Maíz, arroz, trigo, caña de azúcar: la familia de las gramíneas contiene una serie de especies que son importantes fuentes de alimento para los seres humanos y se han criado y cultivado durante milenios.
por Peter Rüegg, ETH Zúrich
Los animales salvajes y de granja también dependen en gran medida de los pastos para alimentarse: vacas, ovejas, caballos, bisontes, ciervos y cebras principalmente comen pasto. Casi el 70% de la superficie agrícola de Suiza son pastizales.
Sin embargo, la cría de pastos es difícil por naturaleza. Como muchas otras plantas con flores , las gramíneas han desarrollado un mecanismo que evita la endogamia después de la autopolinización. Los expertos llaman a este mecanismo «autoincompatibilidad». Asegura que ningún polen de la planta en sí o de individuos estrechamente relacionados pueda crecer hacia el ovario y fertilizar el óvulo. Esto evita la endogamia, con todas sus consecuencias.
Para el fitomejoramiento, la autoincompatibilidad puede ser una desventaja. No solo complica el desarrollo de líneas homocigóticas, sino que también puede afectar la polinización de dos individuos estrechamente relacionados. Esto hace que sea más difícil lograr el progreso del mejoramiento de las características deseadas de la planta mediante cruzamiento. Para poder explotar diferentes estrategias de fitomejoramiento, es esencial un conocimiento preciso de la autoincompatibilidad.
Genes de autoincompatibilidad en pastos decodificados por primera vez
Poco se sabe sobre la composición genética de la autoincompatibilidad en las gramíneas. En la década de 1960, los científicos de plantas descubrieron que la autoincompatibilidad está controlada por dos regiones genómicas separadas (loci). Pero con los métodos disponibles en ese momento, los investigadores no pudieron determinar qué genes están realmente involucrados.
Ahora, por primera vez, los investigadores dirigidos por Bruno Studer, Profesor de Mejoramiento Molecular de Plantas, han podido identificar los genes responsables de la autoincompatibilidad y determinar su secuencia de ácido nucleico. Hicieron esto en ballico perenne (Lolium perenne L.), una de las especies de césped y forraje más importantes del mundo.
El estudio se publica en la revista Molecular Biology and Evolution .
Studer ha dedicado más de 15 años a este tema, junto con colaboradores de Dinamarca, Gales y EE. UU. En 2006, encontró genes que reducen el rendimiento de semillas en pastos forrajeros. Estaba buscando lo contrario: genes que aumentaran el rendimiento de las semillas. Los genes que identificó más tarde resultaron desempeñar un papel en la autoincompatibilidad. En 2017, Studer y su equipo redujeron los dos loci a unos pocos genes candidatos potenciales. Ahora han entregado una descripción precisa de los tres genes que efectivamente componen los loci y controlan la autoincompatibilidad.
«Este avance fue posible gracias a los avances tecnológicos en el análisis del genoma. Solo en los últimos años estos han hecho posible secuenciar de manera eficiente el genoma completo de un organismo individual», dice.
Estos hallazgos están abriendo nuevas posibilidades de mejoramiento no solo para pastos forrajeros, sino también para importantes cultivos de pastos autopolinizantes para consumo humano, como el arroz o la cebada. Si se conocen los genes de la autoincompatibilidad, se pueden manipular de formas específicas. Desactivarlos hace posible el desarrollo de líneas endogámicas. Otro enfoque es insertar los genes en el genoma de pastos que han perdido su autoincompatibilidad para reproducir poblaciones genéticamente diversas. Para Studer, una cosa está clara: «El conocimiento de estos genes nos ha dado una base importante para controlar este mecanismo y usarlo para la reproducción».
Interacción de dos loci distantes
Esencialmente, la autoincompatibilidad se basa en la interacción de los dos loci, el locus S y el locus Z, que se encuentran en diferentes cromosomas.
Los genes son el modelo de tres proteínas diferentes, que forman una especie de mecanismo de llave y candado que reconoce si el polen que ha aterrizado en el estigma es genéticamente similar o no está relacionado. Esto activa una señal que aborta el proceso de fertilización o lo continúa hasta su finalización.
Studer y su equipo están estudiando actualmente las estructuras de estas proteínas y cómo interactúan para diferenciar entre el polen extraño y el propio polen de la planta. Para ello, utilizan métodos especiales de inteligencia artificial para modelar la estructura de las proteínas correspondientes en función de la secuencia del gen, junto con modelos que predicen las interacciones entre estas moléculas.
Un mecanismo único de autoincompatibilidad
Además, los investigadores han estudiado cómo la autoincompatibilidad basada en dos loci podría haber evolucionado en la familia de las gramíneas , ya que todos los demás mecanismos conocidos de otras familias de plantas se basan en un solo locus. Es probable que en la historia evolutiva de las gramíneas, el locus Z inicialmente se duplicó y que la copia luego sufrió numerosas mutaciones, lo que condujo a la diversificación.
«Hemos secuenciado los dos loci en una gran cantidad de plantas herbáceas. Lo que hemos encontrado es que el locus S tiende a tener una variación de secuencia más baja y aún se está diversificando, mientras que el locus Z no cambia tanto. A partir de esto concluimos que el locus Z podría ser más antiguo en términos evolutivos», explica Studer.
Al rastrear la filogenia de los pastos, los investigadores también aprendieron cuándo ocurrió la duplicación de locus y cuándo las especies divergieron entre sí. Además, el árbol filogenético reveló qué pastos no sufrieron duplicación de locus y qué especies perdieron su autoincompatibilidad, por ejemplo, a través de mutaciones.
Pero, ¿cuál es el beneficio evolutivo de la autoincompatibilidad basada en dos loci? «A primera vista, asumimos que abrió muchas más posibilidades y flexibilidad para que las plantas de la familia de las gramíneas reconozcan su propio polen», dice Studer. Esto podría haber sido importante para la familia de las gramíneas , cuyas 16.000 especies se distribuyen en todos los continentes, lo que la convierte en una de las familias de plantas más grandes y exitosas del mundo .
Más información: Marius Rohner et al, Mapeo fino y análisis genómico comparativo revelan la composición génica en los loci de autoincompatibilidad S y Z en pastos, biología molecular y evolución (2022). DOI: 10.1093/molbev/msac259
