Una estrategia genética reunió adaptación a la radiación ultravioleta y semillas grandes en una línea experimental que elevó el rendimiento bajo condiciones de gran altitud
Redactor: Raúl Méndez C.
Editor: Javier Morales O.
Un equipo internacional dirigido por la Academia China de Ciencias Agrícolas desarrolló una línea experimental de trigo sarraceno tártaro capaz de combinar adaptación a las condiciones extremas del Himalaya con semillas de mayor tamaño. El avance fue obtenido mediante un pangenoma que permitió recuperar variaciones genéticas presentes en poblaciones silvestres y variedades tradicionales.
La investigación, publicada en la revista Cell, reunió a 22 instituciones de 10 países, entre ellas el Centro para la Innovación de Cultivos y Alimentos de la Universidad Murdoch, Australia. Los científicos construyeron un pangenoma a partir de 16 genomas e identificaron 123.131 variantes estructurales en Fagopyrum tataricum.
El trabajo constituye una prueba de concepto: demuestra que es posible localizar genes vinculados con la tolerancia al estrés y combinarlos deliberadamente con variantes asociadas al rendimiento. La línea obtenida produjo semillas más grandes, mostró mejor crecimiento y alcanzó un rendimiento significativamente superior al de la variedad de referencia en ensayos de gran altitud.
Un cultivo adaptado a las montañas del Himalaya
El trigo sarraceno tártaro es una especie resistente y rica en nutrientes originaria del Himalaya. Aunque su nombre común lo relaciona con el trigo, no pertenece a la familia de las gramíneas. Sus granos se utilizan como alimento y resultan especialmente importantes para comunidades que producen en ambientes montañosos.
Las poblaciones silvestres sobreviven al frío y a una radiación ultravioleta B intensa, condiciones que limitan el desarrollo de numerosos cultivos. Esa capacidad convirtió a la especie en un modelo adecuado para estudiar cómo recuperar genes de adaptación sin sacrificar características productivas.
Durante la domesticación, los agricultores seleccionaron plantas con atributos convenientes para la cosecha y el consumo. Este proceso mejoró muchos cultivos, pero también redujo parte de su diversidad genética. Algunas variantes útiles únicamente en ambientes extremos quedaron fuera de las variedades cultivadas y sobrevivieron en parientes silvestres o materiales locales.
Un fenómeno similar se observa en otros alimentos. El ancestro silvestre del tomate conserva variantes vinculadas con tolerancia al estrés, sabor y calidad que se perdieron o disminuyeron durante la domesticación de las variedades modernas.
El pangenoma amplió la información genética disponible
Los programas de mejoramiento asistido por genómica suelen comparar cada planta con un único genoma de referencia. Esa metodología permite detectar cambios de una sola letra del ADN, conocidos como polimorfismos de nucleótido único, pero puede pasar por alto modificaciones estructurales más extensas.
Entre esas variaciones se encuentran fragmentos insertados o eliminados, regiones invertidas y genes que aparecen en diferentes cantidades. Estos cambios pueden tener efectos importantes sobre el rendimiento, la resistencia y la capacidad de adaptación de una planta.
Un pangenoma reúne los genomas de múltiples individuos y ofrece una representación más amplia de la diversidad de la especie. En este caso, los investigadores construyeron primero una secuencia de referencia completa de telómero a telómero y después integraron información genética de 994 accesiones procedentes de 15 países.
El pangenoma gráfico final incluyó 16 genomas representativos de poblaciones silvestres del Himalaya y variedades tradicionales distribuidas internacionalmente. La comparación permitió catalogar 123.131 variantes estructurales que no podían describirse adecuadamente mediante una sola referencia.
La utilidad de este enfoque ya se estudia en distintos cereales. El pangenoma de la avena ha permitido examinar variaciones relacionadas con productividad y resistencia, mientras una iniciativa internacional creó un pangenoma global del sorgo para estudiar tolerancia al calor y la sequía.
Un gen silvestre repara daños causados por radiación UV-B
El análisis identificó un gen denominado FtRNH, presente en plantas silvestres de gran altitud pero ausente en todas las variedades cultivadas examinadas. Los experimentos mostraron que este gen ayuda a reparar daños en el ADN provocados por la radiación UV-B.
La radiación ultravioleta aumenta con la altitud y puede afectar moléculas esenciales para el funcionamiento celular. Si el daño supera la capacidad de reparación de la planta, disminuyen el crecimiento, la supervivencia y el potencial reproductivo.
La conservación de FtRNH en las poblaciones silvestres indica que ofreció una ventaja bajo las condiciones ambientales del Himalaya. Su ausencia en los materiales cultivados muestra cómo la domesticación puede perder variantes valiosas cuando estas no resultan necesarias en los ambientes donde se desarrolla la selección.
Los investigadores no se limitaron a identificar el gen. Lo incorporaron a una línea candidata de mejoramiento y comprobaron su contribución a la adaptación durante ensayos en zonas elevadas. Este paso distingue el trabajo de estudios que producen recursos genómicos, pero no prueban su utilidad agronómica.
Copias adicionales de FtPLATZ aumentaron el tamaño de la semilla
El segundo componente del mejoramiento se localizó en una región genética denominada FtPLATZ. El equipo encontró que la presencia de copias adicionales del gen y una pequeña inserción en su promotor estaban asociadas con semillas más grandes.
El número de copias de un gen es una variante estructural que puede modificar la cantidad de producto genético generado por la planta. En este caso, las diferencias encontradas entre poblaciones silvestres y variedades locales ayudaron a explicar parte de la variación en el tamaño de los granos.
Los científicos cruzaron los materiales que contenían el gen de adaptación FtRNH con aquellos portadores de las variantes favorables de FtPLATZ. Mediante selección asistida por marcadores identificaron descendientes que habían heredado ambos componentes.
Este procedimiento permite detectar los segmentos deseados del ADN sin esperar a que cada planta complete todo su ciclo y exprese plenamente los rasgos. Después de la selección genética, los materiales deben cultivarse y evaluarse para confirmar que la combinación funciona bajo condiciones reales.
Tolerancia y rendimiento dejaron de ser rasgos contrapuestos
Los programas de mejoramiento encuentran con frecuencia compensaciones entre características. Una planta adaptada a un ambiente extremo puede destinar más recursos a la supervivencia y producir menos, mientras una variedad seleccionada por alto rendimiento puede volverse más vulnerable cuando enfrenta frío, sequía, calor o radiación intensa.
Rajeev Varshney, director del Centro para la Innovación de Cultivos y Alimentos y coautor correspondiente del estudio, explicó que el pangenoma permite identificar los segmentos de ADN responsables de cada rasgo y reunirlos de forma deliberada.
La línea candidata combinó el gen silvestre relacionado con la reparación del daño ultravioleta y las variantes asociadas con semillas grandes. En pruebas de gran altitud presentó mayor crecimiento y rendimiento que la variedad estándar, sin perder el incremento en el tamaño del grano.
El estudio no informa que el conflicto entre adaptación y rendimiento haya sido eliminado para todos los cultivos o ambientes. Demuestra que, en este caso, fue posible separar componentes genéticos favorables y reunirlos en una misma línea mediante cruzamiento y selección asistida.
Los avances logrados mediante mejoramiento genético pueden acumularse a lo largo del tiempo. Una investigación reciente sobre las ganancias de rendimiento de la avena en Illinois estimó un aumento promedio anual de 1,2 %, mostrando cómo la selección continuada puede elevar la productividad de un cultivo.
La estrategia puede extenderse a otros cultivos
Los autores consideran que el procedimiento es aplicable a otras especies porque los principales cultivos conservan parientes silvestres y variedades locales con diversidad ausente en las líneas comerciales. El esquema comprende construir un pangenoma, localizar variantes estructurales, comprobar su función, incorporarlas mediante cruzamiento y validar el resultado en campo.
La transferencia no será automática. Cada especie presenta una arquitectura genética distinta, y algunos cultivos poseen genomas mucho más grandes y complejos. También será necesario comprobar que un gen introducido desde un pariente silvestre no arrastre características desfavorables vinculadas en la misma región cromosómica.
Peter Eastwood, vicerrector adjunto de Investigación e Innovación de la Universidad Murdoch, destacó la posible aplicación de estas estrategias a programas dirigidos a cultivos básicos y a regiones donde la presión sobre la seguridad alimentaria es mayor.
Antes de llegar a los agricultores, la línea experimental de trigo sarraceno tendrá que superar evaluaciones adicionales de estabilidad, rendimiento, calidad y adaptación en más localidades y campañas. Los resultados actuales corresponden a una línea candidata y no a una variedad comercial disponible para siembra.
La principal aportación productiva es haber conectado tres etapas que a menudo permanecen separadas: el descubrimiento de diversidad genética, la incorporación de variantes favorables y su comprobación en ensayos de campo. Esa secuencia ofrece a los fitomejoradores una ruta para recuperar características perdidas durante la domesticación sin renunciar necesariamente al rendimiento.
Fuentes referenciales:
Phys.org
Universidad Murdoch
Estudio publicado en Cell
