Los científicos chinos han informado sobre una nueva estrategia de mejoramiento que puede desarrollar rápidamente cultivos climáticamente inteligentes que exhiban mayores rendimientos en condiciones normales y reduzcan significativamente las pérdidas de rendimiento bajo estrés térmico tanto en granos básicos como en cultivos de hortalizas.
El estudio, publicado en la revista Cell el 13 de diciembre, fue realizado por el equipo del profesor Xu Cao del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia de Ciencias de China.
El año 2050 se acerca rápidamente y la productividad agrícola debe aumentar en un 60% para alimentar a una población mundial proyectada de 10 mil millones de personas. Sin embargo, la producción agrícola actual es insuficiente y se espera que se deteriore debido a la carga de estrés abiótico del cambio climático.
Un aumento de 2°C en la temperatura durante la temporada de crecimiento resultará en una pérdida de rendimiento del 3 al 13%. Para garantizar la seguridad alimentaria mundial y superar los obstáculos en la reproducción, los científicos necesitan urgentemente desarrollar cultivos climáticamente inteligentes que proporcionen mayores rendimientos en condiciones normales y rendimientos estables bajo estrés térmico.
La base fisiológica del rendimiento y la calidad de los cultivos es la relación fuente-sumidero. Los tejidos fuente (por ejemplo, las hojas) son productores netos de fotoasimilados, es decir, principalmente carbohidratos como la sacarosa. Por el contrario, los tejidos sumideros (p. ej., frutos, semillas, raíces, flores en desarrollo, fibras de algodón y órganos de almacenamiento) son importadores netos que utilizan o almacenan fotoasimilados.
El gen de la invertasa de la pared celular (CWIN) es un gen esencial que regula las relaciones fuente-sumidero en las plantas. La enzima codificada por este gen descarga y convierte la sacarosa transportada desde las hojas en glucosa y fructosa en los órganos receptores, donde estos azúcares pueden absorberse y utilizarse directamente.
Estos azúcares no sólo son nutrientes esenciales para el desarrollo de frutos y semillas, sino que también afectan significativamente su calidad y características nutricionales.
El estrés por calor suprime la actividad CWIN y, por lo tanto, altera el equilibrio fuente-sumidero, lo que resulta en un suministro de energía insuficiente para los órganos sumidero, un desarrollo reproductivo más lento y un rendimiento reducido.
En su nueva investigación, el profesor Xu Cao y su equipo desarrollaron una estrategia basada en la optimización de la asignación de sumideros de carbono (CROCS) sensible al clima mediante la manipulación racional de la expresión de genes CWIN en cultivos de frutas y cereales, en este caso, plantas de arroz y tomate.
Insertaron con precisión un elemento de choque térmico (HSE) de 10 pb en los promotores de los genes CWIN en cultivares de élite de arroz y tomate utilizando las herramientas de edición primaria altamente efectivas que han desarrollado. La inserción de HSE dota a CWIN de una regulación positiva sensible al calor tanto en condiciones controladas como en condiciones de campo, lo que mejora la partición de carbono en los granos de arroz y los frutos de tomate.
Por lo tanto, las pruebas de rendimiento de tomates de varias estaciones en diversas condiciones de cultivo, incluidos invernaderos y campo abierto, mostraron que, en condiciones normales, la estrategia CROCS aumenta los rendimientos de tomate entre un 14% y un 47%.
Bajo estrés por calor, esta estrategia aumentó el rendimiento de frutos por parcela entre un 26 y un 33 % en comparación con los controles y rescató entre un 56,4 y un 100 % de las pérdidas de rendimiento de frutos inducidas por el estrés por calor. En particular, aspectos de la calidad de la fruta, como la uniformidad y el contenido de azúcar, mejoraron significativamente en comparación con los controles no modificados.
Además, las variedades de arroz mejoradas con esta estrategia no sólo mostraron un aumento del 7% al 13% en el rendimiento en condiciones normales, sino que también mostraron un aumento del 25% en el rendimiento del grano en comparación con los controles en condiciones de estrés por calor. En concreto, en el arroz se rescató hasta el 41% de las pérdidas de cereales inducidas por el calor.
El profesor Xu señaló que CROCS es un sistema eficiente, versátil y basado en edición para la mejora rápida de cultivos que allana el camino para la rápida creación de cultivos climáticamente inteligentes mediante la inserción selectiva de elementos reguladores cis ambientalmente sensibles. La estrategia también proporciona herramientas eficientes de edición de genes y procedimientos operativos factibles para estudios fundamentales de las respuestas al estrés de las plantas.
Los investigadores también señalaron que esta estrategia de mejoramiento ahora se está probando en soja, trigo y maíz.
Fuente: Academia China de Ciencias.
