Los científicos están perfeccionando los rasgos de velocidad, fuerza y casi invulnerabilidad en un importante cultivo alimentario que, al igual que un superhéroe, ayudará a proteger a los vulnerables.
por la Universidad de Purdue
Al lograr un hito en su búsqueda del Superman de las plantas de sorgo, los científicos identificaron un solo gen que confiere una amplia protección contra las enfermedades fúngicas antracnosis, roya y mancha blanca.
Mirando más de cerca el genoma de la planta, también descubrieron lo que podría haber sido kryptonita para este superpoder y fragmentos inusuales de ADN móvil involucrados en la resistencia a la enfermedad .
El gen recién descubierto, llamado Gen1 de resistencia a la antracnosis, o ARG1, es inusual en varios aspectos, dijo Tesfaye Mengiste, profesora y directora interina del Departamento de Botánica y Patología Vegetal de Purdue.
«Aunque se conocía cierta resistencia natural a las enfermedades fúngicas en el sorgo, no se habían identificado los genes que confieren una resistencia tan generalizada», dijo. «Es notable que un solo gen genere resistencia en un amplio espectro de hongos y múltiples cepas del hongo de la antracnosis».
Un equipo de investigadores de la Universidad de Purdue, incluida la ganadora del Premio Mundial de Alimentos 2009 Gebisa Ejeta, hizo los descubrimientos a través de un proyecto respaldado por la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID) Feed the Future Innovation Lab for Collaborative Research on Sorghum and Millet.
Se pronostica que el cambio climático aumentará el número y la gravedad de las enfermedades de las plantas, dijo Mengiste, quien dirigió la investigación.
«Necesitamos un control de enfermedades más sólido para mantener el suministro mundial de alimentos, y estas notables plantas están un paso por delante de nosotros», dijo Mengiste. «Diferentes variedades de sorgo han evolucionado con diferentes fortalezas y resistencia a las enfermedades. A través de la genética y la ciencia de las plantas, estamos tratando de ayudarlos en este proceso de adaptación a un entorno cambiante».
Al encontrar el gen responsable de un rasgo deseado, los científicos pueden crear etiquetas de biomarcadores que permitan a los mejoradores probar su presencia rápidamente e incorporarlo a un cultivo de sorgo que tenga otros rasgos beneficiosos. El trabajo del equipo se detalla en un artículo publicado en la revista The Plant Cell .
«La importancia de este trabajo no se puede subestimar», dijo Ejeta, distinguido profesor de agronomía en Purdue y director ejecutivo del Purdue Center for Global Food Security. «Este es un avance científico significativo y la culminación de décadas de investigación colaborativa sobre el mejoramiento del sorgo en Purdue junto con socios en países en desarrollo».
El sorgo es un cultivo de cereales clave para la seguridad alimentaria en todo el mundo, dijo Mengiste, que forma parte de Próximos movimientos de Purdue en ciencias vegetales y del Centro de biología vegetal de Purdue.
«Es una planta muy resistente en muchos sentidos, pero las enfermedades fúngicas pueden acabar con ella», dijo. «La antracnosis es uno de los más importantes de estos patógenos y ataca todas las partes de la planta: hojas, tallo y cabeza. No deja nada que pueda usarse como alimento, su uso principal en África; o biocombustibles y alimento para animales, sus usos en los Estados Unidos.»
Pasos exitosos para alimentar el futuro
En 2014, USAID, a través del Laboratorio de innovación Feed the Future para la investigación colaborativa sobre sorgo y mijo, administrado por la Universidad Estatal de Kansas, realizó una inversión inicial en la búsqueda de resistencia de la planta huésped contra la antracnosis en Etiopía.
«Nuestro objetivo es aumentar la resiliencia y la seguridad alimentaria de los agricultores y consumidores de sorgo en Etiopía y África occidental», dijo Timothy J. Dalton, director del laboratorio y profesor de economía agrícola en Kansas State.
Mengiste y un equipo anterior de científicos afiliados al Feed the Future Innovation Lab y de Etiopía ya desarrollaron con éxito un cultivar llamado Merera, una variedad de sorgo que ha mejorado la resistencia a enfermedades y aves y produce un mejor rendimiento.
«A medida que los eventos del cambio climático cambian o requieren la producción de cultivos de tierras secas como el sorgo en regiones de mayor precipitación o irrigación, las enfermedades de las hojas se vuelven aún más significativas», dijo Ejeta. «Es precisamente en esas situaciones donde los genes poderosos se vuelven tan crucialmente importantes».
«El control químico a menudo es ineficaz, no es económicamente factible y plantea preocupaciones ambientales», dijo. «Las estrategias de control de enfermedades más eficaces, económicamente sostenibles y respetuosas con el medio ambiente implican el uso de genotipos de plantas que sean resistentes a las enfermedades. Esto es lo que quieren los agricultores, y están adoptando nuevas líneas de sorgo».
Un gen inusual influenciado por el ADN parásito
La regulación de ARG1 es inusual; está incrustado en un segundo gen, y ambos genes parecen haber sido alterados por pequeños tramos de ADN móvil llamados elementos transponibles.
Los elementos transponibles son como virus moleculares o parásitos que viven en el genoma y se transmiten de generación en generación, dijo Damon Lisch, profesor asociado de botánica y patología vegetal que participó en la investigación.
El gen en el que está incrustado ARG1 es un ARN antisentido. Su expresión es opuesta a ARG1, lo que da como resultado una situación en la que los dos podrían interferir entre sí, dijo.
Todas las plantas de sorgo tienen alguna versión de estos dos genes, pero las variedades susceptibles de sorgo expresan una gran cantidad de ARN antisentido y muy poco de ARG1, que también parece codificar una proteína no funcional, dijo. La versión resistente a enfermedades de ARG1 se expresa a un nivel mucho más alto, codifica una proteína funcional y está asociada con un gen de ARN antisentido que se rechaza, lo que resulta en menos interferencia.
Aquí es donde los elementos transponibles parecen entrar en juego, dijo Lisch.
«La inserción de elementos transponibles a menudo es dañina», dijo. «Sin embargo, en este caso, parece que los elementos transponibles han sido beneficiosos al ‘reprogramar’ ambos genes para optimizar la resistencia a los patógenos fúngicos. En cierto modo, ha reparado un sistema roto en las plantas.
Lisch descubrió los elementos transponibles relacionados con ARG1 cuando examinó el genoma de líneas de sorgo susceptibles y resistentes a enfermedades. Estudia elementos transponibles y otro ADN móvil, y disfruta buscándolos «por diversión» en genomas compartidos por colegas.
«Se sabe que los elementos transponibles están involucrados en algunas enfermedades humanas y vegetales, pero su participación en la resistencia a las enfermedades se considera poco común, por ahora», dijo. «Con los avances tecnológicos, podemos detectar estas hebras de ADN parasitarias dentro de una secuencia de genes, y las estamos encontrando en todas partes.
Combinar investigación aplicada y básica
Los hallazgos pueden informar otras investigaciones genéticas sobre el sorgo y otras especies de plantas, así como formas de ajustar la expresión génica, dijo Mengiste. La combinación de investigación básica y aplicada proporciona una rica información. Algunos se usarán ahora y otros pueden conducir a una innovación futura.
«Podríamos habernos detenido después de identificar el gen ARG1, pero profundizamos más», dijo. «Si no lo hubiéramos hecho, podríamos haber pensado que simplemente podríamos corregir la proteína involucrada en la resistencia. Ahora tenemos una comprensión mucho mayor de la regulación del gen y una visión adicional de un campo emergente que podría volverse revolucionario para la ciencia de las plantas».
