Científicos chinos han descubierto dos genes principales responsables de la espiguilla de doble grano del sorgo, que mejora drásticamente el número de granos y el rendimiento del cultivo.
por Zhang Nannan, Academia China de Ciencias
Una inversión intracromosómica sustancial de 35,7 kilobases en el promotor DG1 (Double-Grain 1) impulsa la sobreexpresión de DG1, lo que conduce al desarrollo de espiguillas de doble grano que aumentan notablemente el número de granos de sorgo, a la vez que ilustra el papel crucial de la variación estructural genómica en la evolución vegetal.
Este estudio, publicado en Nature Plants , fue realizado por el equipo del profesor Xie Qi en el Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia China de Ciencias, en colaboración con otras cinco instituciones.
El sorgo, un cultivo básico, suele producir una sola semilla por espiguilla, y el flósculo inferior de cada espiguilla aborta durante su desarrollo. Sin embargo, ciertas variedades de sorgo presentan la característica de doble grano en las espiguillas, donde ambos flósculos desarrollan semillas, lo que aumenta significativamente el rendimiento de grano.
El fenómeno de las espiguillas con múltiples semillas es común en cultivos de gramíneas, como las gramíneas y el bambú, y ha intrigado a los investigadores desde hace mucho tiempo. Ya en 1936, Karper y Stephens informaron que la característica de las espiguillas de doble grano del sorgo podía aumentar el número de granos en más del 50 %, aunque su base genética permaneció desconocida durante casi un siglo.
Mediante la construcción de tres poblaciones genéticamente segregadas, los investigadores mapearon el locus dominante de las espiguillas de doble grano en un intervalo de 49,5 kilobases. Identificaron una inversión cromosómica de 35,7 kilobases en esta región que potenciaba la expresión de ORF1 y reducía la de ORF5.
Los análisis funcionales confirmaron que el aumento de la expresión de ORF1 desencadenó el fenotipo de espiguilla de doble grano, mientras que la supresión de ORF5 no tuvo ningún efecto. Por consiguiente, ORF1 se denominó DG1. Este gen codifica una proteína con dominio homeobox homóloga a las proteínas WUSCHEL (WUS) presentes en Arabidopsis thaliana, maíz y arroz.
Un análisis posterior reveló que la inversión en el promotor DG1 redujo significativamente las marcas represivas de metilación de histonas H3K27me3 y H3K9me2, aliviando la represión transcripcional y mejorando la expresión de DG1.
En la etapa de panícula joven, a diferencia de las espiguillas de grano único, en las que la flor inferior se degenera, las espiguillas de grano doble mantienen meristemos visibles en la flor inferior. Durante la floración, las espiguillas de grano único producen solo una flor superior fértil, mientras que las de grano doble desarrollan dos pistilos completos y de cuatro a seis estambres. Esto sugiere que la DG1 regula la formación y diferenciación del meristemo de la flor, restaurando la fertilidad de la flor inferior y dando lugar al carácter de grano doble.
Los ensayos de campo realizados en Pekín y Shenzhen durante varios años demostraron que DG1 no tiene un impacto negativo en características agronómicas clave como la altura de la planta, el macollamiento o el tiempo de floración. Si bien las plantas portadoras del alelo DG1 mostraron una ligera disminución en el peso de mil granos, mostraron un aumento del 40,7 % al 46,1 % en el número de granos por panícula, un incremento del 8,6 % al 12,4 % en el peso de los granos por panícula y un incremento del 10,1 % al 14,3 % en el rendimiento general por parcela. Estos resultados sugieren que DG1 es un valioso recurso genético para el mejoramiento de sorgo de alto rendimiento mediante diseño molecular.
En conclusión, este estudio clonó el gen DG1 que controla el rasgo de espiguilla de doble grano en el sorgo, reveló el mecanismo clave por el cual la variación estructural genómica de DG1 controla la fertilidad de las flores inferiores de las espiguillas de sorgo y descubrió un nuevo camino para aumentar el número de granos por panícula y el rendimiento de los cultivos.
Cabe destacar que grandes empresas cerveceras de China, como Kweichow Moutai y Wuliangye, ubicadas en la cuenca del río Chishui, utilizan como materia prima variedades de sorgo con granos pequeños, resistentes a la ebullición y a la gelatinización. Los granos asociados con DG1 son más pequeños, con mayor superficie específica y una resistencia a la ebullición significativamente mejorada. Además, el número de granos por panícula y el rendimiento son mayores.
Por lo tanto, constituye un excelente recurso genético para el diseño molecular de variedades de sorgo utilizadas en la elaboración de cerveza. Se espera que este logro contribuya a la producción de granos crudos para la industria cervecera china.
Más información: Dan Zhang et al., La inversión cromosómica en el promotor DG1 impulsa la formación de espiguillas de doble grano y mejora el rendimiento de grano en sorgo, Nature Plants (2025). DOI: 10.1038/s41477-025-01937-7
