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Revolucionaria modificación del ARN aumenta la producción en un 50% en arroz y papa

Un ajuste genético que se dirige al ARN permite desarrollar cultivos que producen significativamente más alimentos y muestran una mayor tolerancia a la sequía, anunciaron científicos de la Universidad de Chicago, la Universidad de Pekín y la Universidad de Guizhou.

Universidad de Chicago / 22 de julio, 2021.- La manipulación del ARN puede permitir que las plantas produzcan dramáticamente más cosechas, así como aumentar la tolerancia a la sequía, anunció un grupo de científicos de la Universidad de Chicago, la Universidad de Pekín y la Universidad de Guizhou.

En las pruebas iniciales, la adición de un gen que codifica una proteína llamada FTO a las plantas de arroz y papa aumentó su rendimiento en un 50% en las pruebas de campo. Las plantas crecieron significativamente, produjeron sistemas de raíces más largas y pudieron tolerar mejor el estrés por sequía. El análisis también mostró que las plantas habían aumentado su tasa de fotosíntesis.

«El cambio es realmente dramático», dijo el profesor Chuan He de la Universidad de Chicago, quien junto con el profesor Guifang Jia de la Universidad de Pekín, dirigieron la investigación. «Es más, funcionó con casi todos los tipos de plantas con las que lo probamos hasta ahora, y es una modificación muy simple de hacer».

Los investigadores tienen esperanzas sobre el potencial de este avance, especialmente frente al cambio climático y otras presiones sobre los sistemas de cultivos en todo el mundo.

«Esto realmente brinda la posibilidad de diseñar plantas para mejorar potencialmente el ecosistema a medida que avanza el calentamiento global», dijo He, quien es «Profesor de Servicio Distinguido John T. Wilson» de Química, Bioquímica y Biología Molecular. «Dependemos de las plantas para muchas, muchas cosas, desde madera, alimentos y medicinas hasta flores y aceite, y esto ofrece potencialmente una forma de aumentar el material de reserva que podemos obtener de la mayoría de las plantas».

Más arroz y papas

Durante décadas, los científicos han estado trabajando para impulsar la producción de cultivos frente a un clima cada vez más inestable y una población mundial en crecimiento. Pero estos procesos suelen ser complicados y, a menudo, solo dan lugar a cambios incrementales.

La forma en que se produjo este descubrimiento fue bastante diferente.

Muchos de nosotros recordamos el ARN de la biología de la escuela secundaria, donde nos enseñaron que la molécula de ARN lee el ADN y luego produce proteínas para realizar tareas. Pero en 2011, el laboratorio de He abrió un campo de investigación completamente nuevo al descubrir las claves de una forma diferente en la que los genes se expresan en los mamíferos. Resulta que el ARN no se limita a leer el plano del ADN y ejecutarlo a ciegas; la propia célula también puede regular qué partes del plano se expresan. Lo hace colocando marcadores químicos en el ARN para modular qué proteínas se producen y cuántas.

A la izquierda, plantas de arroz sin la modificación del ARN. A la derecha, una planta de arroz con la modificación de ARN que aumenta el rendimiento. Imagen cortesía de Yu et al.

Él y sus colegas se dieron cuenta de inmediato de que esto tenía importantes implicaciones para la biología. Desde entonces, su equipo y otros en todo el mundo han estado tratando de desarrollar nuestra comprensión del proceso y lo que afecta a los animales, las plantas y diferentes enfermedades humanas; por ejemplo, es cofundador de una empresa de biotecnología que ahora desarrolla nuevos medicamentos contra el cáncer basados ​​en la selección de proteínas de modificación del ARN.

Él y Guifang Jia, una ex investigadora postdoctoral de la U. de Chicago que ahora es profesora asociada en la Universidad de Pekín, comenzaron a preguntarse cómo afectaba a la biología vegetal.

Se centraron en una proteína llamada FTO, la primera proteína conocida que borra las marcas químicas en el ARN, que Jia encontró como investigadora postdoctoral en el grupo He en UChicago. Los científicos sabían que funcionaba en el ARN para afectar el crecimiento celular en humanos y otros animales, por lo que intentaron insertar el gen en las plantas de arroz y luego observaron con asombro cómo las plantas despegaban.

«Creo que fue entonces cuando todos nos dimos cuenta de que estábamos haciendo algo especial», dijo.

Las plantas de arroz produjeron tres veces más arroz en condiciones de laboratorio. Cuando lo probaron en pruebas de campo reales, las plantas crecieron un 50% más de masa y produjeron un 50% más de arroz. Cultivaron raíces más largas, realizaron la fotosíntesis de manera más eficiente y pudieron resistir mejor el estrés por sequía.

Los científicos repitieron los experimentos con plantas de papa, que son parte de una familia completamente diferente. Los resultados fueron los mismos.

«Eso sugirió un grado de universalidad que fue extremadamente emocionante», dijo.

Arriba, el rendimiento de la papa a partir de plantas sin modificar. Abajo, el rendimiento de plantas con la modificación de ARN. Imagen cortesía de Yu et al.

Los científicos tardaron más en comenzar a comprender cómo estaba sucediendo esto. Otros experimentos demostraron que FTO comenzó a trabajar temprano en el desarrollo de la planta, aumentando la cantidad total de biomasa que producía.

Los científicos creen que FTO controla un proceso conocido como m6A, que es una modificación clave del ARN. En este escenario, FTO funciona borrando el ARN de m6A para amortiguar algunas de las señales que le dicen a las plantas que disminuyan la velocidad y reduzcan el crecimiento. Imagínese una carretera con muchos semáforos; si los científicos cubren las luces rojas y dejan la verde, más y más autos pueden moverse por la carretera.

En general, las plantas modificadas produjeron significativamente más ARN que las plantas del grupo control (no modificadas).

Modificando el proceso

El proceso descrito en este estudio implica el uso de un gen FTO animal en una planta. Pero una vez que los científicos comprenden completamente este mecanismo de crecimiento, piensa que podría haber formas alternativas de obtener el mismo efecto.

«Parece que las plantas ya tienen esta capa de regulación, y todo lo que hicimos fue aprovecharla», dijo. «Así que el siguiente paso sería descubrir cómo hacerlo utilizando la genética existente de la planta».

Se imagina todo tipo de usos en el futuro, y está trabajando con la universidad y el Centro Polsky de Emprendimiento e Innovación para explorar las posibilidades.

«Incluso más allá de la comida, hay otras consecuencias del cambio climático», dijo He. «Quizás podríamos diseñar pastos en áreas amenazadas que puedan resistir la sequía. Quizás podríamos enseñarle a un árbol en el Medio Oeste a tener raíces más largas, para que sea menos probable que se derribe durante tormentas fuertes. Hay tantas aplicaciones potenciales«.

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