Lograr que el arroz de alto rendimiento sea asequible y sostenible
Investigadores del IGI en UC Davis y UC Berkeley muestran cómo dos genes trabajan juntos para desencadenar la formación de embriones en el arroz
El arroz es un cultivo básico para más de la mitad de la población mundial, pero la mayoría de los agricultores no cultivan variedades de alto rendimiento porque las semillas son demasiado caras. Investigadores de los campus de Davis y Berkeley de la Universidad de California han identificado una posible solución: activar dos genes en los óvulos de arroz que desencadenan su desarrollo en embriones sin necesidad de fertilización, lo que crearía de manera eficiente cepas clonales de arroz y otros cultivos de alto rendimiento.
Un equipo liderado por Venkatesan Sundaresan, investigador del IGI y profesor distinguido en los departamentos de Biología vegetal e Ciencias de las plantas en UC Davis, previamente mostrado que es gen , que son BBM1 En las células de óvulos de arroz se podría activar la capacidad de un óvulo fertilizado para formar un embrión. Sin embargo, el método sólo funcionó alrededor del 30% de las veces. Ahora, el equipo ha demostrado que al activar simultáneamente un segundo gen, WOX9A, aumenta la tasa de éxito a alrededor del 90%. El hallazgo fue publicado 12 de noviembre en Nature Plants.
“Es notable que después de 20 años de esfuerzos infructuosos en materia de híbridos clonales, haya habido tantos avances recientes, desde demostrar que realmente es posible en 2019 hasta demostrar ahora que puede funcionar de manera eficiente en 2024”, dijo Sundaresan. “Soy muy optimista ahora que los híbridos ya no serán la barrera para lograr una agricultura sostenible con altos rendimientos en todo el mundo”.
Una forma rentable de alimentar al mundo
Las cepas híbridas de arroz, que se obtienen cruzando dos cepas puras, pueden producir casi el doble de la cosecha, pero su producción es costosa y obliga a los agricultores a comprar nuevas semillas cada año. Si las plantas híbridas pudieran reproducirse asexualmente, los agricultores podrían guardar semillas de un año para otro. Cómo diseñar un arroz que se reproduzca asexualmente ha sido un enigma que los científicos han estado tratando de resolver durante más de 30 años.
El equipo de Sundaresan demostró previamente que BBM1 es un desencadenante esencial para el desarrollo del embrión de la planta, y que la activación de este gen en los óvulos puede anular la necesidad de fertilización.
“Encendiendo BBM1 artificialmente en el huevo (SCD por sus siglas en inglés), “Es suficiente para iniciar la embriogénesis y crear una nueva planta, pero este proceso sólo funcionó alrededor de un tercio de las veces”, dijo Sundaresan. “Una de las cosas que nos preguntamos fue, tal vez BBM1 no es suficiente; tal vez necesite ayuda”.
Al examinar qué genes se activan en los óvulos de plantas fertilizadas, los investigadores identificaron un gen, WOX9A, para el cual sólo se expresa la copia del gen que lleva el esperma. Cuando activaron simultáneamente ambos BBM1 e WOX9A En las células de óvulos de arroz, resultó en la formación de embriones el 90% de las veces, aunque se activó WOX9A por sí solo no dio lugar a la iniciación del embrión.
"Nosotros pensamos BBM1 “El óvulo está activando un interruptor que prepara al óvulo para la transición a un embrión, pero el interruptor no es fijo”, dijo Sundaresan. “Entonces, WOX9A Entra y cierra el interruptor para que no vuelva a girar”.
Vigor híbrido sin necesidad de híbridos
Como proceden de óvulos no fecundados, las plantas producidas mediante este método son haploides, es decir, contienen la mitad de la cantidad habitual de cromosomas. Aunque las plantas de arroz haploides germinan y crecen, tienden a ser más atrofiadas en comparación con las plantas diploides, que tienen dos copias de cada gen.
“Los haploides son herramientas valiosas en el mejoramiento de plantas para producir líneas puras, que permiten una producción uniforme de cultivos”, dijo el autor correspondiente. Imtiyaz Khanday, profesor asistente de biología reproductiva de plantas en UC Davis en el Departamento de Ciencias Vegetales en el Colegio de Ciencias Agrícolas y Ambientales“Estos hallazgos también tienen implicaciones significativas para la producción de semillas clonales en altas frecuencias que conservan los beneficios del vigor híbrido”.
El siguiente paso, dicen los investigadores, es combinar este método de activación de ambos BBM1 e WOX9A con “apomixis sintética”, una técnica que desarrollado previamente para producir semillas clonales de forma asexual. Esto significa que los agricultores podrán cosechar los beneficios del vigor híbrido año tras año simplemente guardando una parte de la cosecha para plantarla el año siguiente.
“Si combinamos este truco de hacer que un óvulo se convierta en un embrión sin fertilización junto con otra técnica que anule la meiosis, podemos producir semillas híbridas de alto rendimiento de manera eficiente”, dijo Sundaresan. “En un mundo donde los recursos son cada vez más limitados, esto ofrece un camino a seguir para la agricultura sostenible para los productores de arroz y, en el futuro, también para otros cultivos”.
Otros autores del estudio son: Hui Ren y Kyle Shankle, de la Universidad de California en Davis, y Myeong-Je Cho y Michelle Tjahjadi, de la Universidad de California en Berkeley. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y de la Estación Experimental Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA).
Este artículo fue publicado originalmente como “Hacer que el arroz de alto rendimiento sea asequible y sostenible” por la Facultad de Ciencias Biológicas de la UC Davis.
Más información: Ren H, Shankle K, Cho MJ, Tjahjadi M, Khanday I y Sundaresan V. Inducción sinérgica de la embriogénesis independiente de la fertilización en células de óvulos de arroz mediante expresión del genoma paterno. transcripción Factores. Nature Plants (2024) https://doi.org/10.1038/s41477-024-01848-z
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liana espera
