Agricultura Cereales Estados Unidos

El avance genético en los cultivos de cereales podría ayudar a mejorar los rendimientos en todo el mundo


Un equipo de científicos de la Universidad de Clemson ha logrado un gran avance en la genética de la senescencia en los cultivos de cereales con el potencial de impactar dramáticamente el futuro de la seguridad alimentaria en la era del cambio climático.


por Chris Worthy, Universidad de Clemson


La investigación en colaboración , que explora la arquitectura genética del poco comprendido proceso de senescencia en el maíz (también conocido como maíz) y otros cultivos de cereales, se publicó en The Plant Cell , una de las principales revistas científicas revisadas por expertos en ciencias de las plantas. Rajan Sekhon, un genetista de plantas y profesor asistente en el departamento de genética y bioquímica de la Facultad de Ciencias, es el autor principal y correspondiente del artículo titulado «Análisis integrado de la escala del genoma que identifica genes y redes novedosas que subyacen a la senescencia en el maíz».

«Senescencia significa ‘muerte de una célula u órgano en las manos de los mismos organismos de los que forma parte’ ‘, dijo Sekhon. «Ocurre prácticamente en todas partes, incluso en animales. Matamos las células que no necesitamos. Cuando el clima cambia en otoño, tenemos esos bonitos colores de otoño en los árboles. Al comienzo de la caída, cuando las plantas se dan cuenta de que no pueden sostienen las hojas, matan sus hojas. Se trata de la economía de la energía «.

Como resultado, las hojas mueren después de su demostración de color. La energía extraída de las hojas se almacena en el tronco o las raíces de la planta y se utiliza para reproducir rápidamente las hojas la próxima primavera. Esto tiene mucho sentido para los árboles. Pero la historia es bastante diferente para algunas otras plantas comestibles , específicamente los cultivos de cereales como el maíz, el arroz y el trigo.

«Estos cultivos se cuidan con mucho cuidado y suministran un exceso de nutrientes en forma de fertilizantes por parte de los agricultores», dijo Sekhon. «En lugar de morir prematuramente, las hojas pueden seguir produciendo alimentos a través de la fotosíntesis. Comprender los desencadenantes de la senescencia en cultivos como el maíz significa que los científicos pueden alterar la planta de una manera que puede beneficiar a un mundo hambriento».

Sekhon, cuya carrera de investigación abarca la genética molecular, la genómica, la epigenética y el fitomejoramiento, estableció su laboratorio en 2014 como profesor asistente. Ha desempeñado un papel clave en el desarrollo de un «atlas genético» ampliamente utilizado por la comunidad de investigación del maíz. Ha publicado varios artículos en las mejores revistas revisadas por pares que investigan la regulación de los rasgos complejos de las plantas.

«Si podemos frenar la senescencia, esto puede permitir que la planta permanezca verde, o no senescente, por un período de tiempo más largo», dijo Sekhon. «Los fitomejoradores han estado seleccionando plantas que senescen tarde sin entender completamente cómo funciona la senescencia a nivel molecular».

Estas plantas, llamadas «permanecer verde», hacen honor a su nombre. Permanecen verdes por más tiempo, producen mayores rendimientos y son más resistentes frente a los factores ambientales que afectan a las plantas, incluida la sequía y el calor.

Pero incluso con la existencia de plantas que permanecen verdes, ha habido poca comprensión acerca de las bases moleculares, fisiológicas y bioquímicas de la senescencia. La senescencia es un rasgo complejo afectado por varios factores internos y externos y regulado por una serie de genes que trabajan juntos. Por lo tanto, los enfoques genéticos disponibles en el mercado no son eficaces para desentrañar completamente este proceso enigmático. El avance de Sekhon y sus colegas fue el resultado de un enfoque genético de sistemas.

Sekhon y los otros investigadores estudiaron la variación genética natural para el rasgo verde del maíz. El proceso involucró el cultivo de 400 tipos diferentes de maíz, cada uno genéticamente distinto entre sí basado en la huella dactilar del ADN (es decir, genotipo), y luego medir su senescencia (es decir, fenotipo). Luego, el equipo asoció el «genotipo» de cada línea consanguínea con su «fenotipo» para identificar 64 genes candidatos que podrían estar orquestando la senescencia.

«La otra parte del experimento fue tomar una planta verde y una planta no verde y observar la expresión de aproximadamente 40,000 genes durante la senescencia», dijo Sekhon. «Nuestros investigadores observaron muestras cada pocos días y preguntaron qué genes estaban ganando expresión durante un período de tiempo particular. Esto identificó más de 600 genes que parecen determinar si una planta se mantendrá verde o no.

«Uno de los grandes problemas con cada uno de estos enfoques es la aparición de falsos positivos, lo que significa que algunos de los genes detectados son fallos, y los casos de falsos negativos, lo que significa que nos perdemos algunos de los genes causales».

Por lo tanto, Sekhon y sus colegas tuvieron que combinar minuciosamente los resultados de los dos grandes experimentos que utilizan un enfoque de «genética de vapores» para identificar algunos genes diana de alta confianza que pueden probarse para confirmar su papel en la senescencia. Combinaron conjuntos de datos para limitar el campo a 14 genes candidatos y, en última instancia, examinaron dos genes en detalle.

«Uno de los descubrimientos más notables fue que los azúcares parecen dictar la senescencia», dijo Sekhon. «Cuando los azúcares no se alejan de las hojas donde se producen a través de la fotosíntesis, estas moléculas de azúcar comienzan a enviar señales para iniciar la senescencia».

Sin embargo, no todas las formas de azúcar encontradas en las plantas son capaces de señalizar. Uno de los genes que Sekhon y sus colegas descubrieron en el estudio parece romper los azúcares complejos de las células de la hoja en moléculas de azúcar más pequeñas, azúcares de seis carbonos como la glucosa y fructosa, que son capaces de transmitir las señales de senescencia.

«Esto es un doble golpe», dijo Sekhon. «No solo estamos perdiendo estos azúcares adicionales producidos por las plantas que pueden alimentar más bocas hambrientas. Estos azúcares no utilizados en las hojas comienzan la senescencia y detienen el proceso de síntesis de azúcares por completo».

Las implicaciones son enormes para la seguridad alimentaria. Los azúcares producidos por estas plantas deben desviarse a diversos órganos de plantas que pueden usarse para alimentos.

«Encontramos que la planta está controlando cuidadosamente el llenado de las semillas. Esa partición del azúcar es un factor clave en la senescencia . Lo que encontramos es que existe una gran variación genética incluso en los cultivares de maíz que se cultivan en los Estados Unidos».

Algunas plantas llenan las semillas y luego pueden comenzar a llenar otras partes de la planta.

«Al menos algunas de las plantas que se mantienen verdes pueden hacer esto almacenando energía extra en los tallos», dijo Sekhon. «Cuando se cosecha la semilla, todo lo que queda en el campo se llama rastro».

Stover se puede utilizar como alimento para animales o como fuente de biocombustibles. A medida que aumenta la demanda de alimentos y energía, existe un creciente interés en el desarrollo de cultivos de doble propósito que proporcionan tanto grano como madera. A medida que las tierras de cultivo se vuelven escasas, las plantas que envejecen posteriormente aumentan de importancia porque producen más energía global por planta.

Los genes identificados en este estudio probablemente realizan la misma función en otros cultivos de cereales , como el arroz, el trigo y el sorgo. Sekhon dijo que el siguiente paso es examinar la función de estos genes utilizando mutantes y transgénicos.

«El objetivo final es ayudar al planeta y alimentar al mundo en crecimiento. Con el clima cada vez más agravado, la disminución de la tierra y el agua y el aumento de la población, la seguridad alimentaria es el principal desafío al que se enfrenta la humanidad», dijo Sekhon.


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