El arroz tiene una larga historia como alimento básico en Japón y otras partes de Asia.
por la Universidad de Kobe
Los resultados de un nuevo estudio realizado por una colaboración de investigación internacional sugieren que la aparición de arroz cultivado a partir de plantas de arroz silvestre es el resultado de tres mutaciones genéticas que hacen que las semillas (es decir, los granos de arroz) se caigan de la planta con menos facilidad.
En sus investigaciones, los investigadores descubrieron que cada una de las tres mutaciones individualmente tiene poco efecto, pero cuando las tres mutaciones están presentes, las panículas de la planta de arroz retienen más semillas, lo que resulta en un mayor rendimiento de la cosecha.
Se cree que la domesticación del arroz silvestre comenzó cuando nuestros antepasados descubrieron y comenzaron a cultivar plantas de arroz que no dejan caer sus semillas con facilidad, allanando el camino para la producción estable de arroz. Se espera que los resultados de esta investigación puedan contribuir a futuras mejoras en la facilidad con la que caen las semillas de arroz (es decir, hacer que el cultivo sea más fácil de trillar) y al desarrollo de cultivares de arroz de alto rendimiento donde se pueda cosechar cada grano, reduciendo el desperdicio.
Este descubrimiento fue realizado por una colaboración internacional que incluyó a investigadores de la Escuela de Graduados en Agricultura de la Universidad de Kobe (Japón), el Instituto Nacional de Genética (Japón), el University College London (Reino Unido), la Universidad de Warwick (Reino Unido), la Universidad Agrícola de Yezin ( Myanmar) y el Instituto de Investigación y Desarrollo Agrícola de Camboya.
Oryza sativa (a menudo denominada arroz asiático en inglés) se cultiva y consume ampliamente en todo el mundo. Se sabe que se originó a partir de la hierba de arroz silvestre Oryza rufipogon. Se cree que el arroz comenzó a cultivarse cuando los cazadores-recolectores en la antigüedad elegían plantas individuales de arroz silvestre que tuvieran las características adecuadas para este fin. Las plantas de arroz silvestre realizan un proceso de trituración de semillas que dispersa sus semillas, lo que les permite propagarse de manera eficiente.
Sin embargo, cuando se cultiva arroz, se debe suprimir esta rotura de semillas para obtener una cosecha estable. En 2006, se descubrió el gen sh4: este gen es necesario para el comienzo de la rotura de semillas en plantas, incluido el arroz, y se propuso que una mutación en este gen permitía el cultivo de arroz.
Sin embargo, el equipo de investigación actual mostró que esta mutación sh4 por sí sola es insuficiente para prevenir la pérdida por rotura de semillas, lo que sugiere que también están involucradas otras mutaciones genéticas. Con un enfoque en la historia temprana del cultivo de arroz, este estudio reunió a especialistas en genética de plantas, arqueobotánica y mecánica estructural para dilucidar cómo se llegó a cultivar rendimientos crecientes de arroz.
La rotura de semillas es causada por una estructura llamada capa de abscisión que se forma en la base de cada semilla de arroz. Los investigadores encontraron que se requiere una sustitución de un solo nucleótido (de citosina a timina) en el ADN del gen qSH3 para inhibir la capa de abscisión, además de la mutación del gen sh4 antes mencionada. Esta mutación del gen qSH3 se encuentra en los principales tipos de arroz que se cultivan en todo el mundo (indica y japonica).
Las mutaciones individuales relacionadas con el desgrane de semillas, por ejemplo en los genes sh4 y qSH3, no pueden prevenir por sí solas el desgrane en las plantas de arroz silvestre. Sin embargo, los investigadores descubrieron que cuando se combinaban las mutaciones sh4 y qSH3, esto inhibía parcialmente la formación de la capa de abscisión, que se requiere para romper las semillas. A pesar de esto, concluyeron que una inhibición tan pequeña no sería suficiente para producir un rendimiento de cultivo estable, ya que las semillas caen fácilmente en un entorno natural. Por lo tanto, decidieron centrarse a continuación en la forma de la panícula. Panícula se refiere a los racimos de ramas delgadas en la parte superior de la planta de arroz que llevan las semillas.
El arroz salvaje tiene una estructura de panícula abierta que permite que las semillas caigan fácilmente. A través de la hibridación, los investigadores produjeron 8 plantas de arroz silvestre, cada una con una combinación diferente de tres mutaciones genéticas: una mutación en SPR3 que hace que las panículas se cierren y las mutaciones sh4 y qSH3 antes mencionadas. Luego investigaron el rendimiento de cada planta. Descubrieron que las mutaciones individuales tenían poco efecto y que incluso la combinación de dos mutaciones no resultó en un gran aumento del rendimiento. Sin embargo, cuando estaban presentes las tres mutaciones genéticas, el rendimiento aumentaba exponencialmente.
Un análisis de la mecánica estructural de la alteración de la panícula cerrada y la inhibición de la capa de abscisión reveló una relación complementaria entre los dos. La carga de la gravedad en la capa de abscisión de la base de la semilla es menor en las plantas de panícula cerrada que en las plantas de panícula abierta, lo que potencialmente genera un rendimiento de cultivo aún mayor al reducir aún más la fragmentación de la semilla. El “comportamiento de no rotura de semillas” causado por las mutaciones sh4 y qSH3 y las “panículas cerradas” causadas por la mutación SPR3 son características completamente independientes, sin embargo, se considera que la colaboración incidental entre estas características es lo que permitió que el arroz se convirtiera en un cultivo.
En la parábola de las tres flechas, el señor de la guerra japonés del siglo XVI MORI Motonari le dio a cada uno de sus tres hijos una flecha y pudieron romper las flechas individuales fácilmente. Sin embargo, un paquete de tres flechas es más fuerte y al mostrarles a sus hijos que tres flechas juntas no se pueden romper, explicó que los tres deben trabajar juntos para gobernar la tierra. En los cultivares de arroz, tres mutaciones que tienen poco efecto por sí solas trabajan juntas incidentalmente, un paso importante hacia el éxito del arroz como cultivo.
El arroz ha sido una fuente de energía diaria para las personas durante miles de años y algunos cultivares de arroz japoneses se consideran obras de arte culturales. Los resultados de esta investigación no solo revelan el mecanismo de fragmentación de semillas, sino que también nos dan una idea de la larga historia detrás de la mejora del cultivo de arroz.
Resultados de la tasa de recolección de semillas para plantas de arroz con una combinación de tres mutaciones genéticas (en sh4, qSH3 y SPR3). Crédito: Universidad de Kobe
Forma de panícula en arroz salvaje (panículas abiertas). Crédito: Universidad de Kobe
Aunque el arroz es un cultivo esencial en todo el mundo, todavía no se comprende completamente cómo fue domesticado. Los avances en las técnicas agrícolas estuvieron acompañados por el desarrollo de cultivares de arroz que arrojaron sus semillas cada vez con menos facilidad, lo que sugiere que la adquisición del comportamiento de no trituración de semillas es el resultado de múltiples mutaciones genéticas.
Se espera que al investigar más a fondo estas mutaciones, se pueda dilucidar el proceso de cultivo del arroz. Además, la cantidad de semillas rotas podría controlarse utilizando genes con muchas de estas mutaciones , lo que llevaría al desarrollo de nuevos cultivares de arroz donde se pueden cosechar todas las semillas producidas por la planta.
La investigación fue publicada en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Más información: Ryo Ishikawa et al, Una ruta paso a paso para domesticar el arroz mediante el control de la rotura de semillas y la forma de la panícula,
Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2121692119
