El descubrimiento de un gen de la anatomía de las raíces podría mejorar la resistencia de los cultivos de maíz
Las raíces son más capaces de captar más agua y nutrientes del suelo, necesitan menos fertilizantes y resisten mejor la sequía.
Un nuevo descubrimiento, recogido en un estudio global que abarca más de una década de investigación, podría conducir a la obtención de cultivos de maíz capaces de resistir la sequía y las condiciones de suelos pobres en nitrógeno y, en última instancia, aliviar la inseguridad alimentaria mundial, según un equipo internacional de investigadores dirigido por Penn State.
Secciones transversales de raíces de maíz que muestran la variación genética para la formación de aerénquima, que convierte las células vivas en espacio aéreo. Ahora que los investigadores han encontrado el gen asociado a este fenotipo, puede convertirse en un objetivo para el cultivo de plantas.
Tania Galindo Castaneda/Penn State
En los resultados publicados el 16 de marzo en la revista Proceedings of the National Academy of Science, los investigadores identificaron un gen que codifica un factor de transcripción -una proteína útil para convertir el ADN en ARN- que desencadena una secuencia genética responsable del desarrollo de un importante rasgo que permite a las raíces del maíz adquirir más agua y nutrientes.
Ese rasgo observable, o fenotipo, se denomina aerénquima cortical de la raíz y da lugar a la formación de conductos de aire en las raíces, según el jefe del equipo de investigación, Jonathan Lynch, distinguido profesor de Ciencias Vegetales. Su equipo de Penn State ha demostrado que este fenotipo abarata el metabolismo de las raíces, lo que les permite explorar mejor el suelo y captar más agua y nutrientes del suelo seco e infértil.
Ahora, la identificación del mecanismo genético que subyace al rasgo crea un objetivo de mejora, señaló Lynch, cuyo grupo de investigación en la Facultad de Ciencias Agrícolas lleva más de tres décadas estudiando los rasgos de las raíces en maíz y judías en Estados Unidos, Asia, América Latina, Europa y África, con el objetivo de mejorar el rendimiento de los cultivos.
Esta última investigación ha sido liderada por Hannah Schneider, antes estudiante de doctorado y luego becaria postdoctoral en el laboratorio de Lynch, y ahora profesora adjunta de fisiología de cultivos en la Universidad e Investigación de Wageningen (Países Bajos). En el estudio, utilizó potentes herramientas genéticas desarrolladas en investigaciones anteriores en Penn State para lograr un "fenotipado de alto rendimiento" que permitiera medir las características de miles de raíces en poco tiempo.
Empleando tecnologías como la tomografía por ablación láser y el Anatomics Pipeline, junto con estudios de asociación de todo el genoma, encontró el gen -un "factor de transcripción bHLH121"- que hace que el maíz exprese el aerénquima cortical de la raíz. Pero localizar y luego validar los fundamentos genéticos del rasgo radicular requirió un esfuerzo prolongado, señaló Schneider.
"Primero realizamos los experimentos de campo que se incluyeron en este estudio a partir de 2010, cultivando más de 500 líneas de maíz en lugares de Pensilvania, Arizona, Wisconsin y Sudáfrica", dijo. "Trabajé en todos esos lugares. Vimos pruebas convincentes de que habíamos localizado un gen asociado con el aerénquima cortical de la raíz."
Pero demostrar el concepto llevó mucho tiempo, relató Schneider. Los investigadores crearon múltiples líneas mutantes de maíz utilizando métodos de manipulación genética como el sistema de edición genética CRISPR/Cas9 y knockouts de genes para demostrar la asociación causal entre el factor de transcripción y la formación del aerénquima cortical de la raíz.
"Nos llevó años no sólo crear esas líneas, sino también fenotiparlas en diferentes condiciones para validar la función de este gen", explica. Dedicamos 10 años a confirmar y validar nuestros resultados para asegurarnos de que éste es el gen y el factor de transcripción específico que controla la formación del aerénquima cortical de la raíz". Hacer este tipo de trabajo en el campo y desenterrar y fenotipar raíces de plantas maduras fue un proceso largo".
En el artículo, los investigadores informan de que los estudios funcionales revelaron que tanto la línea mutante de maíz con el gen bHLH121 eliminado como una línea mutante CRISPR/Cas9 en la que se editó el gen para suprimir su función mostraron una formación reducida de aerénquima cortical radicular. Por el contrario, una línea de sobreexpresión mostró una formación de aerénquima cortical de la raíz significativamente mayor en comparación con la línea de maíz de tipo salvaje.
Según los investigadores, la caracterización de estas líneas bajo condiciones subóptimas de disponibilidad de agua y nitrógeno en múltiples entornos de suelo reveló que el gen bHLH121 es necesario para la formación del aerénquima cortical radicular. Y la validación global de la importancia del gen bHLH121 en la formación del aerénquima cortical de la raíz, proponen, proporciona un nuevo marcador para que los fitomejoradores seleccionen variedades con mejor exploración del suelo, y por tanto rendimiento, en condiciones subóptimas.
Para Lynch, que planea jubilarse de la facultad del Departamento de Ciencias Vegetales a finales de este año, esta investigación es la culminación de 30 años de trabajo en Penn State.
"Estos descubrimientos son el resultado de la colaboración de muchas personas en Penn State y fuera de ella, que han trabajado con nosotros durante muchos años", dijo. "Descubrimos la función del rasgo aerénquima y luego el gen asociado a él, Y, se produjo debido a las tecnologías que se han ideado aquí en Penn State, como Shovelomics - desenterrar raíces en el campo - Laser Ablation Tomography y Anatomics Pipeline. Juntamos todo eso en este trabajo".
Los resultados son significativos, continuó Lynch, porque encontrar un gen detrás de un rasgo importante que va a ayudar a las plantas a tener una mejor tolerancia a la sequía y una mejor captura de nitrógeno y fósforo se vislumbra importante de cara al cambio climático.
"Son cualidades muy importantes, tanto aquí en Estados Unidos como en el resto del mundo", afirmó. "Las sequías son el mayor riesgo para los cultivadores de maíz y están empeorando con el cambio climático, y el nitrógeno es el mayor coste del cultivo de maíz, tanto desde el punto de vista financiero como medioambiental. Desarrollar líneas de maíz más eficientes en la captación de este nutriente sería un gran avance".
Contribuyeron a la investigación en Penn State Kathleen Brown, catedrática de Biología del Estrés Vegetal, ya jubilada, Meredith Hanlon, becaria posdoctoral del Departamento de Ciencias Vegetales; Stephanie Klein, estudiante de doctorado en Ciencias Vegetales, y Cody Depew, becario posdoctoral del Departamento de Ciencias Vegetales; y Vai Lor, Shawn Kaeppler y Xia Zhang, del Departamento de Agronomía y el Centro de Innovación de Cultivos de Wisconsin, de la Universidad de Wisconsin; Patompong Saengwilai, Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad Mahidol, Bangkok, Tailandia; Jayne Davis, Rahul Bhosale y Malcolm Bennett, Future Food Beacon y Escuela de Biociencias, Universidad de Nottingham, Loughborough, Reino Unido; Aditi Borkar, Escuela de Medicina y Ciencias Veterinarias, Universidad de Nottingham, Sutton Bonington, Reino Unido.
El Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Howard G. Buffett y el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del Departamento de Agricultura de EE.UU. han financiado esta investigación.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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