El teosinte, ancestro silvestre del maíz, tiene tres veces más contenido proteico en las semillas que la mayoría de las cepas modernas de maíz.
por la Academia China de Ciencias
Investigadores de la Sede de la Academia China de Ciencias rastrearon los mecanismos responsables de la disminución del contenido proteico en las semillas de híbridos y líneas endogámicas de maíz. Sus hallazgos abren nuevas vías para maximizar el contenido y la calidad proteico de las semillas para el futuro mejoramiento del maíz, con implicaciones para la eficiencia en el uso del nitrógeno y la seguridad alimentaria.
«Existe presión económica y ambiental para mantener el maíz de alto rendimiento mientras se reduce el nivel de nitrógeno aplicado al suelo», afirmó Wu Yongrui, autor del estudio, del Centro de Excelencia en Ciencias Moleculares de las Plantas de la Academia China de Ciencias. «Por lo tanto, es crucial identificar los factores genéticos que aumentan la eficiencia del uso del nitrógeno».
Durante milenios, los fitomejoradores modificaron genéticamente especies vegetales para crear semillas con mayores proporciones de metabolitos y así mejorar su valor nutricional y utilidad. A medida que el maíz se convirtió en una fuente importante de alimento para el ganado, los fitomejoradores priorizaron el contenido de almidón y el rendimiento, mientras que el contenido proteico y el sabor pasaron a un segundo plano. El uso de fertilizantes nitrogenados redujo aún más la importancia del contenido de nitrógeno en las semillas. En consecuencia, los híbridos de maíz modernos contienen solo entre un 5 % y un 10 % de proteína; en contraste, el teosinte tiene un contenido proteico del 20 % al 30 %, según el estudio.
Los científicos pueden rastrear la disminución del contenido proteico de las semillas de maíz, pero los mecanismos genéticos seguían siendo difíciles de descifrar. Wu y un equipo de la Sede de la Academia China de Ciencias se propusieron identificar los genes responsables de la discrepancia en el contenido proteico entre el teosinte y el maíz mediante la creación de una secuencia completa del genoma del teosinte. Mediante el cruzamiento del teosinte con el maíz y el análisis de la progenie, los investigadores lograron identificar el locus de rasgos cuantitativos (QTL), o las regiones cromosómicas específicas vinculadas a los rasgos en cuestión.
«Dado que el maíz moderno se domesticó a partir del teosinte, consideramos que caracterizar los genes responsables del rasgo de alto contenido proteico en el teosinte podría revelar un conjunto de QTL más diverso que el encontrado en poblaciones de maíz endogámico reciente», afirmó Wu. «Los resultados también podrían ayudarnos a comprender las razones de la disminución del contenido proteico de las semillas durante la domesticación del maíz».
Los investigadores se centraron en un QTL significativo de alto contenido proteico en el cromosoma 9. El QTL de alto contenido proteico 9 (THP9) del teosinte no solo mostró el mayor efecto durante el mapeo de QTL, sino que también codificó una enzima llamada asparagina sintetasa 4 (ASN4), la cual desempeña un papel importante en el metabolismo del nitrógeno. Estudios previos en arroz, trigo y cebada demostraron que los cambios en la expresión de estos genes alteran el crecimiento de las plantas y el contenido de nitrógeno.
Si bien la variante (alelo) del gen THP9-teocinte (THP9-T) se expresa en gran medida en las raíces y hojas del teosinte , este no es el caso del maíz endogámico correspondiente, debido a un empalme incorrecto de las transcripciones de genes, dijo Wu.
«Este podría ser uno de los factores que provocan diferencias en la asimilación de nitrógeno», afirmó Wu. «Los aminoácidos son sustratos esenciales para la síntesis de proteínas, y sus niveles en la planta se ven influenciados por la disponibilidad de nitrógeno en el suelo y la eficiencia de la planta en su utilización».
Mediante ensayos de campo, el equipo verificó que el alelo THP9-T podría aumentar la eficiencia del uso del nitrógeno tanto en condiciones normales como bajas de nitrógeno. Análisis posteriores sugirieron que THP9-T tiene el potencial de mejorar el contenido proteico de las semillas y plantas de maíz mediante el fitomejoramiento.
«Nuestra investigación muestra el posible valor de los híbridos que contienen el alelo THP9-T, aunque se necesitarán ensayos de campo más amplios en múltiples ubicaciones geográficas para establecer plenamente su potencial para mejorar el contenido de proteína de las semillas y la eficiencia del uso del nitrógeno en el mejoramiento del maíz «, dijo Wu.
Más información: Yongrui Wu, THP9 mejora el contenido proteico de las semillas y la eficiencia del uso de nitrógeno en el maíz, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05441-2 . www.nature.com/articles/s41586-022-05441-2
