Investigadores de la Estación Experimental Agrícola de Arkansas han identificado mecanismos genéticos en el arroz que pueden ayudar a contrarrestar los efectos negativos de las temperaturas nocturnas más altas.
por John Lovett, Universidad de Arkansas
Se pueden producir pérdidas drásticas de rendimiento de hasta el 90 % y graves disminuciones en la calidad del grano cuando las temperaturas nocturnas superan los 28 °C durante solo dos o tres noches consecutivas, especialmente durante las etapas de floración y llenado del grano. Este deterioro en la calidad del grano se manifiesta como «calcalidad», una característica indeseable que afecta la eficiencia de la molienda, la calidad de cocción y la palatabilidad general.
El profesor Andy Pereira, recientemente jubilado, y la investigadora científica Julie Thomas, del departamento de ciencias de cultivos, suelos y medio ambiente, han estado investigando un centro de regulación genética en el arroz que funciona como un «regulador maestro» del crecimiento de la planta y su respuesta al estrés. Denominado HYR (Mayor Rendimiento del Arroz), este centro genético conecta la composición genética de la planta con su capacidad de adaptación a los cambios ambientales.
Originalmente descubierto y publicado por Pereira y su equipo de investigación en 2014 a través de un estudio de asociación reguladora de todo el genoma en el arroz, HYR ayuda al arroz a hacer frente a las altas temperaturas nocturnas activando otros genes que mantienen la fotosíntesis, la producción de energía y el llenado adecuado del grano, procesos que normalmente se ven interrumpidos por el calor.
El equipo de Pereira demostró que, al activarse el sistema HYR, se mejora significativamente el rendimiento de grano tanto en entornos con buen riego como con estrés hídrico. La investigación contó con la participación de colaboradores de Virginia Tech, el Centro Agrícola de la Universidad Estatal de Luisiana y la Estación Experimental Agrícola de Arkansas, rama de investigación de la División de Agricultura del Sistema Universitario de Arkansas.
«HYR funciona como un interruptor maestro», dijo Pereira. «Coordina la respuesta de las plantas de arroz al estrés ambiental, manteniendo al mismo tiempo la eficiencia fotosintética y la calidad del grano. Comprender este gen nos brinda una herramienta poderosa para desarrollar variedades de arroz resilientes al clima».
El trabajo más reciente de Pereira en Arkansas con Thomas ha ampliado hallazgos anteriores para explorar otra función clave de HYR: su papel en la reducción de la caliza del grano causada por las altas temperaturas nocturnas.
Su investigación ha revelado además cómo HYR regula las redes genéticas posteriores implicadas en la fotosíntesis y el metabolismo del carbono para ayudar a mantener la expresión constante de genes críticos durante la etapa de llenado de grano bajo estrés por altas temperaturas nocturnas.
Cómo funciona
HYR favorece la integridad de la pared celular, estabiliza la estructura de los gránulos de almidón y mejora la eficiencia fotosintética, es decir, el proceso de transferir la energía de la planta de la hoja al grano en crecimiento. Todo esto contribuye en conjunto a un mejor rendimiento y la calidad del grano, incluso en condiciones ambientales estresantes, explicó Thomas.
Pereira y Thomas han demostrado que incluso en una variedad de arroz ampliamente cultivada, que típicamente presenta altos niveles de calcáreo en el grano, la sobreexpresión de HYR condujo a una reducción significativa en la formación de cal. Cuando los genetistas sobreexpresan un mecanismo genético, este produce más de su producto de lo normal.
La disminución de la caliza debida a la sobreexpresión de HYR se acompañó de una mayor eficiencia fotosintética, incluso bajo una exposición prolongada a temperaturas nocturnas de 30 °C en condiciones de invernadero. Estos resultados se tradujeron directamente en una mejor calidad del grano y un mayor rendimiento.
Resiliencia del arroz
Ampliando el trabajo, Thomas y Awais Riaz, estudiante de posgrado Fulbright, identificaron un grupo específico de marcadores genéticos, llamados haplotipos, asociados con HYR en múltiples cultivares de arroz de todo el mundo. Los haplotipos se correlacionan con características clave relacionadas con la producción y el uso de energía por parte de la planta, así como con la calidad del grano.
Además de su trabajo en HYR, el laboratorio de Pereira también ha identificado varios reguladores genéticos nuevos que juegan un papel clave para ayudar a las plantas de arroz a tolerar la sequía, el calor y las enfermedades.
Al igual que HYR, estos factores de transcripción recientemente identificados también están involucrados en el control de la fotosíntesis y el metabolismo del carbono, así como el equilibrio hídrico y la señalización hormonal, para formar una red genética coordinada que conecta la regulación molecular con la capacidad de la planta para adaptarse al estrés.
«La investigación destaca a HYR como un factor regulador de transcripción clave que orquesta efectos en cascada a través de una amplia red de genes dependientes involucrados en la fotosíntesis, el metabolismo del carbono y la adaptación al estrés», afirmó Pereira. «Constituye un objetivo prometedor para que los mejoradores mejoren la calidad del grano de arroz, la estabilidad del rendimiento y la resiliencia al estrés».
