Investigadores descubren nuevos mecanismos y clonan genes de resistencia a roya en el trigo

Desde la izquierda: el profesor Brande Wulff, Guotai Yu, Yajun Wang y el profesor Simon Krattinger colaboraron para revelar nuevos conocimientos sobre la resistencia a la roya del trigo. © 2023 KAUST; Anastasia Serín.

La investigación destaca el papel emergente de dos proteínas de fusión de quinasa inusuales en la resistencia a las enfermedades del trigo harinero. También podrían permitir mejorar variedades tolerantes al calor.

KAUST / 22 de mayo, 2023.- Los investigadores han clonado los genes de resistencia a la roya del trigo Lr9 y Sr43 e identificado que codifican proteínas de fusión de quinasa inusuales. Su investigación permitirá nuevas opciones para abordar la resistencia a las enfermedades en el trigo harinero.

Cada año, alrededor del 20 por ciento de la producción mundial de trigo se pierde debido a plagas y enfermedades, el equivalente a 3500 barcos de granos. El mejoramiento de cultivares resistentes es una de las formas más económicas y respetuosas con el medio ambiente de abordar el problema.

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Los parientes silvestres del trigo proporcionan una reserva de diversidad genética para el mejoramiento de cultivos. El gen de resistencia a la roya de la hoja Lr9, por ejemplo, se identificó originalmente en una hierba silvestre (Aegilops umbellulata). En un experimento pionero realizado en la década de 1950, el Dr. Ernest Sears logró transferir un diminuto segmento Lr9 de un cromosoma Aegilops al trigo harinero, demostrando que es posible cruzar de forma estable pequeños segmentos cromosómicos de parientes silvestres distantes.

Casi el 40 por ciento de los genes de resistencia encontrados en el trigo harinero hoy en día se han cruzado con trigo de parientes silvestres durante los últimos 60 años. Los cultivares de trigo que portaban Lr9 se lanzaron a fines de la década de 1960 y Lr9 sigue siendo efectivo en muchas áreas de cultivo de trigo. Sin embargo, este tipo de mejoramiento puede conducir a la introducción conjunta de versiones desfavorables de otros genes del pariente silvestre, lo que se conoce como “arrastre de ligamiento” (linkage drag).

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El investigador de la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Yajun Wang, utilizó la secuenciación de lectura larga para secuenciar los genomas de un cultivar de trigo harinero que contenía Lr9 y Ae. umbelulata. La comparación de los dos genomas permitió la reconstrucción completa de esta translocación histórica. “Descubrimos que Lr9 se había introducido en el trigo junto con otros 536 genes de Aegilops umbellulata. Además, el proceso condujo a la eliminación de un pequeño fragmento del genoma del trigo que contenía 87 genes”, dice Wang.

Similar a Lr9, el gen de resistencia a la roya del tallo Sr43 provino del pasto de trigo alto silvestre (Thinopyrum elongatum).

Dos equipos dirigidos por Simon Krattinger y Brande Wulff clonaron Lr9 y Sr43, respectivamente, generando mutantes y comparando su secuencia con los genomas originales.

“Los genes clonados ahora se pueden usar para diseñar líneas de trigo harinero sin arrastre de ligamiento. Más importante aún, los genes se pueden combinar con otros genes de resistencia a la roya clonados en pilas de múltiples genes para crear líneas con una resistencia superior y más duradera”, dice Guotai Yu, investigador principal del proyecto Sr43.

Para clonar Lr9, Wang desarrolló un método novedoso llamado MutIsoSeq basado en la secuenciación del ARNm en lugar del ADN genómico. Combina la secuenciación de ARNm de lectura larga de líneas parentales de tipo silvestre y la secuenciación de ARNm de lectura corta de plantas mutantes para identificar genes candidatos. En comparación con otros métodos de clonación de genes basados en la secuenciación del ADN, MutIsoSeq permite una clonación más económica y rápida de genes causales sin el tedioso mapeo genético, y el método se puede aplicar fácilmente en cualquier laboratorio de biología molecular básica.

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La clonación de Lr9 y Sr43 también reveló que los genes codifican proteínas de fusión de quinasa inusuales. Las quinasas de trigo han surgido recientemente como un nuevo actor destacado involucrado en la resistencia a enfermedades en el trigo y la cebada. Los investigadores combinaron el análisis mutacional a gran escala y el modelado de proteínas AlphaFold para interpretar la función de la proteína.

“Una quinasa es una enzima común que juega un papel importante en muchos procesos celulares tanto en plantas como en animales, incluso en la inmunidad”, dice Krattinger.

“Los patógenos secretan proteínas que sabotean los procesos del huésped, lo subvierten y causan enfermedades. Nuestro trabajo sugiere que la fusión de estas proteínas con quinasas puede permitir que el huésped detecte más fácilmente la presencia de patógenos y desencadene respuestas de defensa”, agrega.

Una característica peculiar del gen Sr43 es que no proporciona una buena resistencia a temperaturas elevadas.

“Habiendo clonado Sr43, ahora podemos comenzar a desentrañar el mecanismo molecular de su sensibilidad a la temperatura. Esto puede permitirnos diseñar una versión resistente al calor que se adapte mejor al cambio climático”, dice Wulff.

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