Investigadores de KeyGene y Wageningen University & Research (WUR), en colaboración con colegas de Japón y Nueva Zelanda, han descubierto un gen que permitirá producir semillas a partir de cultivos que son genéticamente idénticos a la planta madre y que no necesitan polinización.
Este fenómeno, llamado apomixis, permite que las plantas con una combinación deseable de rasgos produzcan muchos descendientes con la misma combinación deseable de genes que la planta madre. Junto con investigadores de la compañía de mejoramiento japonesa Takii y Plant & Food Research de Nueva Zelanda y la Universidad de Lincoln, los investigadores de KeyGene y WUR explican en la revista Nature Genetics cómo funciona el gen y cómo influyó en el trabajo del ‘padre de la genética’ Gregor Mendel. . Se espera que el descubrimiento conduzca a importantes innovaciones en el fitomejoramiento en los próximos años.
El gen encontrado recibió el nombre de PAR, abreviatura de partenogénesis, el proceso mediante el cual los óvulos se convierten en embriones de plantas sin la fertilización de los óvulos. El descubrimiento marca un avance definitivo y corona el trabajo del equipo de investigación que comenzó en KeyGene hace más de 15 años.
Innovación en la agricultura
La apomixis es vista como el santo grial de la agricultura. Debido a que las plantas apomícticas producen semillas ‘clonales’ a partir de la planta madre, el proceso permite capturar combinaciones excepcionalmente superiores de los rasgos de una planta de una sola vez. Por lo tanto, la apomixis puede acelerar la reproducción de cultivos innovadores, hacer que la producción de semillas sea menos costosa y brindar las ventajas de la reproducción híbrida a muchas más especies de cultivos del mundo.
Si bien la importancia de la apomixis para la agricultura se reconoce desde hace mucho tiempo, aún no se ha introducido con éxito en la práctica de fitomejoramiento. En 2018, se descubrió un gen que se puede usar para la partenogénesis en el arroz, pero los científicos ahora saben que, lamentablemente, ese gen no funciona fuera de los pastos.
Quince años de investigación
Un equipo de científicos de la empresa de investigación KeyGene en los Países Bajos comenzó a desentrañar la genética detrás de la apomixis a principios de la década de 2000. Desde un principio, la idea fue que encontrar los genes podría significar un gran avance para el uso de la apomixis en los cultivos. En 2016, el equipo de KeyGene se convirtió en el primero en descubrir el gen DIP, el gen de la diplosporía, que es uno de los dos pasos involucrados en la apomixis.
El gen DIP asegura que el número de cromosomas no se reduzca a la mitad durante la formación de los óvulos. El otro paso crucial en la apomixis es que ese óvulo con este número normal de cromosomas comienza a dividirse sin fertilización y se convierte en un embrión. Este proceso se llama partenogénesis. Por lo tanto, los investigadores de KeyGene comenzaron a buscar el gen PAR e involucraron al grupo de Biosistematica de la Universidad e Investigación de Wageningen en esta investigación.
Diente de león
El equipo utilizó el diente de león en su investigación, una de las alrededor de 400 especies de plantas silvestres que se sabe que se reproducen por apomixis. El gen PAR asegura que los óvulos se desarrollen en un embrión vegetal sin que se produzca la fertilización. Los investigadores de KeyGene demostraron que el gen PAR está activo en el polen.
Célula de huevo engañada
En el grupo de Biosistematica de la Universidad e Investigación de Wageningen se descubrió que el gen PAR normalmente está inactivo en los óvulos. El gen PAR normalmente solo se activa en el óvulo después de la fertilización, luego se divide para crear un embrión vegetal. En los óvulos de las plantas de diente de león que forman semillas a través de la apomixis, se demostró que el gen PAR estaba «activado» antes de la fertilización. En otras palabras, estos óvulos ‘piensan’ que están fertilizados y comienzan a dividirse sin que haya ocurrido la fertilización.
Mendel
En Nueva Zelanda, los genes de la partenogénesis también están siendo estudiados por investigadores de la Universidad de Lincoln y de Plant & Food Research. Su investigación se centra en la vellosilla, un género de plantas que Gregor Mendel estudió extensamente. A mediados del siglo XIX, Mendel notó que las características de las plantas se heredaban de manera diferente en los guisantes y la vellosilla, pero no pudo explicar por qué. Ahora sabemos que esto se debe a que los guisantes se reproducen sexualmente mientras que las vellosillas se reproducen por apomixis.
Hawkweeds y diente de león pertenecen a la misma familia de plantas, por lo que los investigadores de Nueva Zelanda compararon el gen PAR con los genes de hawkweed y descubrieron algo que los investigadores de KeyGene también habían observado en los dientes de león: mientras que todas las plantas contienen genes PAR, las plantas con apomixis tenían un extra trozo de ADN en el gen. Esta pieza adicional de ADN parecía estar casi en el mismo lugar en la vellosilla que en el diente de león, aunque se cree que las plantas se separaron de un ancestro común hace más de 13 millones de años.
genes saltadores
Un análisis posterior reveló que la pieza adicional de ADN era el llamado transposón: una pieza de ADN que puede «saltar» dentro del ADN de la planta. En la vellosilla y el diente de león, el transposón se ubica en el promotor, la región de PAR que regula la actividad del gen. Los investigadores ahora suponen que estos genes saltadores terminaron en el promotor del gen PAR de forma independiente en ambas especies de plantas y que este es un caso de evolución paralela.
Ahora a los cultivos
Una pregunta de seguimiento importante es si el gen PAR del diente de león y los nuevos conocimientos sobre la genética detrás de la apomixis se pueden utilizar para producir cultivos con semillas genéticamente superiores.
Aunque la mayoría de las plantas no usan apomixis, la mayoría tiene genes que son sorprendentemente similares al gen PAR, así como al gen DIP encontrado anteriormente en el diente de león. Esto sugiere que la apomixis actúa naturalmente como una modificación de la reproducción sexual normal y, por lo tanto, potencialmente también que la apomixis podría ser ampliamente aplicable para la agricultura innovadora mediante el uso de herramientas modernas como la edición de genes.
Los investigadores de KeyGene ya han comenzado este trabajo. En una investigación reciente, junto con los científicos de Takii Seed, lograron demostrar que el gen PAR puede causar partenogénesis tanto en lechuga como en girasol, lo que hace que la perspectiva de apomixis en los cultivos sea un paso más adelante.La participación de Wageningen University & Research en esta investigación fue posible gracias a una contribución financiera de la Organización Holandesa de Investigación Científica (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek – NWO), dominio de Ciencias Aplicadas y Técnicas (Toegepaste en Technische Wetenschappen – TTW).
