El arroz es un cultivo básico para más de la mitad de la población mundial, pero la mayoría de los agricultores no cultivan variedades de alto rendimiento porque las semillas son demasiado caras.
por Liana Wait, UC Davis
Investigadores de los campus de Davis y Berkeley de la Universidad de California han identificado una posible solución: activar dos genes en los óvulos de arroz que desencadenan su desarrollo en embriones sin necesidad de fertilización, lo que generaría eficientemente cepas clonales de arroz y otros cultivos de alto rendimiento.
Un equipo dirigido por Venkatesan Sundaresan, profesor distinguido de los departamentos de Biología Vegetal y Ciencias Vegetales de la UC Davis, demostró previamente que un gen llamado BBM1 en los óvulos de arroz podía activar la capacidad de un óvulo fecundado para formar un embrión. Sin embargo, el método solo funcionó en aproximadamente el 30 % de los casos.
Ahora, en colaboración con investigadores del Instituto de Genómica Innovadora de la UC Berkeley, el equipo ha demostrado que la activación simultánea de un segundo gen, WOX9A, aumenta la tasa de éxito a alrededor del 90%. El hallazgo se publica en Nature Plants .
«Es notable que, tras 20 años de esfuerzos infructuosos con híbridos clonales, haya habido tanto progreso reciente: desde demostrar que es realmente posible en 2019 hasta demostrar ahora que puede funcionar eficientemente en 2024», afirmó Sundaresan. «Soy muy optimista ahora que los híbridos ya no serán un obstáculo para lograr una agricultura sostenible con altos rendimientos en todo el mundo».
Una forma rentable de alimentar al mundo
Las cepas híbridas de arroz, que se producen cruzando dos cepas puras, pueden producir casi el doble de la cosecha, pero su producción es costosa y obliga a los agricultores a comprar nuevas semillas cada año. Si las plantas híbridas pudieran reproducirse asexualmente, los agricultores podrían guardar semillas de un año para otro. Cómo diseñar arroz de reproducción asexual ha sido un enigma que los científicos han intentado resolver durante más de 30 años.
El equipo de Sundaresan demostró previamente que BBM1 es un desencadenante esencial para el desarrollo del embrión de plantas, y que la activación de este gen en los óvulos puede anular la necesidad de fertilización.
«Activar BBM1 artificialmente en el óvulo es suficiente para iniciar la embriogénesis y crear una nueva planta, pero este proceso solo funcionó aproximadamente un tercio de las veces», dijo Sundaresan. «Una de las cosas que nos preguntábamos era si BBM1 no era suficiente; tal vez necesitaba ayuda».
Al examinar los genes activados en los óvulos fecundados de plantas, los investigadores identificaron un gen, WOX9A, cuya copia espermática solo se expresa. Al activar simultáneamente BBM1 y WOX9A en óvulos de arroz, se produjo la formación del embrión en el 90 % de los casos, aunque la activación de WOX9A por sí sola no provocó la iniciación embrionaria.
«Creemos que BBM1 activa un interruptor que prepara al óvulo para la transición a embrión, pero este interruptor no es fijo», dijo Sundaresan. «Entonces, WOX9A interviene y lo bloquea para que no se reactive».
Vigor híbrido sin necesidad de híbridos
Debido a que surgen de óvulos no fecundados, las plantas producidas mediante este método son haploides, lo que significa que contienen la mitad del número habitual de cromosomas. Si bien las plantas de arroz haploides germinan y crecen, tienden a ser más lentas en comparación con las plantas diploides, que portan dos copias de cada gen.
«Los haploides son herramientas valiosas en el fitomejoramiento para producir líneas puras, lo que permite una producción uniforme de cultivos», afirmó el autor correspondiente, Imtiyaz Khanday, profesor adjunto del Departamento de Ciencias Vegetales de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales de UC Davis. «Estos hallazgos también tienen implicaciones significativas para la producción de semillas clonales con alta frecuencia que conservan los beneficios del vigor híbrido».
El siguiente paso, según los investigadores, es combinar este método de activación de BBM1 y WOX9A con la «apomixis sintética», una técnica que desarrollaron previamente para la producción asexual de semillas clonales. Esto permitirá a los agricultores aprovechar los beneficios del vigor híbrido año tras año simplemente guardando parte de la cosecha para plantarla al año siguiente.
«Si combinamos este truco de convertir un óvulo en un embrión sin fertilización con otra técnica que anula la meiosis, podemos producir eficientemente semillas híbridas de alto rendimiento», afirmó Sundaresan. «En un mundo donde los recursos son cada vez más limitados, esto abre un camino hacia la agricultura sostenible para los productores de arroz y, en el futuro, también para otros cultivos».
Los autores adicionales del estudio son: Hui Ren y Kyle Shankle, UC Davis y Myeong-Je Cho y Michelle Tjahjadi, UC Berkeley.
Más información: Hui Ren et al., Inducción sinérgica de la embriogénesis independiente de la fertilización en óvulos de arroz mediante factores de transcripción expresados en el genoma paterno, Nature Plants (2024). DOI: 10.1038/s41477-024-01848-z
