Los genes imitadores descubren nuevas formas de conservar el agua
El arroz es un alimento básico para más de la mitad de la población mundial. Entonces, ¿cómo podemos salvaguardarlo a medida que aumentan los climas globales y las sequías se vuelven más frecuentes? Esta es una pregunta que el Director de Agricultura Sostenible de IGI, Brian Staskawicz, está tratando de responder. en un nuevo documento de su laboratorio publicado esta semana en Fisiología de las plantas, el primer autor y miembro del laboratorio Staskawicz Nicholas Karavolias y el resto del equipo de investigación utilizan CRISPR para abrir un nuevo camino hacia el arroz tolerante a la sequía.
Al igual que tenemos poros en la piel, las hojas de arroz y otras plantas tienen pequeños poros llamados "estomas". Este nombre proviene de la palabra griega para "boca" y es un guiño a su apariencia y capacidad para abrirse y cerrarse según los desencadenantes ambientales.
Los estomas permiten que la planta absorba dióxido de carbono y libere el oxígeno que respiramos. Las plantas también usan estomas para controlar su temperatura. En un proceso análogo al sudor humano, las plantas liberan agua a través de los estomas. El proceso de evaporación les ayuda a bajar su temperatura.
Esto lleva a la idea central: dado que el arroz y otras plantas pierden agua a través de los estomas, ¿podemos hacerlos más eficientes en el uso del agua y más tolerantes a la sequía al reducir la cantidad total de estomas?
Se sabe desde hace algún tiempo que la gen ESTÓMAGO (abreviatura de "generador de estomas") es crucial para el desarrollo de los estomas. Anteriormente, los investigadores han reducido la cantidad de estomas al inhabilitar o "eliminar" el ESTÓMAGO gen en arroz. Esto conduce a una reducción de ~80% en el número de estomas. “La literatura pudo mostrarnos que reducir la cantidad de estomas podría mejorar la eficiencia del uso del agua”, dice Karavolias, “pero a un costo”.
De hecho, la pérdida de tantos estomas también reduce drásticamente la capacidad de la planta para realizar el intercambio de dióxido de carbono y oxígeno que impulsa la fotosíntesis, el crecimiento de la planta y el rendimiento de la planta. También puede reducir la capacidad de las plantas para regular la temperatura de manera efectiva. ¿Podría haber otro enfoque para la eficiencia del agua?
No es raro que las plantas contengan más de una copia de genes iguales o muy similares. En el arroz hay una copia, o parálogo, del ESTÓMAGO gen llamado EPFL10, que tiene un código genético casi idéntico. Karavolias y el equipo de laboratorio de Staskawicz decidieron investigar si EPFL10 podría contener la solución.
Usando CRISPR, Karavolias y sus colegas pudieron comparar ESTÓMAGO y EPFL10. Como ESTÓMAGO, EPFL10 promueve el desarrollo de estomas en las hojas de arroz. Pero sus efectos son más leves: noquear EPFL10 reduce el número de estomas, pero menos dramáticamente que eliminando ESTÓMAGO. En efecto, edición de genes EPFL10 permite afinar el número de estomas.
“Contamos los estomas manualmente”, explica Karavolias. “Y la forma en que los contamos es realmente una tontería. Pinta la parte inferior de las hojas con esmalte de uñas transparente, lo que da una hermosa impresión de la hoja, incluso de las estructuras microscópicas. Mientras esperas a que se seque, también te pintas las uñas. ¡Eso es esencial, está en los métodos! Y luego usa cinta adhesiva de doble cara para quitar la huella del esmalte de uñas, que luego puede visualizar con un microscopio”.
A continuación, Karavolias y sus colegas se propusieron evaluar los efectos fisiológicos en las plantas de arroz con estudios en el invernadero de IGI. Ambos knock-outs mostraron aumentos similares en la conservación del agua. Pero, ¿qué intercambio de gases, regulación de la temperatura y rendimiento?
Trabajando en colaboración con el laboratorio de Kris Niyogi en UC Berkeley, el equipo primero analizó el intercambio de gases y la fotosíntesis.
"Sabemos lo importantes que son los estomas para mantener el agua, transpirar el agua y ser eficientes con el agua, pero también son huecos importantes para el CO2 entrar para que las plantas puedan hacer la fotosíntesis”, dice Dhruv Patel-Tupper, un postdoctorado en el laboratorio de Nyogi y coautor del artículo. “Llegué al proyecto para ver qué estaba pasando con la fotosíntesis. ¿Está comprometido? ¿Cómo lo coordinamos con otros rasgos, como la eficiencia en el uso del agua, que nos interesan? Usamos un dispositivo que sujeta una pequeña porción de hoja y crea una cámara perfecta con temperatura y humedad controladas para cuantificar qué tan bien están haciendo la fotosíntesis bajo diferentes condiciones de luz”.
En los experimentos de Patel-Tupper, el ESTÓMAGO knock-out afectó negativamente el intercambio de gases, pero no hubo diferencia en el intercambio de gases entre las plantas con EPFL10 noqueados y plantas sin ediciones genéticas. Asimismo, los otros experimentos del equipo mostraron que ESTÓMAGO knockouts tuvo problemas para regular la temperatura de la hoja en algunas condiciones, EPFL10 nocauts fueron capaces de regular su temperatura tan bien como las plantas sin editar en todas las condiciones probadas. Finalmente, no se observaron diferencias en el rendimiento entre las líneas de arroz.
“El arroz es uno de los cultivos más importantes del mundo que alimenta a las personas. También es un excelente sistema modelo para la investigación de laboratorio, ya que se transforma fácilmente y se edita genéticamente. Los resultados que tenemos hasta ahora son muy emocionantes, ya que las pruebas de invernadero han demostrado una reducción en la densidad de los estomas, pero mantienen la capacidad fotosintética”, dice Staskawicz. “Sin embargo, la verdadera prueba de traducción es lograr que funcione en el campo. En agricultura, un ensayo de campo es el equivalente a un ensayo clínico”.
Los próximos pasos de este proyecto ya están en marcha: probar los efectos de las ediciones de genes en plantas de arroz cultivadas en una prueba de campo. Investigadores del Centro Internacional de Agricultura Tropical en Colombia ya han comenzado a cultivar el editado plantas. ICTA es parte de la red CGIAR. Más adelante, si las pruebas de campo arrojan resultados positivos, CGIAR podría ayudar a distribuir semillas tolerantes a la sequía a nivel mundial. Si bien estos experimentos se realizaron en cultivares de arroz típicamente utilizados para investigación en lugar de que los alimentos, las ediciones serían fáciles de transferir a cultivos de arroz y otros cultivos con duplicados de genes similares.
El equipo de laboratorio de Staskawicz también mira más allá del arroz genoma,, con análisis bioinformático del asistente de investigación y coautor Kyungyong Seong.
“Ves duplicaciones del mismo gen en otras plantas, como lechugas, zanahorias y girasoles”, dice Karavolias. “Entonces, podemos llevar esta línea de investigación a otros cultivos como una forma de ajustar la densidad estomática. También es una buena evidencia de que estos genes duplicados son los principales objetivos de edición de genes para otros rasgos también".
