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Grandes pasos hacia el Santo Grial del fitomejoramiento: la «apomixis», con híbridos que pueden clonar sus semillas

cultivos híbridos

El postdoc Imtiyaz Khanday y el profesor Venkatesan Sundaresan con plantas de arroz híbrido clonadas en un invernadero de UC Davis, en diciembre de 2018. Khanday, Sundaresan y sus colegas han resuelto el problema de propagar plantas híbridas clonadas a partir de semillas, un descubrimiento largamente buscado con grandes implicaciones para la agricultura mundial. Podría facilitar que los agricultores más pobres del mundo cultiven cosechas de alto rendimiento, resistentes a las enfermedades o tolerantes al clima y guarden sus semillas para un uso futuro. Crédito: UC Regents

Si bien los genetistas han buscado la apomixis (producción de semillas de manera asexual) durante décadas, hasta ahora ha estado muy fuera de su alcance. Sin embargo, varios avances importantes en la investigación reciente (incluyendo la edición del genoma) están acercando cada vez más la llegada de la apomixis a cultivos agrícolas, lo cual permitiría que incluso los híbridos hereden sus beneficios productivos a su progenie.

Seed World / 21 de noviembre.- En la naturaleza, unas 400 especies de plantas pueden reproducirse clonalmente: los óvulos dentro de las flores de los dientes de león, las saskatoons y las naranjas, por ejemplo, pueden convertirse en óvulos o huevos clonales sin polinización, transfiriendo genes de forma estable entre generaciones, de madre a hija. Aprovechar este proceso apomíctico tiene el potencial de transformar drásticamente el fitomejoramiento y acelerar drásticamente la propagación de híbridos.

La empresa de investigación de plantas KeyGene, con sede en los Países Bajos, está a la vanguardia en la búsqueda de la apomixis y ha sido el hogar de varios avances importantes en la apomixis en los últimos años. Rik Op den Camp, científico del programa y líder del equipo de investigación de KeyGene, dice que la apomixis sería una tecnología revolucionaria para los fitomejoradores.

“Algunas personas utilizan la expresión ‘Santo Grial’ para referirse a la apomixis. Sería muy, muy impactante”, afirma.

Lo más obvio es que el acceso a la apomixis aceleraría el proceso de mejoramiento, permitiendo a los investigadores avanzar mucho más rápidamente hacia ensayos de campo muy grandes en múltiples ubicaciones gracias a la propagación de semillas clonadas.

Quizás lo más importante es que la apomixis permitiría a los fitomejoradores capturar y mantener el vigor híbrido.

«Si se puede corregir la heterosis después de un cruce único y luego la producción de semillas solo producirá esas plantas heteróticas fijas, será un cambio bastante impactante y tendrá un gran impacto en la forma en que se realiza el mejoramiento», Op den Camp. dice.

La apomixis también podría ampliar los beneficios del vigor híbrido a muchas más especies, dice Mary Gehring, bióloga molecular del Instituto Whitehead del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

“El vigor híbrido es muy importante para el maíz. Esto se desarrolló porque es muy fácil polinizar el maíz. Pero para otros cultivos –especies como la soya, por ejemplo– que podrían beneficiarse del vigor híbrido, no hay una manera fácil de crear híbridos debido a la estructura de la flor o la genética”, afirma. «La apomixis podría ampliar los beneficios del vigor híbrido a muchas más especies porque sólo habría que crear un híbrido una vez y luego podría perpetuarlo«.

La apomixis también podría eliminar el problema de que los virus pasen a través de esquejes dentro de cultivos que generalmente se propagan vegetativamente, como las papas.

No tan positivamente, la apomixis también podría resultar muy perjudicial para el sector de las semillas y, en consecuencia, para la inversión en fitomejoramiento.

“La cuestión es que si compras un híbrido F1 [apomíctico] en el mercado, puedes seguir cosechando semillas. Puedes hacerlo crecer indefinidamente porque ya no necesitas las líneas parentales. Así que realmente elimina esa protección en el sistema actual”, dice Op den Camp.

Los investigadores están siguiendo dos vías para lograr la apomixis. El primero, que ha demostrado ser más fácil de lograr, es la apomixis sintética.

En términos simples, la apomixis sintética se logra paso a paso mediante la edición de genes.

“Si modificamos de esta manera la reproducción de las plantas, tendremos el primer paso de la apomixis”, explica Op den Camp. “Entonces, si hacemos que esta planta produzca embriones espontáneamente, entonces tenemos el segundo paso. [En el arroz], es una combinación de tres genes que deben eliminarse o editarse, y un gen que debe expresarse ectópicamente a través de un transgén para lograr la apomixis”.

En 2019, un equipo internacional informó que había modificado genéticamente una línea de plantas de arroz que podían reproducirse clonalmente, la primera apomixis sintética en un cultivo. Este fue un gran paso adelante pero, debido a que diferentes genes controlan la apomixis en diferentes tipos de plantas, el hallazgo no pudo replicarse en especies distintas de las gramíneas.

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La otra limitación de la apomixis sintética es que (al menos tal como está la tecnología en este momento) cualquier clon producido es el punto final del mejoramiento: no pueden cruzarse más porque sus genes apomícticos producirán descendencia con demasiados cromosomas en las generaciones posteriores. Esto significa que la apomixis sintética tiene el potencial de acelerar la propagación de líneas preferidas, pero no puede aprovecharse más dentro de un programa de mejoramiento más amplio.

La segunda forma de lograr la apomixis es mediante ingeniería inversa de los mecanismos subyacentes que permiten la apomixis natural. Op den Camp explica que el objetivo de su equipo es introducir la apomixis biológica en plantas no apomícticas, lo que permitiría el mejoramiento continuo más allá de la primera generación apomíctica.

“Algunas personas consideran que corregir la heterosis es el objetivo final del fitomejoramiento. Pero si se utiliza la apomixis biológica, es sólo el comienzo”, afirma. «Para que un plan de mejoramiento avance rápidamente en el mejoramiento real, lo que significa que tiene una ganancia genética en cada ciclo que crece, tener la oportunidad de hacer cruces es muy importante, y eso solo es posible a través de la apomixis biológica».

Actualmente, su equipo está estudiando el diente de león común, que es un conocido apomíctico con todas las semillas idénticas a las de la madre.

“Si haces un híbrido de eso -lo cual puedes porque el polen sigue siendo sexual- eso te permite seguir haciendo cruces y seguir mejorando usando la apomixis”, explica. “Entonces, una vez que encuentres algo que sea interesante, puedes conservarlo como un clon y propagarlo, pero si quieres continuar con ese material, puedes simplemente hacer un cruce y generar una nueva variación. En el mejoramiento, eso le permitirá avanzar más rápido y crear mucho antes nuevos productos y tal vez optar por productos más localizados, productos que sean adecuados para ciertas geografías, por ejemplo”.

La apomixis biológica depende de dos genes notables. El gen de la diplosporia (DIP), descubierto por KeyGene en 2016, impide que el óvulo reduzca a la mitad sus cromosomas (un paso necesario en la reproducción sexual). El gen de la partenogénesis (PAR), cuyo descubrimiento Keygene anunció en el diente de león el año pasado, permite que un óvulo comience a dividirse sin fertilización. Curiosamente, aunque sólo un pequeño número de plantas utilizan apomixis, la mayoría de las especies tienen genes similares a los genes DIP y PAR, lo que sugiere que crear apomixis dentro de plantas no apomícticas no está lejos de su alcance.

El equipo de Op den Camp está utilizando actualmente los dos descubrimientos genéticos en modelos de cultivos. El siguiente paso, afirma, es trasladar los hallazgos a cultivos reales. Mientras tanto, los investigadores también deben seguir analizando los modos de acción exactos (los sistemas complejos e interrelacionados) que permiten que la apomixis se desarrolle en un cultivo.

“En las etapas iniciales, será una prueba de concepto transgénico, y luego también veremos rutas hacia aplicaciones no transgénicas. Estas aplicaciones no transgénicas provienen de una comprensión más profunda de la biología, porque si sabes cómo han evolucionado las cosas en los apomícticos naturales, puedes ir más allá”, afirma.

Además de los genes DIP y PAR, la apomixis biológica también depende de un componente crítico adicional. Cada semilla está formada por tres partes: una cubierta seminal (el tejido materno), un embrión (que es fertilizado sexualmente en la mayoría de las plantas pero incluye genética exclusivamente materna en los apomícticos) y un endospermo. La formación de un endospermo funcional parece ser, según Gehring, la «parte más complicada».

La apomixis es un componente relativamente nuevo del programa de investigación de Gehring. Ella y su equipo han estudiado el desarrollo de las semillas sexuales, especialmente la regulación epigenética de la expresión del endospermo. Tan sólo en los últimos dos años, el equipo ha comenzado a trabajar en la apomixis. Su objetivo es resolver el rompecabezas del endospermo y Gehring dice que están logrando avances.

El endospermo de las semillas sexuales se forma mediante un segundo evento de fertilización y tiene una ploidía inusual: es triploide con dos genomas maternos y uno paterno. Los apomícticos naturales pueden formar su endospermo de dos formas: en algunos casos, mediante polinización y en otros sin ella.

«En los apomícticos naturales, en algunos casos, el endospermo sigue siendo sexual, por lo que todavía se poliniza, aunque el lado paterno no aporta genes a la siguiente generación», dice Gehring. «En otros casos, el endospermo se forma sin fertilización alguna».

El objetivo del equipo de investigación de Gehring es lograr un endospermo funcional que no requiera ningún genoma paterno: un apomíctico formado exclusivamente a partir de genes maternos tanto dentro del embrión como en el endospermo. Para llegar allí, el equipo está empleando estrategias tanto sintéticas como biológicas.

Op den Camp dice que tiene esperanzas, incluso confianza, de que los grandes pasos dados hasta la fecha se traduzcan en una tecnología funcional en el corto plazo.

“Nuestro objetivo es que a finales de la década haya [apomixis biológica] en una sola especie de cultivo. Tenemos múltiples programas de recursos en ejecución en este momento y creo que es posible lograrlo”.

Es cierto que los científicos han estado investigando la apomixis (y anticipando grandes resultados) durante varias décadas. (Por ejemplo, en ensayos de investigación anteriores había grandes esperanzas de que las pruebas de detección de mutantes en Arabidopsis descubrieran mutantes que causaran apomixis. «Aunque algunos fenotipos resultaron relevantes, no había nada como un solo gen que, si se alteraba, causaría apomixis», dice Gehring. .)

Lo que es diferente ahora es una función de las tecnologías modernas… y un impulso al entusiasmo científico tradicional.

«Hay muchos grupos trabajando en esto ahora y hemos visto en los últimos años avances que se lograron mediante aplicaciones de las últimas tecnologías como, por ejemplo, la secuenciación de lectura larga Oxford Nanopore y la edición de genes«, dice Op den Camp. “Estos nos permiten hacer descubrimientos, lo que hace que el campo avance rápidamente. Y debido a ese rápido progreso, el interés realmente ha regresado. Hay más reuniones. Se están formando consorcios internacionales. Ya no es sólo la promesa; realmente hay evidencia concreta de que podemos avanzar y hacerlo realidad”.

El interés, la emoción y, en última instancia, la inversión en investigación son buenas noticias, añade Gehring. “La estrategia de múltiples enfoques de múltiples grupos será importante, porque [la apomixis] ha sido un problema bastante difícil de resolver. Pero en este punto, creo que ya estamos en el punto en que se trata de un problema que tiene solución. Incluso si son 10 años, no es mucho en términos de fitomejoramiento”.

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