Un estudio reciente ha informado sobre una nueva estrategia de mejoramiento para crear rápidamente cultivos climáticamente inteligentes que muestran un mayor rendimiento en condiciones normales y rescatan en gran medida las pérdidas de rendimiento bajo estrés térmico, tanto en cereales básicos como en cultivos de hortalizas.
por la Academia China de Ciencias
El estudio, que se publicó en Cell el 13 de diciembre, fue realizado por el equipo del profesor Xu Cao del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia China de Ciencias.
Se acerca rápidamente el año 2050 y la productividad agrícola debe aumentar en un 60% para alimentar a una población mundial estimada en 10 mil millones de personas. Sin embargo, la producción agrícola actual es insuficiente y se espera que empeore debido a la carga de estrés abiótico del cambio climático.
Un aumento de 2 °C durante la temporada de crecimiento resultará en una pérdida de rendimiento de entre el 3 y el 13 %. Para garantizar la seguridad alimentaria mundial y superar los cuellos de botella en la reproducción, los científicos necesitan urgentemente desarrollar cultivos «climáticamente inteligentes» que logren rendimientos más altos en condiciones normales y rendimientos estables en condiciones de estrés térmico .
La base fisiológica del rendimiento y la calidad de los cultivos es la relación fuente-sumidero. Los tejidos fuente (por ejemplo, las hojas) son productores netos de fotoasimilados, es decir, principalmente carbohidratos como la sacarosa. Por el contrario, los tejidos sumidero (por ejemplo, frutos, semillas, raíces, flores en desarrollo, fibras de algodón y órganos de almacenamiento) son importadores netos, que utilizan o almacenan fotoasimilados.
El gen de la invertasa de la pared celular (CWIN) es el gen crucial que regula la relación fuente-sumidero en las plantas. La enzima codificada por este gen descarga y convierte la sacarosa transportada desde las hojas en glucosa y fructosa dentro de los órganos sumidero, donde estos azúcares pueden ser absorbidos y utilizados directamente.
Estos azúcares no sólo son nutrientes esenciales para el desarrollo de frutos y semillas, sino que influyen significativamente en el dulzor de las frutas y en la calidad de los granos de arroz.
El estrés térmico reprime la actividad de CWIN y, por lo tanto, altera el equilibrio fuente-sumidero, lo que da como resultado un suministro inadecuado de energía en los órganos sumideros, un desarrollo reproductivo reducido y pérdidas de rendimiento.
En su nuevo estudio, el profesor Xu Cao y su equipo desarrollaron una estrategia basada en la optimización de la distribución del carbono hacia los sumideros (CROCS) en respuesta al clima, manipulando racionalmente la expresión de los genes CWIN en cultivos de frutas y cereales.
Introdujeron con precisión un elemento de choque térmico (HSE) de 10 pb en los promotores de los genes CWIN en cultivares de arroz y tomate de élite, utilizando herramientas de edición de alta eficiencia desarrolladas por ellos mismos. La inserción de HSE otorga a los CWIN una regulación positiva sensible al calor tanto en entornos controlados como de campo para mejorar la distribución del carbono en los granos de arroz y los frutos del tomate.
Las pruebas de rendimiento en múltiples ubicaciones y temporadas en tomates bajo diversas condiciones de cultivo, incluidos invernaderos y campos abiertos, mostraron que, en condiciones normales, la estrategia CROCS aumentó el rendimiento de los tomates entre un 14 y un 47%.
En condiciones de estrés térmico, aumentó el rendimiento de fruta por parcela entre un 26 y un 33 % en comparación con los controles y recuperó entre un 56,4 y un 100 % de las pérdidas de rendimiento de fruta causadas por el estrés térmico. Cabe destacar que aspectos de la calidad de la fruta, como la uniformidad y el contenido de azúcar, mejoraron significativamente en comparación con los controles no modificados.
Además, las variedades de arroz mejoradas con esta estrategia no solo mostraron un aumento del rendimiento del 7 al 13 % en condiciones normales, sino que también mostraron un aumento del rendimiento del grano del 25 % en comparación con los controles en condiciones de estrés térmico. En concreto, se recuperaron hasta el 41 % de las pérdidas de grano inducidas por el calor en el arroz.
El profesor Xu señaló que CROCS es un sistema eficiente, versátil y basado en la edición de genes primarios para la mejora rápida de los cultivos, que allana el camino para crear rápidamente cultivos inteligentes para el clima mediante la inserción dirigida de elementos reguladores cis que responden al medio ambiente. La estrategia también proporciona herramientas eficaces de edición genética y procedimientos operativos factibles para el estudio fundamental de las respuestas de las plantas al estrés.
Los investigadores también señalaron que esta estrategia de mejoramiento ahora también se ha aplicado a cultivos como la soja, el trigo y el maíz.
Más información: Cell (2024).
