Las malas hierbas como el amaranto de Palmer dificultan la agricultura y la hacen menos rentable, y los herbicidas disponibles son cada vez menos eficaces. Para que los científicos encuentren soluciones, primero deben conocer a su enemigo.
por Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Un nuevo estudio de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y otras instituciones colaboradoras revela genomas completos a nivel cromosómico de Palmer y otras dos especies de Amaranthus, Amaranthus lisa y Amaranthus de raíz roja. El avance representa un gran salto en la comprensión de los científicos sobre la biología de las malezas, incluida su capacidad para desintoxicar herbicidas comunes. El estudio se publicó en The Plant Journal .
«Tener estos genomas de referencia acelera enormemente nuestra capacidad de investigar malezas con resistencia a múltiples herbicidas y nos acerca a nuevas estrategias de control», dijo el coautor del estudio Pat Tranel, profesor del Departamento de Ciencias de los Cultivos, parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales de Illinois.
Además de poner a disposición los genomas, el estudio analiza familias de genes importantes, como el citocromo P450. Como estas malezas tienen cientos de genes P450 similares, ha sido difícil entender cuáles desempeñan un papel importante en la resistencia en sitios no objetivo, desintoxicando los herbicidas antes de que puedan causar daños. Tranel dice que la resistencia en sitios no objetivo se ha considerado durante mucho tiempo como una caja negra, pero los nuevos genomas están empezando a revelar lo que hay dentro.
«Ahora que tenemos un catálogo de los genes P450, podemos determinar sistemáticamente cuáles confieren resistencia a qué herbicidas», dijo. «De esa manera podemos determinar qué herbicidas son desintoxicados por el mismo mecanismo de resistencia en un sitio no objetivo y evitar mezclar esos productos en el tanque».
El estudio se centró especialmente en el amaranto de Palmer, posiblemente la especie más problemática de las tres. Para empezar, el equipo de investigación caracterizó el gen de resistencia al glifosato de Palmer, que se encuentra en un gran segmento circular de ADN que existe fuera de cualquier cromosoma. Aunque la resistencia al glifosato ya se había relacionado con esta extraña estructura, el estudio proporcionó nuevos conocimientos sobre su origen.
«La historia evolutiva es que este gen se insertó en un círculo en un momento dado y luego ese círculo se expandió por todo el mundo. Ese evento evolutivo es responsable de toda la resistencia que estamos encontrando en Palmer en casi todos los continentes», dijo el coautor del estudio Jake Montgomery, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago después de obtener títulos de posgrado en Illinois y la Universidad Estatal de Colorado.
«Nuestro estudio apoya esta conclusión al utilizar el genoma de referencia y la nueva secuencia de poblaciones de amaranto Palmer de América del Norte y del Sur para demostrar la conservación casi completa de la secuencia del círculo».
A continuación, los investigadores se centraron en los genes relacionados con la determinación del sexo en Palmer, una línea de investigación en la que el grupo de Tranel lleva trabajando algún tiempo. Su objetivo es desarrollar plantas masculinas modificadas que contengan un gen impulsor, un segmento de ADN que codifica la masculinidad, que se transmitiría a su descendencia y a todas las generaciones futuras. En última instancia, todas las plantas de una población determinada se convertirían en masculinas, la reproducción cesaría y las poblaciones colapsarían.
«En el estudio actual, hemos identificado dos genes que parecen controlar la masculinidad en el cromosoma 3 de Palmer», afirmó el autor principal del estudio, Damilola Alex Raiyemo, que completó su trabajo de doctorado con Tranel. «Todavía tenemos que validar estos genes, pero este es un importante paso adelante».
Cabe destacar que el estudio también representa los primeros genomas publicados por el Consorcio Internacional de Genómica de Malezas, una organización compuesta por instituciones académicas y socios de la industria que genera genomas de referencia de especies de malezas para facilitar la investigación. El IWGC pone a disposición gratuita esos genomas de referencia, eliminando barreras y acelerando el ritmo de descubrimiento sobre malezas importantes.
«Antes del IWGC, los investigadores presentaban solicitudes a agencias de subvenciones con ideas sobre cómo mapear características importantes, como nuevos tipos de resistencia a los herbicidas . Para hacer eso, primero se necesita un genoma de referencia», dijo el coautor del estudio Todd Gaines, profesor de la Universidad Estatal de Colorado y miembro del comité ejecutivo del IWGC.
«Pero no hay tantos especialistas en genómica de malezas y pocos que puedan hacer ese tipo de trabajo dentro del marco temporal de un ciclo de subvenciones típico. Por lo tanto, esas subvenciones no servirían para nada. Con estos recursos, los investigadores pueden poner en marcha sus ideas casi de inmediato».
Como ejemplo, el grupo de Tranel utilizó recientemente el genoma de referencia de otro amaranto problemático, el amaranto acuático, para identificar regiones asociadas con la resistencia a los herbicidas 2,4D y dicamba. Ese estudio se publicó en Pest Management Science .
«El amaranto es una maleza con un impacto económico en la agricultura del Medio Oeste que ha desarrollado resistencia a los herbicidas en siete sitios de acción», dijo la autora principal de ese estudio, Isabel Werle, estudiante de doctorado en ciencias de los cultivos en Illinois. «Pudimos identificar ocho regiones genómicas asociadas con la resistencia al 2,4D y al dicamba, productos diferentes con el mismo modo de acción.
«Sorprendentemente, encontramos muy poca superposición entre las ocho regiones que controlan la resistencia a los dos productos, lo que sugiere que el amaranto acuático está utilizando múltiples estrategias para evitar daños».
A medida que más científicos acceden a estos recursos genómicos, Tranel y sus colegas creen que el ritmo de los descubrimientos (y de las soluciones prácticas en manos de los agricultores) sólo puede aumentar.
Más información: Damilola A. Raiyemo et al, Los ensamblajes a nivel cromosómico de Amaranthus palmeri, Amaranthus retroflexus y Amaranthus hybridus permiten comparaciones genómicas e identificación de una región determinante del sexo, The Plant Journal (2025). DOI: 10.1111/tpj.70027
Isabel Schlegel Werle et al., Diferentes mecanismos no relacionados con el sitio objetivo subyacen a la resistencia a dicamba y 2,4-D en una población de Amaranthus tuberculatus, Pest Management Science (2025). DOI: 10.1002/ps.8712
