La investigación dirigida por la Universidad Bautista de Hong Kong (HKBU) que implica el uso de una técnica pionera de esterilidad femenina ha dado lugar a un gran avance en la producción de semillas de arroz híbridas.
por la Universidad Bautista de Hong Kong
En comparación con la técnica de esterilidad masculina de «tres líneas» comúnmente utilizada en la producción de semillas de arroz híbrido, el nuevo enfoque mejora la eficiencia de la producción de arroz híbrido al eliminar las semillas de arroz que se han producido debido a la autopolinización de la «línea restauradora».
Esta nueva técnica permite la cosecha completamente automática de semillas híbridas por máquinas, lo que puede reducir sustancialmente los costos de cosecha. Los resultados de la investigación han sido publicados recientemente en Cell Research .
La técnica de esterilidad masculina incurre en altos costos de recolección
Se sabe que las plantas que se autopolinizan mantienen la homocigosidad de su genoma y, como resultado, su descendencia puede tener las mismas características durante generaciones.
La heterosis, que se refiere al aumento de la tasa de crecimiento debido a la heterocigosidad del genoma como resultado de la hibridación de padres distantes, es difícil de explotar con plantas que se autopolinizan. En la naturaleza, el arroz generalmente se cultiva mediante la autopolinización.
Sin embargo, en las últimas décadas, los científicos, siguiendo el trabajo pionero del profesor Yuan Longping, el «padre del arroz híbrido», han desarrollado técnicas de mejoramiento de arroz híbrido mediante la explotación de genes masculinos estériles, y estas técnicas pueden producir semillas híbridas con el normalmente auto- polinizando plantas de arroz en grandes cantidades. China y otros países del mundo han utilizado ampliamente la técnica de esterilidad masculina para producir semillas de arroz híbridas y ha llevado a un aumento sustancial en los rendimientos de arroz.
La técnica de esterilidad masculina genera primero cultivares, es decir, variedades de plantas, de la «línea de esterilidad masculina» de arroz como receptores de polen . Los cultivares de arroz de la «línea restauradora» con fertilidad normal actúan como donantes de polen y se cultivan cerca de la «línea androestéril» para facilitar la transferencia de polen para la hibridación. Sin embargo, las semillas autopolinizantes también pueden ser producidas por la «línea restauradora», y deben ser removidas manualmente para evitar mezclarlas con las semillas híbridas antes de la cosecha mecánica, lo que genera altos costos de cosecha.
En teoría, usar arroz hembra estéril como «línea restauradora» es ideal porque no puede producir semillas autopolinizadas. Sin embargo, este enfoque no se ha adoptado porque el germoplasma de arroz hembra estéril sigue siendo extremadamente raro en la naturaleza y las plantas hembra estériles tienen dificultades para reproducirse por sí mismas.
La mutación TFS1 exhibe esterilidad femenina
Después de casi una década de estudio en curso, un equipo de investigación dirigido por el profesor Zhang Jianhua, profesor titular del Departamento de Biología de HKBU, ha logrado identificar una mutación genética de «esterilidad femenina termosensible espontánea 1» (TFS1) en un arroz de élite . cultivar durante la producción de arrozales. Esta mutación genética muestra esterilidad femenina en condiciones normales o de temperatura alta (es decir, por encima de 25 °C), y la fertilidad se reanuda parcialmente en condiciones de temperatura baja (es decir, 23 °C). No presenta ningún defecto en cuanto a su crecimiento vegetativo.
El equipo observó que el arroz con la mutación del gen TFS1 puede producir polen saludable con fertilidad masculina normal. El arroz con fertilidad normal puede producir semillas normales después de recibir polen de arroz con la mutación del gen TFS1. Investigaciones posteriores revelaron que, en condiciones normales o de temperatura alta, después de que el polen se ha depositado en el estigma del arroz con la mutación del gen TFS1, los tubos polínicos que han crecido a partir del polen no pueden entrar en el saco embrionario. Por lo tanto, los embriones no se desarrollan y no se pueden producir semillas. Pero en condiciones de baja temperatura, la capacidad de fertilizar y desarrollar embriones se recupera parcialmente.
Luego de un análisis genético usando clonación de genes y técnicas moleculares, el equipo encontró que la mutación de la esterilidad femenina es creada por una mutación puntual en la región génica de Argonaute7 (AGO7), un miembro del complejo proteico Argonaute (AGO) que es responsable de la producción de muchos pequeños ARN de interferencia, a saber, tasiR-ARF. La regulación aguas abajo de estos tasiR-ARF regula la entrada del tubo polínico en el saco embrionario, pero falló en condiciones normales o de alta temperatura en el arroz con mutación TFS1 y, por lo tanto, no se pueden lograr fertilizaciones dobles.
No es necesario eliminar las ‘líneas de restauración’ antes de la cosecha
Para evaluar el potencial del uso de TFS1 como herramienta genética para la producción de arroz híbrido, el equipo realizó pruebas de campo en Hong Kong y la provincia de Hunan en China continental. La mutación del gen TFS1 se introdujo en tres cultivares de arroz mediante introgresión y edición del genoma para crear germoplasmas con esterilidad femenina termosensible. Actuaron como las «líneas restauradoras» para la donación de polen. Otros tres cultivares de arroz con esterilidad masculina se utilizaron como «líneas de esterilidad masculina».
El equipo plantó las «líneas restauradoras» por separado junto a las «líneas androestériles» como en la reproducción híbrida tradicional, o las mezcló al azar en la granja al plantar. En ambos arreglos de plantación, más del 30% de las panículas de las «líneas androestériles» en Hong Kong y el 40% en la provincia de Hunan produjeron semillas híbridas. La proporción de conjuntos de semillas es similar a los rendimientos de producción de híbridos utilizando «líneas de restauración» existentes, pero las semillas de arroz híbrido se pueden cosechar sin la eliminación de las «líneas de restauración».
Gran potencial comercial con costes de cosecha reducidos
El profesor Zhang dijo: «Hoy en día, la producción de semillas de arroz híbrido sigue siendo un proceso que requiere mucha mano de obra en la agricultura. La esterilidad femenina , si se puede introducir en una ‘línea restauradora’ como donante de polen puro, tiene un gran potencial para reducir el costo, porque los progenitores masculino y femenino del arroz híbrido pueden cultivarse y cosecharse juntos con máquinas sin preocuparse por la pureza de la semilla.
«Los hallazgos de nuestra investigación proporcionan un rasgo adecuado para el mejoramiento de arroz híbrido completamente mecanizado, y nuestra herramienta genética se ha mostrado muy prometedora para aplicaciones comerciales. Para maximizar los rendimientos de arroz , necesitamos más ensayos de campo a gran escala para mejorar la receptibilidad entre hembras y machos estériles. líneas.»
Más información: Haoxuan Li et al, Una mutación de esterilidad femenina termosensible espontánea en el arroz permite la reproducción híbrida totalmente mecanizada, Cell Research (2022). DOI: 10.1038/s41422-022-00711-0
