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Gen prestado ayuda al maíz a adaptarse a elevaciones altas y temperaturas frías


Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte muestran que un gen importante en el maíz llamado HPC1 modula ciertos procesos químicos que contribuyen al tiempo de floración y tiene su origen en el «teocinte mexicana», un precursor del maíz moderno que crece silvestre en las tierras altas de México.


por Mick Kulikowski, Universidad Estatal de Carolina del Norte


Los hallazgos brindan información sobre la evolución de las plantas y la selección de rasgos, y podrían tener implicaciones para la adaptación del maíz y otros cultivos a las bajas temperaturas.

«Estamos muy interesados ​​en comprender cómo la variación natural de los lípidos está involucrada en el crecimiento y desarrollo de las plantas, y cómo estos compuestos pueden ayudar a las plantas a adaptarse a sus entornos inmediatos», dijo Rubén Rellán-Álvarez, profesor asistente de bioquímica molecular y estructural en la NC State y el autor correspondiente de un artículo que describe la investigación. «Específicamente, queríamos aprender más sobre la variación en los lípidos llamados fosfolípidos, que consisten en fósforo y ácidos grasos, y su papel en la adaptación al frío, bajo contenido de fósforo y la regulación de procesos importantes para la salud y el rendimiento de las plantas, como el tiempo de floración».

El maíz que se cultiva en altitudes más altas, como las tierras altas de México, necesita adaptaciones especiales para poder crecer con éxito. Las temperaturas más frías en estas regiones montañosas ponen al maíz en una ligera desventaja en comparación con el maíz cultivado en elevaciones más bajas y temperaturas más altas.

«En elevaciones altas, en temperaturas más frías, lleva más tiempo hacer una planta de maíz debido a la menor acumulación de unidades de calor ; el maíz necesita acumular calor o unidades de crecimiento», dijo Rellán-Álvarez. «A 10.000 pies (2.600 metros), se tarda tres veces más en hacer una plantación de maíz que en elevaciones más bajas . Para adaptarse a estas condiciones especiales, los campesinos—pequeños agricultores—deben sembrar temprano en la temporada y sembrar profundamente en el suelo; es un crecimiento muy lento pero constante en los primeros meses hasta que llega la temporada de lluvias Durante milenios, los campesinos han seleccionado variedades de maíz que pueden prosperar en estas condiciones especiales al poder crecer a bajas temperaturas y florecer temprano antes de que lleguen los meses más fríos del invierno. «

Ahí es donde entra en juego el gen HPC1, dicen los investigadores. En las variedades de maíz que se cultivan en elevaciones bajas, incluida la mayoría del maíz que se cultiva en los Estados Unidos, el gen descompone los fosfolípidos que, en otras especies, se ha demostrado que se unen a proteínas importantes que aceleran el tiempo de floración.

«Los fosfolípidos también son componentes importantes de las membranas celulares. Todos los lípidos tienen formas diferentes y equilibrar estas formas es lo que permite que las membranas permanezcan intactas y ayuda a las plantas a sobrevivir períodos de estrés», dijo Allison Barnes, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Rellán-Álvarez y co-primer autor del artículo.

En las montañas, sin embargo, el gen falla, pero en beneficio del maíz de las tierras altas.

“En el maíz de altura, se seleccionó una versión defectuosa del gen y esto condujo a niveles altos de fosfolípidos”, dijo Rellán-Álvarez. «Desarrollamos un mutante CRISPR-Cas9 y confirmamos la función metabólica del gen. También mostramos interacciones similares entre fosfolípidos y proteínas que se habían descrito en otras especies para regular el tiempo de floración».

«Los fosfolípidos que no se descomponen en las tierras altas pueden ser mejores para mantener unidas las membranas, lo que permite que la planta sobreviva en un entorno adverso», agregó Barnes.

En el artículo, los investigadores muestran los resultados de vastos experimentos en todo México, en tierras bajas y altas, en los que estaba presente la versión del gen de las tierras altas. Descubrieron que el maíz con la versión de las tierras altas del gen floreció un día antes que las plantas sin esa versión del gen. Mientras tanto, el maíz cultivado en las tierras bajas con la versión del gen de las tierras altas floreció un día más tarde que las plantas sin esa versión del gen.

«Está ayudando a que la planta funcione mejor en su entorno local», dijo Fausto Rodríguez-Zapata, Ph.D. estudiante del laboratorio de Rellán-Álvarez y coautor del artículo. «Si la floración no funciona, no habrá semilla, por lo que no sorprende que algo relacionado con el tiempo de floración también esté involucrado en la adaptación local».

El estudio también examinó la evolución del maíz a lo largo de miles de años de selección de los agricultores en todo el hemisferio occidental. Los nativos americanos domesticaron el maíz hace miles de años en el suroeste de México a partir de una planta silvestre llamada teosinte parviglumis, y con gran ingenio, trajeron y adaptaron el maíz a través de las Américas, desde los desiertos de Arizona y Perú hasta los bosques húmedos de Yucatán y Colombia, incluso hasta al altiplano mexicano, donde el maíz se cruzó con otra planta silvestre de teosinte: el teosinte mexicana.

“Nuestros resultados muestran que la mezcla de maíz con teosinte mexicana ayudó al maíz a adaptarse a las condiciones de las tierras altas y que esta mezcla es relevante en el maíz moderno”, dijo Rellán-Álvarez.

En el estudio, los investigadores demostraron que las piezas genéticas del teosinte mexicano, es decir, la versión de las tierras altas de HPC1, se han conservado en el maíz actual.

“Esta retención, lo que los científicos llaman introgresión, es similar a la retención de fragmentos de neandertal en el código genético por parte de los humanos modernos. Estos fragmentos se han retenido porque han sido seleccionados con el tiempo y aportan alguna ventaja”, dijo Rodríguez-Zapata.

El estudio también mostró la variante de las tierras altas de HPC1 en el maíz cultivado en Canadá, el norte de los Estados Unidos y el norte de Europa, lo cual tiene sentido debido al clima más frío que se encuentra en esos lugares.

Los investigadores de NC State ahora están examinando el papel de este y otros genes involucrados en el metabolismo del fósforo para aprender formas más sostenibles de cultivar maíz y quizás traer más teosinte mexicana al maíz moderno.

El artículo aparece en Proceedings of the National Academy of Sciences . Investigadores de la Universidad Estatal de Penn, UC Davis, la Universidad Estatal de Iowa, la Universidad de Cornell y Cold Spring Harbor fueron coautores del artículo.


Más información: Allison C. Barnes et al, Una introgresión adaptativa de teocintle mexicana modula los niveles de fosfatidilcolina y está asociada con el tiempo de floración del maíz, 

Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2100036119



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