Desarrollan nuevo método «CRISPR-Combo» que aumenta el poder de edición del genoma en las plantas

A la izquierda: brotes de álamo con el gen editado por CRISPR. A la derecha, brotes de álamo con la misma edición de CRISPR más mejoras en el gen para mejorar el crecimiento. Crédito: UMD

Los científicos han desarrollado el «CRISPR-Combo», un método para editar múltiples genes en las plantas y cambiar simultáneamente la expresión de otros genes sin efectos secundarios. Esta nueva herramienta permitirá combinaciones de ingeniería genética que trabajen juntas para potenciar la funcionalidad y mejorar la obtención de nuevos cultivos.

Universidad de Maryland / 23 de mayo, 2022.- Hace diez años, una nueva tecnología llamada CRISPR-CAS9 permitió a los científicos cambiar el código genético de los organismos vivos. Por muy revolucionaria que fuera, la herramienta tenía sus limitaciones. Al igual que los primeros teléfonos móviles, que sólo podían realizar una función, el método CRISPR original puede realizar una sola función: eliminar o sustituir genes en una secuencia genética. Las iteraciones posteriores de CRISPR se desarrollaron para otra función que permitía a los científicos cambiar la expresión de los genes activándolos o desactivándolos, sin eliminarlos del genoma. Pero cada una de estas funciones sólo podía realizarse de forma independiente en las plantas.

Ahora, científicos de la Facultad de Agricultura y Recursos Naturales de la Universidad de Maryland, Estados Unidos, han desarrollado «CRISPR-Combo», un método para editar múltiples genes en las plantas y cambiar simultáneamente la expresión de otros genes. Esta nueva herramienta permitirá combinaciones de ingeniería genética que trabajen juntas para potenciar la funcionalidad y mejorar la obtención de nuevos cultivos.

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«Las posibilidades son realmente ilimitadas en cuanto a los rasgos que pueden combinarse», dijo Yiping Qi, profesor asociado del Departamento de Ciencias Vegetales y Arquitectura del Paisaje y coautor del estudio. «Pero lo realmente emocionante es que CRISPR-Combo introduce un nivel de sofisticación en la ingeniería genética de las plantas que no habíamos tenido antes».

La nueva investigación aparece en el número de mayo de 2022 de la revista Nature Plants.

Los beneficios de manipular más de un gen a la vez pueden superar con creces los beneficios de cualquier manipulación por sí sola. Por ejemplo, imaginemos que un tizón arrasa los campos de trigo, amenazando el sustento de los agricultores y la seguridad alimentaria. Si los científicos pudieran eliminar un gen del trigo que lo hace susceptible al tizón y, al mismo tiempo, activar genes que acortan el ciclo de vida de la planta y aumentan la producción de semillas, podrían producir rápidamente trigo resistente al tizón antes de que la enfermedad tuviera la oportunidad de causar demasiado daño.

Ese es el tipo de ingeniería que Qi y su equipo demostraron en cuatro fases diferentes de experimentación.

Primera fase: probar el concepto

Qi y su equipo habían desarrollado anteriormente nuevos métodos CRISPR para regular la expresión de los genes en las plantas y para editar varios genes al mismo tiempo. Pero para desarrollar CRISPR-Combo, tenían que demostrar que podían realizar ambas funciones de ingeniería genética en paralelo sin consecuencias negativas. En este nuevo trabajo, lo demostraron utilizando células de tomate y arroz.

«Como prueba de concepto, demostramos que podíamos eliminar el gen A y aumentar -o activar- el gen B con éxito, sin cruzar accidentalmente y eliminar el gen B o aumentar el gen A», dijo Qi.

A continuación, Qi y sus colegas probaron el CRISPR-Combo en una planta con flores llamada berro (Arabidopsis), que los investigadores suelen utilizar como modelo de investigación para cultivos básicos como el maíz y el trigo. Los investigadores editaron un gen que hace que la planta sea más resistente a los herbicidas, al tiempo que activan un gen que provoca una floración temprana, que produce semillas más rápidamente. El resultado fue una planta de berro resistente a los herbicidas que produjo ocho generaciones en un año en lugar de las cuatro habituales.

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Ingeniería más eficaz

En su tercer experimento, el equipo demostró cómo CRISPR-Combo podía mejorar la eficiencia en el cultivo de plantas utilizando cultivos de tejidos de álamo. Los programas de mejora para desarrollar nuevas variedades de plantas suelen emplear cultivos de tejidos en lugar de semillas: piense que una planta puede volver a echar raíces y hojas a partir de un solo tallo plantado en el suelo. Los científicos modifican genéticamente las células madre que tienen la capacidad de crecer hasta convertirse en plantas completas, y cuando esas plantas maduran y producen semillas, éstas llevan las modificaciones genéticas realizadas en las células madre.

Algunas plantas son mejores para regenerarse a partir de cultivos de tejidos que otras, lo que hace que este paso sea el mayor cuello de botella en la ingeniería genética de los cultivos. En algunas plantas, el porcentaje de éxito es de apenas un 1%.

Qi y su equipo abordaron el cuello de botella editando primero unos pocos rasgos en las células de álamo y activando después tres genes que promueven la regeneración de los tejidos de la planta.

«Demostramos en los álamos que nuestro nuevo método podía ofrecer una solución al cuello de botella de la regeneración de tejidos, aumentando drásticamente la eficiencia de la ingeniería genética», dijo Qi.

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Atajo sin hormonas

En la actualidad, el cultivo de plantas modificadas genéticamente a partir de tejidos requiere la adición de hormonas de crecimiento, que activan los genes promotores del crecimiento. El equipo de investigación acortó este proceso en el arroz activando directamente estos genes con CRISPR-Combo. El resultado fue un arroz editado genéticamente a partir de cultivos de tejidos que no requería la adición de hormonas. Qi y sus colegas descubrieron que los cultivos de tejidos cultivados con su método expresaban más del gen editado que los tejidos cultivados con hormonas.

«Este método da lugar a un proceso de edición del genoma muy eficiente», dijo Qi.

Ahora que el equipo ha demostrado que su método CRISPR-Combo funciona en una variedad de plantas con múltiples propósitos, se proponen realizar experimentos en cítricos, zanahorias y papas para probar su viabilidad en una fruta, una verdura y un cultivo básico. También están trabajando en la creación de un arroz dorado resistente a los herbicidas, con mayor contenido nutricional, y de un arroz rojo con más antioxidantes.

Otros coautores del trabajo de investigación de la UMD son el profesor asociado Gary Coleman, los asociados posdoctorales Changtian Pan y Gen Li, la becaria posdoctoral Filiz Gurel, los estudiantes de posgrado Yanhao Cheng, Aimee A. Malzahn y Simon Sretenovic, y el estudiante de laboratorio y de secundaria Benjamin Leyson.

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