En un nuevo estudio publicado en Nature Genetics , dirigido por Charles Underwood del Instituto Max Planck para la Investigación en Mejoramiento Vegetal en Colonia, Alemania, los científicos establecieron un sistema para generar células sexuales clonales en plantas de tomate y las utilizaron para diseñar los genomas de la descendencia.
La fertilización de un óvulo clonal de uno de los padres por un espermatozoide clonal de otro padre dio lugar a plantas que contenían la información genética completa de ambos padres.
Las semillas híbridas, que combinan dos líneas parentales diferentes con rasgos favorables específicos, son populares en la agricultura porque dan lugar a cultivos robustos con mayor productividad y han sido utilizadas por los agricultores durante más de cien años.
El mayor rendimiento de los híbridos se conoce generalmente como vigor híbrido o heterosis y se ha observado en muchas especies diferentes de plantas (y animales). Sin embargo, el efecto de heterosis ya no persiste en las generaciones posteriores de estos híbridos debido a la segregación de la información genética.
Por lo tanto, es necesario producir nuevas semillas híbridas cada año, una tarea costosa y que requiere mucha mano de obra que no funciona bien para todos los cultivos. Entonces, ¿cómo pueden transferirse a la siguiente generación los rasgos beneficiosos, codificados en los genes de las plantas híbridas?
Por lo general, nuestro material genético se reorganiza durante la meiosis, una división celular crucial que ocurre en todos los organismos que se reproducen sexualmente. Esta reorganización, debido a la segregación aleatoria de los cromosomas y la recombinación meiótica , es importante para generar configuraciones genéticas novedosas y beneficiosas en las poblaciones naturales y durante la reproducción.
Sin embargo, cuando se trata de fitomejoramiento, una vez que se tiene una gran combinación, es mejor conservarla y no perderla al reorganizar los genes nuevamente. Tener un sistema que evite la meiosis y que dé como resultado células sexuales (óvulos y espermatozoides) genéticamente idénticas a los padres podría tener varias aplicaciones.
En este estudio, Underwood y su equipo establecieron un sistema en el que reemplazan la meiosis por mitosis, una división celular simple, en la planta de hortalizas más popular, el tomate cultivado. En el llamado sistema MiMe (mitosis en lugar de meiosis), la división celular imita una mitosis, evitando así la recombinación y segregación genética, y produce células sexuales que son clones exactos de la planta madre.
El concepto del sistema MiMe fue establecido previamente por Raphael Mercier, director del Instituto Max Planck para la Investigación en Mejoramiento Vegetal, en Arabidopsis y arroz. Un aspecto innovador del nuevo estudio es que, por primera vez, los investigadores aprovecharon las células sexuales clonales para diseñar descendencia a través de un proceso que denominan «diseño del genoma poliploide».
Diseño del genoma poliploide.
Por lo general, las células sexuales tienen un conjunto de cromosomas reducido a la mitad (en los humanos, 46 cromosomas se reducen a 23; en el tomate, 24 cromosomas se reducen a 12), mientras que las células sexuales MiMe son clonales y, por lo tanto, esta reducción a la mitad del conjunto de cromosomas no ocurre.
Underwood y su equipo realizaron cruces que significaron que el óvulo clonal de una planta de tomate MiMe fue fertilizado por un espermatozoide clonal de otra planta de tomate MiMe. Las plantas de tomate resultantes contenían el repertorio genético completo de ambos padres y, por lo tanto, estaban compuestas por 48 cromosomas.
Por lo tanto, todas las características favorables de ambos progenitores híbridos se consolidan (por diseño) en una nueva planta de tomate. Debido a la estrecha relación genética entre los tomates y las patatas, el equipo de Underwood cree que el sistema descrito en este estudio puede adaptarse fácilmente para su uso en la patata, la quinta planta de cultivo más valiosa del mundo, y potencialmente en otras especies de cultivos.
En vista del aumento demográfico y los cambios climáticos , el desarrollo de variedades estables, sostenibles y de alto rendimiento es crucial para asegurar el suministro mundial de alimentos a largo plazo. Por lo tanto, es fundamental cultivar plantas que presenten una mayor resistencia a las enfermedades y tolerancia al estrés. Son esenciales enfoques innovadores para las tecnologías de reproducción de plantas.
Técnica innovadora de producción de semillas.
El sistema MiMe y su aplicación en la ingeniería del genoma poliploide podría ser una vía prometedora para abordar los desafíos agrícolas actuales.
«Estamos realmente entusiasmados con la posibilidad de utilizar células sexuales clonales para llevar a cabo el diseño del genoma poliploide. Estamos convencidos de que esto permitirá a los criadores aprovechar más heterosis (la heterosis progresiva que se encuentra en los poliploides) de manera controlada», dice Underwood.
«El sistema MiMe de tomate que hemos establecido también podría utilizarse como componente de la producción de semillas clonales (apomixis sintética) en el futuro. Esto podría reducir enormemente el coste de producir semillas híbridas», añade Yazhong Wang.
Más información: Yazhong Wang et al, Aprovechamiento de gametos clonales en cultivos híbridos para diseñar genomas poliploides, Nature Genetics (2024). DOI: 10.1038/s41588-024-01750-6
