Un estudio colaborativo de una década de duración ha descubierto un enorme potencial genético que no se ha aprovechado en las variedades modernas de trigo.
El estudio internacional que aparece en Nature revela que al menos el 60% de la diversidad genética encontrada en una colección histórica de trigo no se utiliza, lo que brinda una oportunidad sin precedentes para mejorar el trigo moderno y alimentar de manera sostenible a una población mundial en crecimiento.
Para hacer este descubrimiento, una colaboración interinstitucional dirigida por el Dr. Simon Griffiths, en el Centro John Innes y el Profesor Shifeng Cheng en el Instituto de Genómica Agrícola de Shenzhen, Academia China de Ciencias Agrícolas (CAAS), estudió la Colección AE Watkins Landrace. una colección histórica de variedades locales de trigo que ya no se cultivan en ningún lugar del mundo y las comparó con los trigos modernos.
El logro es el resultado de un esfuerzo conjunto del consorcio. Cheng dice: «Creamos un consorcio colaborativo y complementario con total apertura, haciendo que los recursos en germoplasma, conjuntos de datos genómicos y fenotípicos estén disponibles públicamente a través del portal Watkins Worldwide Wheat Genomics to Breeding ( https://wwwg2b.com/ ). Nuestro esfuerzo ha Facilitó y aceleró muchos proyectos existentes tanto en investigación fundamental como en prácticas de mejoramiento».
Uno de los factores clave que contribuyó al éxito es el fenotipado en profundidad, que abarcó estaciones experimentales del Reino Unido (tres ubicaciones) y evaluaciones de campo (cinco ubicaciones) desde el norte hasta el sur de China. En total, en este estudio se examinaron 137 rasgos. Este trabajo fue respaldado particularmente por Rothamsted Research, que trabajó como centro de fenotipado para comprender mejor las cualidades y características del trigo y conectar el cultivo con la secuencia genética.
El equipo construyó un mapa de variación genómica del trigo, un mapa de asociación haplotipo-fenotipo. La comparación entre variedades locales y cultivares reveló que las variedades modernas de trigo sólo utilizan el 40% de la diversidad genética que se encuentra en la Colección Watkins.
La diversidad restante representa una mina de oro con potencial para mejorar el trigo moderno, dice el Dr. Griffiths, líder de grupo en el Centro John Innes y autor del artículo: «Este 60% faltante descubierto en este estudio está lleno de genes beneficiosos que necesitamos». Para alimentar a las personas de manera sostenible, durante los últimos diez mil años, hemos tendido a seleccionar características que aumentan el rendimiento y mejoran la resistencia a las enfermedades.
«Hemos descubierto que las variedades locales de Watkins están repletas de variaciones útiles que simplemente están ausentes en el trigo moderno, y es imperativo implementar esto en el mejoramiento moderno. Lo interesante es que ya se están descubriendo genes y rasgos utilizando los datos y herramientas desarrollado durante la última década.»
La colección autóctona de trigo harinero AE Watkins (colección Watkins), reunida en las décadas de 1920 y 1930 en 32 países, representa la colección más completa de trigo histórico del mundo.
La colección proporciona una instantánea de la diversidad del trigo cultivado antes de la llegada del fitomejoramiento sistemático y moderno y muestra cómo la variación genética se dispersa en grupos o grupos ancestrales en todo el mundo.
«Podemos rastrear la diversidad novedosa, funcional y beneficiosa que se perdió en los trigos modernos después de la ‘Revolución Verde’ en el siglo XX, y tenemos la oportunidad de incorporarlos nuevamente a las élites de los programas de mejoramiento «, dice el profesor Cheng.
Los análisis genómicos y bioinformáticos realizados por investigadores del Instituto de Genómica Agrícola de Shenzhen permitieron al consorcio ver de dónde procede el trigo moderno. Descubrieron que, a nivel mundial, las variedades de trigo se originan en Europa central y occidental, y que sólo dos de los siete grupos ancestrales de la colección Watkins se utilizan en el fitomejoramiento moderno.
Utilizando tres enfoques de genética de asociación complementaria (mapeo QTL, GWAS y NAM GWAS), el equipo descubrió cientos de haplotipos exclusivos de Watkins que pueden conferir rasgos superiores en los trigos modernos, informando a los mejoradores para saber qué accesiones llevan qué loci o alelos genéticos útiles en su mejoramiento. programas.
Los rasgos clave que ya se encuentran en esta diversidad sin explotar incluyen la eficiencia en el uso del nitrógeno , la resistencia a las babosas y la resiliencia a plagas y enfermedades.
El Dr. Griffiths añade: «Hay genes que permitirán a los fitomejoradores aumentar la eficiencia del uso del nitrógeno en el trigo. Si podemos incorporarlos a variedades modernas que los agricultores puedan cultivar, necesitarán aplicar menos fertilizantes, ahorrando dinero y reduciendo las emisiones». «.
El uso de fertilizantes en la agricultura es costoso y contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero; reducir su uso podría ayudar a la agricultura a avanzar hacia el cero neto. Mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno en los cultivos y reducir la huella de nitrógeno de la agricultura es actualmente un gran desafío a nivel mundial, especialmente para países como China.
Para lograr esta hazaña de investigación sin precedentes, el equipo desarrolló un conjunto básico de 119 variedades locales que representaban la amplitud de la variación genética dentro de la colección Watkins. Este conjunto diverso luego se cruzó y se volvió a cruzar con trigo moderno para formar una colección de 12.000 líneas de trigo que ahora se almacenan en la Unidad de Recursos de Germoplasma del Centro John Innes.
Esto significa que, por primera vez en 100 años, estos rasgos perdidos se han incorporado al trigo moderno, y los datos y las herramientas ya se están utilizando para mejorar los cultivos.
Esta investigación establece un marco para el premejoramiento del diseño del genoma completo del trigo conectando la genómica con la fenómica y la práctica de mejoramiento. «Implementamos una estrategia previa al mejoramiento para decodificar, descubrir, diseñar y lograr avances en el mejoramiento», dice el Dr. Griffiths.
«De hecho, la revolución genómica está conduciendo a la revolución genética y a una revolución genética», afirma Cheng. Este estudio fue verdaderamente un esfuerzo colaborativo a largo plazo y no podría haberse completado sin la cooperación internacional.
En colaboración con obtentores de plantas comerciales del Reino Unido, el equipo ha creado el conjunto de herramientas para obtentores, disponible gratuitamente , un conjunto de recursos en línea que son de código abierto y accesibles globalmente para que cualquiera pueda utilizarlos. El conjunto de herramientas proporciona un conjunto integrado de herramientas para las comunidades de investigación y mejoramiento, permitiendo a otros acceder y utilizar una diversidad nueva y beneficiosa para producir trigo sostenible y resiliente ahora y en el futuro.
Estos germoplasmas, los recursos y los conjuntos de herramientas desarrollados en este estudio, aún se encuentran bajo investigación adicional en varias estaciones experimentales en China. Se espera que estos esfuerzos contribuyan significativamente al mejoramiento genético y al mejoramiento genético del trigo en China.
Más información: Cheng S. et al. Aprovechar la diversidad de variedades locales potencia el mejoramiento del trigo, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07682-9 , www.nature.com/articles/s41586-024-07682-9
