Durante 10,000 años, el principal cultivo alimentario mundial, el arroz, se ha reproducido sexualmente, reorganizando su ADN con cada generación ya menudo perdiendo rasgos deseables… hasta ahora.
¿En qué piensas cuando escuchas la palabra "reproducción asexual"? Si eres un agrónomo que piensa en cómo alimentar a un planeta en crecimiento, esta frase es música para tus oídos. Un equipo de científicos dirigido por el investigador IGI y el profesor Venkatesan Sundaresan de UC Davis ha descubierto una manera de hacer que el arroz se reproduzca asexualmente y así hacer realidad un sueño agrícola. Publicado hoy en Naturaleza, el trabajo describe una forma innovadora de permitir que una planta de arroz produzca semillas que se conviertan en un clon del padre. Este es un avance extraordinario en la agricultura, ya que eventualmente permitirá a los agricultores plantar y replantar semillas de variedades de plantas de élite, todo sin perder ninguno de sus rasgos valiosos, sobre todo el rendimiento (el arroz proporciona> 50% de calorías diarias a la mitad de la población mundial). .
Una búsqueda digna
Se ha reconocido desde hace mucho tiempo que permitir la reproducción asexual en los principales cultivos alimentarios del mundo presagiaría un cambio sustancial en la agricultura mundial. Muchos cultivos cultivados por agricultores de todo el mundo se obtienen mediante el cruce genético de dos padres consanguíneos para producir semillas "híbridas". Las semillas resultantes superan a cualquiera de los padres, un fenómeno de sinergia biológica conocido como "vigor híbrido", que a veces produce el doble de rendimiento de grano. Desafortunadamente, cuando el híbrido pasa por la reproducción sexual, su ADN se mezcla y muchas semillas no heredan la elusiva combinación de los genes que crean vigor híbrido.
Por lo tanto, el arroz que es útil para los agricultores es como un labradoodle, un cruce entre un labrador y un caniche. Como saben los amantes de los perros, dos labradoodles no tendrán cachorros que se parezcan en nada a sus padres o abuelos. Para un cultivo como el arroz, que alimenta a la mitad del planeta, este es un problema importante.
Si las plantas híbridas robustas pudieran ser más fáciles de criar, propagar y distribuir, su costo se reduciría, haciéndolas accesibles a los agricultores de los países en desarrollo que más necesitan el alimento adicional. “Este es un gran avance para el fitomejoramiento”, dice Brian Staskawicz, Director Científico de Agricultura de IGI. "Esto tendría un gran impacto, ya que los pequeños agricultores podrían guardar su semilla de generación en generación y aún así mantener los altos rendimientos que ofrece la semilla híbrida sin el costo adicional".
Se sabe que varias plantas se reproducen asexualmente en la naturaleza, un proceso también conocido como "apomixis". Estos incluyen moras, dientes de león y algunas hierbas (no exactamente alimentos básicos). Sin embargo, los científicos han tenido relativamente poco éxito en la manipulación genética de plantas sexuales para que se reproduzcan de esta manera, y mucho menos en los principales cultivos alimentarios. Sundaresan y sus colegas son los primeros en realizar este noble objetivo.
Un par de ajustes es todo lo que necesitas.
Dos obstáculos principales impiden la reproducción asexual: un proceso llamado meiosis y la necesidad de un espermatozoide (SCD por sus siglas en inglés),. Para crear semillas clonales, el equipo encontró formas inteligentes de abordar ambos problemas.
Para detener la meiosis, utilizaron CRISPR-Cas9 edición del genoma basado en CRISPR, que permite a los científicos alterar secuencias específicas de ADN, desactivando genes fácilmente o agregando material nuevo. La meiosis es una etapa de la reproducción sexual que mezcla las secuencias de ADN y divide los cromosomas en diferentes óvulos. El grupo se basó en una estrategia desarrollada por el coautor Raphael Mercier en INRA, Francia, y utilizó genoma, edición para deshabilitar tres genes críticos de la meiosis, sin la necesidad de agregar ningún ADN extraño. Con la meiosis desactivada por la edición del genoma, el genoma del arroz permanece igual. A continuación, tuvieron que pasar por alto el paso de fertilización para permitir el desarrollo del embrión y evitar la introducción de ADN de los espermatozoides.
La información clave detrás de este avance provino del estudio de un gen del arroz llamado "Baby Boom 1", abreviado BBM1 en el laboratorio de Sundaresan. El autor principal, Imtiyaz Khanday, científico postdoctoral en el laboratorio de Sundaresan, descubrió que este gen está activo en los espermatozoides de una planta de arroz y sirve como desencadenante para que el óvulo fertilizado comience a convertirse en un embrión y, finalmente, en una semilla completa. Los investigadores razonaron que si pudieran activar el gen en un óvulo, podrían evitar el paso de fertilización, desencadenando el crecimiento del embrión sin espermatozoides, un proceso llamado partenogénesis.
Una vez que los científicos desactivaron la meiosis e introdujeron BBM1, los óvulos se convirtieron en embriones idénticos a la planta de arroz madre, formando finalmente semillas clonales. Fundamentalmente, el grupo plantó estas semillas clonales para hacer crecer una planta de arroz completa, luego plantó sus semillas y continuó el proceso durante tres generaciones. Incluso las grandes plantas eran idénticas a la planta inicial, una indicación importante de que la estrategia debería funcionar para mantener a los híbridos reproduciéndose como clones durante muchas temporadas de crecimiento.
Haciendo un impacto profundo
Sundaresan y su equipo se están preparando para el camino a seguir, con la esperanza de mejorar su trabajo inicial e introducir una variedad de cultivos híbridos clonales al mundo.
“De hecho, nos sorprendió y emocionó que funcionó tan bien como en nuestros primeros experimentos”, explica Sundaresan. “Ahora que se ha abierto la carretera, sería fantástico tenerla funcionando con la máxima eficiencia en el campo, de modo que los agricultores que no pueden pagar las semillas híbridas aún puedan obtener todos los beneficios de los híbridos a partir de sus semillas cultivadas en casa”.
Es particularmente emocionante observar que los genes modificados en este estudio se encuentran en otras plantas, por lo que el mismo enfoque debería permitir el desarrollo de maíz, trigo, tomates y otros cultivos alimenticios importantes que se reproducen asexualmente.
El objetivo a largo plazo es hacer que las semillas híbridas clonales estén disponibles para los pequeños agricultores del mundo en desarrollo, que son los que más se benefician del acceso a variedades de cultivos de alto rendimiento.
“Todos los científicos sueñan con tener un impacto positivo en el mundo, y ¿qué mejor lugar para comenzar que aumentar el suministro de alimentos en el planeta? Sabemos que los pequeños cambios genéticos que ocurren naturalmente pueden tener un impacto importante en un cultivo; la belleza de CRISPR es que podemos 'retocar' con precisión la composición genética de un cultivo haciendo cambios tan pequeños y así crear un rasgo que sea amigable con el planeta ”, dice Fyodor Urnov, un académico visitante del IGI que está trabajando para la traducción descubrimientos científicos innovadores sobre el impacto en el mundo real. "Como organización sin fines de lucro, un área clave del enfoque del IGI es la agricultura sostenible para el mundo en desarrollo, y el Instituto se siente honrado de tener al Dr. S como miembro".
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Este estudio fue publicado en la edición en línea de la revista. Naturaleza como "Un desencadenante embriogénico de arroz de expresión masculina redirigido para la propagación asexual a través de semillas. " Además de Khanday, Sundaresan y Mercier, los coautores del trabajo son Debra Skinner y Bing Yang. Esta investigación fue financiada por Innovative Genómica Instituto y Fundación Nacional de Ciencias.
El Innovative Genomics Institute (IGI) es una asociación académica sin fines de lucro entre UC Berkeley y UC San Francisco que apoya proyectos de investigación colaborativa en el Área de la Bahía. La misión del IGI es desarrollar e implementar la ingeniería del genoma para curar enfermedades, garantizar la seguridad alimentaria y mantener el medio ambiente para las generaciones actuales y futuras. Como pioneros en la edición del genoma, la genómica funcional y otras tecnologías de vanguardia, los científicos de IGI amplían continuamente los límites de la ciencia.
Contactos para los medios de comunicación
Megan Hochstrasser: megan.hochstrasser@berkeley.edu
Venkatesan Sundaresan: sundar@ucdavis.edu
