Maíz y arroz de alto rendimiento  

Investigadores descubren un regulador que controla el número de semillas

13. Abril 2022

Al comienzo del desarrollo de plantas útiles y cultivadas por los humanos hace unos 10.000 años fue la domesticación de plantas silvestres. De la multitud de plantas silvestres en una región, la humanidad seleccionó aquellas que aparentemente poseían propiedades especiales útiles para ellos, por ejemplo, plantas de cereales cuyas semillas permanecen en la planta más tiempo en lugar de caerse, o aquellas plantas que tienen semillas más o más grandes. A través de la domesticación, tuvo lugar la selección genética, que se asoció con cambios en los rasgos. Independientemente unos de otros, el desarrollo convergente ha ocurrido en diferentes plantas en diferentes partes del mundo, lo que se llama selección convergente. Hasta ahora, se sabe poco sobre la selección convergente en cereales. Los nuevos resultados de investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas y colegas de China sobre posibles aumentos de rendimiento en maíz y arroz representan un paso importante hacia una mejor comprensión de este fenómeno con posibles implicaciones positivas para el fitomejoramiento.

Los cultivos de cereales son fuentes importantes de calorías para el consumo humano y han sido seleccionados intensamente durante miles de años por rasgos agronómicos favorables, como el aumento del rendimiento de los granos. Los granos como el maíz y el arroz se encuentran entre nuestras plantas cultivadas más importantes y cubren una gran parte del suministro de energía humana. Se originan en diferentes regiones del mundo - maíz de México y arroz de China - donde por lo tanto hay una serie de parientes silvestres de estos importantes cultivos. Para el presente estudio, se comparó el genoma del maíz con el de su pariente silvestre teosinte para determinar cómo la domesticación y la selección han afectado al genoma.


Aumento del rendimiento de los knockouts editados genéticamente de KRN2 y OsKRN2 en maíz y arroz, respectivamente.

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Aumento del rendimiento de los knockouts editados genéticamente de KRN2 y OsKRN2 en maíz y arroz, respectivamente.

Los científicos pudieron identificar un gen en el que el teosinte y el maíz cultivado difieren. El análisis de la secuencia del genoma mostró que una región no codificante upstream del gen KRN2 (Kernel Row Number 2) tiene una función especial en el maíz. Las regiones no codificantes upstream de un gen solían considerarse "basura" porque no se conocía su función. Hoy sabemos que tales regiones regulan las actividades de los genes. Es precisamente esta región en el gen KRN2 la que fue objeto de una fuerte selección durante la domesticación y la optimización del rendimiento del cultivo. "Pudimos demostrar que los cambios en esta región redujeron la expresión (expresión génica) de KRN2, lo que resultó en un mayor número de filas de granos", comenta Fernie sobre los experimentos. Lo mismo podría demostrarse para el gen correspondiente en el arroz llamado OsKRN2. Esto demuestra la importancia entre especies de este gen durante la domesticación de los cultivos.

A nivel molecular, KRN2/OsKRN2 codifica una proteína WD40 y actúa sinérgicamente con un gen de función desconocida llamado DUF1644. Se cree que esta interacción proteica se ha mantenido prácticamente sin cambios durante el proceso de selección y controla el número de granos tanto en el maíz como en el arroz. La importancia de tal control se hace evidente cuando uno se da cuenta de que las plantas necesitan muchos recursos, como agua o nutrientes, para la formación de semillas. Por lo tanto, debe ser posible regular la cantidad de semillas con respecto a los recursos disponibles. Para la planta, es primordialmente importante que se formen semillas; para los humanos, es principalmente importante cuántas semillas se forman. Con la región no codificante del gen KRN2/OsKRN2, hemos descubierto la diapositiva reguladora, por así decirlo, que controla el número de semillas.


El mecanismo de selección convergente del rendimiento de maíz y arroz

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El mecanismo de selección convergente del rendimiento de maíz y arroz

La eliminación de los genes KRN2 / OsKRN2 conduce a un aumento del rendimiento del diez por ciento y el ocho por ciento en el maíz y el arroz, respectivamente. Esto se pudo demostrar durante varias temporadas de cultivo independientes en el campo y se mantuvo sin efectos negativos obvios en otros rasgos agronómicos importantes. Esto significa que otros rasgos, importantes para el uso de los dos cereales, no se ven afectados por el cambio en la actividad de los genes KRN2 / OsKNRN2. Al knockout o al cambiar la actividad de los genes, los rasgos individuales pueden cambiarse o mejorarse específicamente. En contraste, cuando los parientes silvestres se cruzan en plantas cultivadas, se encuentran toda una serie de rasgos indeseables en la descendencia además de los rasgos deseados, y estos deben eliminarse nuevamente a un gran costo y tiempo. Dependiendo de la planta y el modo de herencia, también es posible que algunos de los rasgos indeseables no se puedan eliminar en absoluto.

Estos resultados muestran que las plantas de cereales con una domesticación y una historia de hábitat tan diversas estaban sujetas a selección para regiones genómicas conservadas, un proceso conocido como selección convergente. A escala de todo el genoma, un conjunto de 490 genes ortólogos, genes que se encuentran en diferentes organismos cuya secuencia de bases permaneció en gran medida sin cambios durante los procesos de evolución o selección, se destacaron como sujetos a este proceso, incluido KRN2. Estos genes se enriquecieron significativamente en el metabolismo del almidón y la sacarosa y en la biosíntesis de cofactores. Dada la importancia demostrada de KRN2, estos son candidatos genéticos prometedores que se pueden seleccionar para optimizar la producción de plantas.

Frente al cambio climático actual y en curso, es un desafío salvaguardar el potencial de rendimiento de las variedades de élite domesticadas durante milenios. Una forma de mejorar el potencial de rendimiento de las plantas de cultivo podría ser identificar los importantes "interruptores reguladores" en las plantas de cultivo y, por lo tanto, cambiar la expresión génica en la dirección deseada.

Para la producción de plantas de cultivo más resistentes, se podría tomar la ruta exactamente opuesta: a través de la domesticación de novo, se podrían introducir específicamente los rasgos agronómicos favorables de las plantas de cultivo en la planta silvestre, que en su mayor parte está mejor adaptada a los factores ambientales bióticos y abióticos. Alisdair R. Fernie, líder del grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Potsdam-Golm, explica: "Podríamos simplemente introducir un puñado de estos genes de domesticación, como KRN2, en sus parientes silvestres. La idea detrás de esto es que se pueden criar plantas de alto rendimiento, pero también más resistentes, lo que será crucial para la agricultura en el futuro".

 
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