronunciado.

Los investigadores sostienen que las plantas pueden ser “reprogramadas” epigenéticamente para expresar genes de manera diferente sin alterar el genotipo, lo que constituye un enfoque no tradicional de mejoramiento. Debido a que ahora pueden identificar redes de genes que parecen ser el objetivo de esta manipulación, los investigadores informan que las plantas tienen mecanismos diseñados para abordar el estrés o alterar el crecimiento, y se puede acceder a ellos.

Los investigadores centraron sus esfuerzos en la pequeña planta con flores, Arabidopsis, un pariente de la col y la mostaza de la familia de las Brasicaceas. Es uno de los organismos modelo utilizados para estudiar biología vegetal y la primera planta en secuenciar su genoma completo. Arabidopsis es útil para experimentos genéticos debido a su corto tiempo de generación y producción prolífica de semillas a través de la autopolinización. Los investigadores cultivaron cinco generaciones de Arabidopsis para estudiar plantas “con memoria” y “sin memoria”.

En una investigación de seguimiento que ya se está realizando en el laboratorio de Mackenzie, los investigadores han suprimido los genes MSH1 en las plantas de tomate y soya y los experimentos de injerto se han probado en el campo con excelentes resultados de rendimiento. Ahora se está trabajando en un experimento a gran escala para cultivar canola modificada con MSH1. Esta tecnología es parte de una empresa emergente llamada EpiCrop Technologies Inc. que fue cofundada en tecnología MSH1 y su utilidad en la agricultura.

También participaron en la investigación en Penn State Xiaodong Yang, profesor asistente de investigación en los departamentos de Biología y Ciencia de las Plantas; Michael Axtell, profesor de biología, Robersy Sanchez y Tom Maher, biólogos computacionales, Hardik Kundariya e Isaac Dopp, estudiantes de posgrado, Rosemary Schwegel, técnico de investigación en biología y Kamaldeep Virdi, un ex estudiante de posgrado ahora empleado en Texas.

La Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud apoyaron este trabajo.

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