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Los investigadores muestran un nuevo enfoque holístico de la genética y el fitomejoramiento

Los investigadores muestran un nuevo enfoque holístico de la genética y el fitomejoramiento
Cebada mutante en el campo. Crédito: UCPH FOOD

Un grupo de investigadores ha descubierto un nuevo enfoque para el fitomejoramiento de cereales que tiene en cuenta la ‘calculadora’ interna de semillas de plantas que hace que se reorganicen continuamente (coherencia global).


por la Universidad de Copenhague


El enfoque incluye cambios imprevistos y no intencionados en la planta cuando los cultivadores la manipulan genéticamente. Los investigadores esperan que el método pueda usarse para mejorar los cultivos del mundo de manera mucho más eficiente.

La investigación se llevó a cabo en el Departamento de Ciencia de los Alimentos de la Universidad de Copenhague (UCPH FOOD) con el profesor emérito Lars Munck como coordinador y se basa en trabajos anteriores desde 1963 en el Svaloef Plant Breeding Institute y el Carlsberg Laboratory.

Una imagen completa del organismo.

La investigación muestra cómo, con la ayuda de un método de análisis rápido, no destructivo y ecológico, la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS), podemos obtener una visión global que refleja cómo se cambia toda la composición química de los nutrientes en un grano de cebada . por ejemplo, por una mutación en un solo gen . Esto contrasta con el fitomejoramiento convencional actual, donde no se tiene una visión general de todos los cambios que sufre el grano de cebada cuando se modifica un solo gen.

Lars Munck y su equipo han estudiado granos de cebada de diferentes líneas de cebada utilizando espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS). En una fracción de segundo, este método puede proporcionar una » huella química » de los granos de cebada, que describe la composición químico-física de los granos, incluidos los nutrientes. Los investigadores analizaron los espectros intactos resultantes comparándolos y calibrándolos con líneas de cebada de composición conocida utilizando matemáticas (quimiometría).

«Nos sorprendió la precisión que caracteriza las huellas químicas de los granos a partir de los espectros NIRS. Al mismo tiempo, nos sorprendió descubrir que obtuvimos el mismo resultado de clasificación si en su lugar usamos los nutrientes / metabolitos secundarios determinados por un método de medición complicado llamado espectrometría de masas de cromatografía de gases como la huella química. Usando dos tipos diferentes de análisis con enfoques completamente diferentes, llegamos al mismo resultado de clasificación «, explica Lars Munck y continúa:

«Esto es coherencia en pocas palabras: todas las huellas digitales locales son parte de la red autoorganizada de la planta y afectan las huellas digitales químico-físicas globales de la planta».

Se encontró que una de las líneas de cebada examinadas tenía un mayor contenido del aminoácido esencial lisina en comparación con una cebada normal. El alto contenido de lisina da un buen crecimiento en estudios de alimentación con cerdos, pero el rendimiento en el campo fue horrible y con bajo contenido de almidón.

«Al analizar las líneas de cebada con alto contenido de lisina que se cruzaron con líneas de cebada con alto contenido de almidón que aportaron un alto rendimiento, pudimos utilizar las mediciones de las huellas dactilares NIRS para seleccionar líneas con un alto contenido de lisina y almidón, que por lo tanto dieron mayores rendimientos. Con el tiempo, la coherencia global también nos permitió obtener conocimientos sobre la combinación óptima de rasgos genéticos para un propósito de calidad específico «, explica Munck, quien cree que este es un avance radical en comparación con el fitomejoramiento actual que se centra en una combinación de rasgo genético-químico. a la vez.

«Con un enfoque más holístico , permitido por el método NIRS, podemos examinar la totalidad de huellas dactilares químicas de las diferentes líneas de plantas y obtener rápidamente una descripción general de qué material está disponible y, por lo tanto, apuntar y seleccionar líneas del grupo de cruces variables que están alta calidad mediante la calibración de líneas de marcador interesantes «, dice Munck.

Los investigadores muestran un nuevo enfoque holístico de la genética y el fitomejoramiento
Los espectros de cebada de infrarrojo cercano (NIR) (izquierda) reflejan las huellas químicas de las semillas de las líneas de cebada normales (verde), las líneas de proteína / lisina (azul) y las líneas de carbohidratos (rojo). La forma de los espectros es característica de cada grupo de cebada, donde el entorno de crecimiento (maceta y campo) influye en el desplazamiento de los espectros. A la derecha, los resultados de la cromatografía de gases, donde también se ve que la «forma de la curva» de los datos analíticos es característica de cada grupo de cebada y el entorno de crecimiento (temperatura alta-baja) afecta el desplazamiento de la curva. Crédito: UCPH FOOD

Coherencia global: la autoorganización interna de la planta.

En la disciplina del fitomejoramiento, se habla del genotipo, que describe el material genético de la planta, y del fenotipo, que describe los rasgos que se pueden observar directamente o se pueden medir químicamente y, por lo tanto, se pueden caracterizar mediante NIRS.

El enfoque cuando se usa el fenotipado NIRS es cambiar el orden del procedimiento de mejoramiento de la planta para comenzar examinando las diferentes líneas de cebada para todas sus propiedades químicas representadas por huellas dactilares. Esto se hace calibrando con líneas de cebada conocidas que tienen una o más de las propiedades químicas deseadas (por ejemplo, alto contenido de almidón). Solo al final, cuando haya seleccionado la línea de cebada óptima, realice una determinación en profundidad de los genes que se modifican. Al buscar una expresión para todo el organismo, el uso de huellas dactilares NIRS proporciona un resultado mucho más matizado, lo que le permite examinar la química general de un organismo en lugar de examinar cada combinación de genes individuales por separado.

«Con el nuevo método, hemos cerrado la gran brecha de conocimiento que existe en la genética entre genotipo y fenotipo. Ahora la biología molecular finalmente tendrá una salida para su impresionante biblioteca de funciones de genes primarios, donde el resultado de la contribución total de genes modificados a una planta en funcionamiento se puede estudiar en su conjunto «, dice Munck y continúa:

«La biología molecular ha encontrado soluciones cruciales para las enfermedades genéticas, la resistencia y las vacunas contra las enfermedades. Pero en esta historia de éxito, hemos olvidado que no es el gen la unidad biológica, sino que es el individuo autoorganizado el que utiliza su «calculadora» interna para organizar la coherencia de la interacción interna de manera precisa y reproducible «, dice Munck.

Los investigadores llaman a esta interacción, que se muestra en los granos de cebada utilizando huellas dactilares NIRS y que creen que se puede transferir a todos los organismos vivos, coherencia global.

«Cuando se produce un cambio en uno o varios de los genes de la planta o en el medio ambiente, la química y la morfología implícita de todo el organismo cambia a medida que la planta se reorganiza para obtener un nuevo punto de equilibrio coherente. Esta fuerza unificadora, la coherencia, fue previamente definida en la física entre haces de luz y átomos en materia no viva y ahora hemos descubierto la coherencia en biología como una huella química macroscópica, que llamamos coherencia global. Explica cómo la materia viva puede replicarse en individuos reconocibles «, explica Lars. Munck.

La importancia de la introducción de la coherencia de huellas dactilares químicas macroscópicas en biología que coordina las estructuras morfológicas físicas con las químicas es un descubrimiento fundamental y un complemento altamente simplificador de la comprensión genética molecular de la expresión génica.



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