Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han transferido con éxito un gen importante de un compartimento de una célula vegetal a otro para producir plantas de tabaco que carecen de polen y semillas viables, aunque por lo demás crecen normalmente.
por Mick Kulikowski, Universidad Estatal de Carolina del Norte
Sus hallazgos podrían conducir a mejores formas de producir semillas híbridas para maximizar la productividad de los cultivos, o para introducir la falta de semillas en especies frutales que carecen del rasgo frecuentemente deseado, como las frambuesas, las moras o las uvas muscadine.
Los investigadores comenzaron el trabajo en la porción de una célula que produce energía, las mitocondrias. En las plantas, las aberraciones dentro del genoma mitocondrial pueden estar asociadas con la incapacidad de producir polen, un rasgo conocido como esterilidad masculina citoplasmática (CMS) que se ha explotado con éxito para la producción de semillas híbridas de alto rendimiento en muchos cultivos importantes. Sin embargo, los sistemas naturales basados en CMS que son lo suficientemente robustos como para facilitar la producción de semillas híbridas a escala comercial son limitados.
En su estudio de prueba de concepto , los investigadores de NC State, junto con colegas de Precision BioSciences y Elo Life Systems, implementaron una estrategia única para probar si el rasgo CMS podría generarse en el tabaco, una especie modelo comúnmente utilizada en la investigación de plantas.
Inicialmente, los investigadores tomaron un gen mitocondrial esencial llamado atp1 y lo trasladaron al núcleo después de colocarlo bajo el control regulatorio de un elemento, conocido como promotor, que predijeron que permitiría que el gen atp1 transferido se expresara en cada célula de la planta. excepto los encargados de producir polen. Luego, los investigadores utilizaron herramientas de edición del genoma para eliminar permanentemente el gen atp1 nativo de las mitocondrias.
Su enfoque fue exitoso.
«Los resultados superaron nuestras expectativas», afirmó Ralph Dewey, profesor Philip Morris de ciencias de cultivos en NC State y autor correspondiente de un artículo que describe la investigación. «Las plantas parecían completamente normales hasta que comenzaron a florecer, pero luego no produjeron polen porque el gen atp1 transferido ya no se expresaba. Es importante destacar que, debido a que el gen atp1 original fue eliminado del genoma mitocondrial, el rasgo se heredará por vía materna . lo cual es una consideración crucial para la producción de semillas híbridas a gran escala».
El polen no fue la única víctima de la técnica. Cuando se fertilizaron cruzadamente con polen de una planta normal vecina, sus plantas de tabaco produjeron inesperadamente semillas pequeñas y huecas, muy parecidas a las que se ven en frutas populares «sin semillas» como las sandías y las uvas.
«Eso se debe a que el promotor que elegimos no sólo no se expresó durante la formación del polen, sino también durante el desarrollo temprano de la semilla», dijo Dewey.
Dewey dijo que su equipo ahora está trabajando para desacoplar estos resultados para que los investigadores puedan lograr la infertilidad por polen o el rasgo sin semillas solo, en lugar de ambos al mismo tiempo.
Dewey también enfatizó que los hallazgos no deberían limitarse a las plantas de tabaco . Su próxima generación de experimentos incluirá probar la característica sin semillas en tomate, un pariente cercano del tabaco. También probarán su novedoso rasgo CMS en un grano como el arroz para probar la eficacia de su sistema en un cultivo donde la producción de semillas híbridas es importante para lograr rendimientos máximos.
«Conociendo cómo funciona el sistema, no hay razón para creer que no podamos transferir eficazmente la tecnología a otras especies de plantas», afirmó.
El estudio aparece en Frontiers in Plant Science .
Más información: Esterilidad masculina citoplasmática y rasgos de semillas abortivas generados mediante la edición del genoma mitocondrial junto con la expresión alotópica de atp1 en el tabaco, Fronteras en la ciencia vegetal (2023). DOI: 10.3389/fpls.2023.1253640
