Científicos de la UMD identifican el mecanismo responsable del desarrollo de frutos y semillas en las plantas con flores
Esta investigación podría permitir a los agricultores optimizar la productividad y explorar la viabilidad de los "frutos vírgenes
Con el aumento de las temperaturas en el mundo y la disminución de las poblaciones de polinizadores, la producción de alimentos se ha vuelto cada vez más difícil para los cultivadores del mundo.
Las fresas son buenos modelos para la investigación de la polinización porque sus semillas están incrustadas en la superficie de la fruta, lo que permite a los investigadores observarlas más fácilmente.
Zhongchi Liu
Un nuevo estudio realizado por investigadores del Departamento de Biología Celular y Genética Molecular de la Universidad de Maryland aborda esta cuestión, proporcionando información sobre la forma exacta en que las plantas con flores desarrollan sus frutos y semillas.
"Entender este proceso es especialmente importante porque los cultivos alimentarios comunes -como los cacahuetes, el maíz, el arroz y las fresas- son todos frutos y semillas derivados de las flores", dijo Zhongchi Liu, autor principal del estudio y profesor de biología celular y genética molecular de la UMD. "Saber cómo las plantas 'deciden' convertir parte de sus flores en frutos y semillas es crucial para la agricultura y nuestro suministro de alimentos".
Financiado por la National Science Foundation, el estudio se publicó en la revista Nature Communications el 9 de julio de 2022.
En el estudio, Liu y su equipo se propusieron descubrir cómo la fecundación -o polinización- desencadena que una planta con flores inicie el proceso de desarrollo del fruto. El equipo sospechaba que un sistema de comunicación interno era el responsable de indicar a la planta que desarrollara los frutos, pero los investigadores no estaban seguros de cómo se activaba ese sistema con la fertilización o la polinización.
Para averiguarlo, el equipo simuló los mecanismos de polinización y desarrollo del fruto utilizando plantas de fresa. Según Liu, las fresas son especialmente adecuadas para el modelado de la fertilización debido a su estructura única y a la ubicación de las semillas.
Al ser una fruta "de dentro a fuera", las semillas de la fresa son mucho más fáciles de manipular y observar que las de otras frutas como el tomate", explicó Liu. "Esto nos facilitó la observación de las semillas y la extracción de información genética de ellas en múltiples etapas del desarrollo de la planta".
Liu y su equipo identificaron el AGL62, un gen que se encuentra universalmente en todas las plantas con flores, como el desencadenante de la producción de frutos y semillas de una planta.
Según Liu, el AGL62 estimula la producción de una hormona de crecimiento vegetal esencial llamada auxina. Una vez que el gen se activa, la auxina se sintetiza para impulsar la creación de la cubierta de la semilla (la capa protectora externa de una semilla), el endospermo (la parte de una semilla que proporciona alimento a un embrión vegetal en desarrollo) y el fruto. El papel de la auxina en la regulación del crecimiento del endospermo es especialmente importante para los investigadores, ya que influye en el tamaño del grano y en el agrandamiento del fruto.
"Los niveles de auxina pueden limitar el tamaño del endospermo y la cantidad de nutrición que éste puede acumular para el embrión de la planta", dijo Liu. "Más auxina puede aumentar el tamaño del grano y estimular el agrandamiento del fruto. Cuando hay menos auxina, los endospermos son incapaces de alimentar adecuadamente a los embriones de la planta y acabamos teniendo una menor productividad del cultivo: frutos más pequeños o deformes que no son comercialmente viables."
Utilizando CRISPR, una novedosa técnica de manipulación de genes, Lei Guo, el primer autor, logró interrumpir la función de AGL62. Como resultado, las plantas de fresa fueron incapaces de producir frutos y semillas, lo que demuestra el papel crítico de AGL62 en este proceso.
En la naturaleza, la polinización hace que el gen AGL62 desencadene la producción de auxina, un proceso necesario para el desarrollo óptimo de frutos y semillas. Pero al identificar esta relación entre el gen y la hormona, Liu y su equipo han sentado una base que podría permitir a los agrónomos activar el AGL62 mediante la biotecnología, evitando por completo la polinización, es decir, creando frutos "vírgenes".
Liu cree que estos hallazgos son especialmente importantes en un momento en que el calentamiento global está afectando a la producción de alimentos en todo el mundo.
"El calor extremo mata tanto a los polinizadores como al propio polen, por lo que el cambio climático es un gran reto que debemos superar", dijo Liu. "Aprender más sobre el gen AGL62 nos ha proporcionado nuevos conocimientos sobre cómo aumentar potencialmente la productividad de los cultivos agrícolas, en particular los que constituyen nuestro suministro de alimentos".
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