Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad Estatal de Oklahoma han identificado genes clave y el mecanismo mediante el cual controlan la floración en el sorgo, un importante cultivo bioenergético.
por el Laboratorio Nacional de Brookhaven
Los hallazgos, recién publicados en la revista New Phytologist , sugieren estrategias para retrasar la floración del sorgo para maximizar el crecimiento de las plantas y la cantidad de biomasa disponible para generar biocombustibles y bioproductos.
«Nuestros estudios aclaran la red reguladora de genes que controla la floración del sorgo y proporcionan nuevos conocimientos sobre cómo estos genes podrían aprovecharse para mejorar el sorgo y lograr objetivos bioenergéticos», dijo el biólogo del Brookhaven Lab Meng Xie, uno de los líderes de la investigación.
El sorgo es particularmente adecuado para la agricultura sostenible porque puede crecer en tierras marginales en regiones semiáridas y tolera temperaturas relativamente altas. Como muchas plantas, sus ciclos de crecimiento y floración (reproductiva) están regulados por la duración de la luz solar diaria. Y una vez que las plantas empiezan a florecer, dejan de crecer, lo que tiene implicaciones importantes para la acumulación de biomasa.
Por ejemplo, una variedad de sorgo natural puede alcanzar casi 20 pies de altura y solo pasa a la fase de floración reproductiva cerca del final de la temporada de crecimiento de verano, cuando la duración de la luz del día disminuye. Otras líneas «día neutral» florecen antes, después de alcanzar aproximadamente un metro de altura, produciendo menos vegetación pero más grano.
«Si bien estas variedades de floración más temprana podrían ser preferibles cuando se cultiva sorgo como fuente de alimento, para la producción de bioenergía preferimos que el sorgo tenga una floración más tardía. Eso da a las plantas más tiempo para crecer y acumular biomasa en los tallos y las hojas», dijo Xie.
Comprender los genes que controlan estas diferentes épocas de floración (un objetivo largamente buscado por los científicos de plantas) podría indicar formas de optimizar el sorgo para lograr cualquiera de los resultados deseados.
Con el objetivo de producir bioenergía en mente, el equipo de Brookhaven comenzó explorando un gen que se había identificado previamente como asociado con una floración tardía, conocido como SbGhd7. La asociación entre este gen y la floración posterior se basó en predicciones estadísticas de estudios de todo el genoma, pero no había sido validada con datos experimentales y su mecanismo de acción era completamente desconocido.
«Nuestro estudio proporcionó evidencia directa para respaldar la función de este gen en el control de la floración y también nos ayudó a comprender su mecanismo molecular», dijo el becario postdoctoral de Brookhaven Lab, Dimiru Tadesse, primer autor del estudio.
La sobreexpresión elimina la floración.
La primera evidencia provino de plantas transgénicas de sorgo diseñadas en el estado de Oklahoma para sobreexpresar el supuesto gen de control de la floración. Las variedades de sorgo que sobreexpresaban este gen (es decir, producían su producto proteico en abundancia) no sólo retrasaron la floración; nunca florecieron en absoluto.
«Esta fue una diferencia dramática de lo que sucede en las plantas de arroz cuando sobreexpresan su versión de este mismo gen», señaló Xie. «En el arroz, la sobreexpresión de este gen retrasa la floración entre ocho y 20 días, ¡no para siempre!».
Las plantas de sorgo transformadas tenían más del doble de biomasa que las plantas de control.
Para descubrir por qué, Xie y su equipo quisieron desentrañar los detalles de cómo operaba este gen dentro de las células. Su objetivo era ver cómo la proteína codificada por el gen represor de la floración interactuaba con otros genes.
Hacer estos estudios en plantas reales habría llevado meses o años. Entonces, Xie y sus colegas de Brookhaven trabajaron con células vegetales individuales.
Transformando células vegetales desnudas
Utilizaron células vegetales cuyas paredes celulares exteriores habían sido eliminadas. Las células vegetales «desnudas», conocidas como protoplastos, podrían absorber fácilmente un plásmido, una pequeña porción de ADN añadido a su medio de crecimiento. Al poner el gen o genes que querían probar en ese plásmido, los científicos pudieron lograr que las células vegetales produjeran la proteína deseada.
«El plásmido entrará en la célula y se incubará durante la noche, y la proteína tendrá un nivel de expresión muy alto», dijo Xie. «Es sólo un procedimiento de un día».
Para rastrear lo que hacía la proteína producida por el gen represor de la floración en las células, los científicos le adjuntaron otra pequeña proteína para que actuara como una especie de etiqueta. Luego, agregaron anticuerpos diseñados para unirse a la etiqueta. Si la proteína represora de la floración se une a otras regiones genéticas en el ADN genómico de la planta, los científicos podrían extraer todo el complejo anticuerpo-proteína-ADN de la solución para secuenciar esas regiones genéticas.
«Este método, llamado ‘secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina transitoria’ o ‘Transient ChIP-seq’, nos mostró dónde se une la proteína que elimina la floración en el ADN genómico del sorgo», dijo Xie. «Identifica los objetivos de esta proteína reguladora en el genoma del sorgo».
Regulador maestro
Los científicos descubrieron que su proteína represora de la floración se unía a muchos objetivos. Estos incluían otros genes implicados en el inicio de la floración.
«Se descubrió previamente que algunos genes regulaban la floración en otras especies de plantas, pero sus funciones en el sorgo, muchas de ellas, aún no se han estudiado completamente», dijo Xie.
Cuando los colaboradores del estado de Oklahoma produjeron plantas de sorgo que sobreexpresaban esos genes diana, descubrieron que los genes diana inducían una floración temprana. Por lo tanto, la proteína represora, razonó el equipo, debe actuar desactivando esos genes de floración temprana.
Con su técnica de secuenciación de precisión, los científicos de Brookhaven identificaron el sitio de unión específico de la proteína reguladora: una secuencia de ADN muy corta dentro del interruptor de «encendido», o promotor, para cada gen diana individual.
«El promotor de cada gen diana es diferente, pero todos contienen la misma secuencia corta», dijo Xie. Al unirse, la proteína represora los activa y desactiva.
La idea de que la proteína represora pudiera afectar a múltiples objetivos era algo nueva.
«Otros habían especulado que la proteína reguladora original sólo regulaba un activador de la floración, pero descubrimos que es mucho más complicado. Además de regular un activador objetivo sospechoso, esta proteína también regula varios otros, algunos directamente y otros indirectamente», dijo Xie. «Es como un regulador maestro para detener la floración».
La aplicación práctica de estos hallazgos para producir sorgo que no florece podría tener beneficios adicionales para el sorgo modificado. Además de tener mayor biomasa para la producción de biocombustibles, estas plantas, sin flores ni polen, no podrían compartir sus genes alterados con otras plantas estrechamente relacionadas. Esta contención genética incorporada podría ayudar a los productores potenciales a cumplir con los requisitos reglamentarios para implementar dicha estrategia en entornos agrícolas del mundo real.
Más información: Dimiru Tadesse et al, Sorghum SbGhd7 es un importante regulador de la transición floral y reprime directamente genes cruciales para la activación de la floración, New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19591
