El maíz es uno de los cultivos básicos más importantes del mundo y ha sido ampliamente estudiado. Sin embargo, muchos aspectos de los mecanismos genéticos que regulan su crecimiento y desarrollo siguen sin explorarse.
por el Instituto Boyce Thompson
Investigaciones recientes revelaron que una familia de proteínas denominada COI1, previamente asociada con mecanismos de defensa en otras especies vegetales como Arabidopsis y arroz, regula principalmente el crecimiento del maíz. Este hallazgo podría conducir al desarrollo de variedades de maíz más robustas y productivas.
En las plantas, el crecimiento y la defensa suelen entrar en conflicto. Cuando una planta se centra en la defensa contra plagas o enfermedades, el crecimiento suele quedar en segundo plano debido a la interacción opuesta entre las proteínas que suprimen los genes de defensa, conocidas como JAZ (dominio ZIM del jasmonato), y las proteínas que suprimen los genes de crecimiento (DELLA). Las proteínas COI son fundamentales para equilibrar estos dos procesos al degradar JAZ.
La investigación se centró en seis proteínas COI del maíz, divididas en dos grupos: COI1 y COI2. Se crearon plantas mutantes a las que les faltaban una, dos o las cuatro proteínas COI1. Sin embargo, no se pudieron producir mutantes que carecieran de ambas proteínas COI2, ya que el polen carente de ambas resultó letal. Esto indica que las proteínas COI2 desempeñan un papel crucial en la reproducción masculina y el desarrollo del polen del maíz.
La verdadera sorpresa llegó cuando las plantas carecían de las cuatro proteínas COI1. “Estos mutantes ‘COI1-4x’ mostraron un crecimiento significativamente reducido en comparación con las plantas de maíz de tipo salvaje”, dijo Leila Feiz, la primera y coautora correspondiente del estudio publicado recientemente en The Plant Cell . “Esto fue contrario a mis expectativas, ya que las mutaciones COI generalmente resultan en un crecimiento más alto en otras especies como Arabidopsis y el arroz”.
Feiz explicó: “En las plantas mutantes C3 coi, como Arabidopsis, la falta de degradación de JAZ por parte de COI hace que DELLA quede atrapada por JAZ. Esto induce genes de crecimiento inducidos por ácido giberélico, que normalmente son suprimidos por DELLA en ausencia de ácido giberélico. Por el contrario, las plantas de tipo silvestre tratadas continuamente con ácido jasmónico crecen más bajas que las no tratadas. Esto se debe a que COI percibe el ácido jasmónico y degrada JAZ.
“La degradación activa los genes de defensa y libera a DELLA de las trampas de JAZ, inhibiendo en consecuencia el crecimiento. A diferencia de los mutantes COI de Arabidopsis y del arroz, que muestran un fenotipo más alto que sus tipos salvajes, el mutante cuádruple COI1 del maíz exhibió un crecimiento más corto en comparación con sus mutantes dobles y las plantas de tipo salvaje”.
Un análisis posterior reveló que las proteínas COI1 del maíz pueden haber desarrollado una nueva función: degradar las proteínas DELLA, que inhiben el crecimiento de las plantas . Feiz propone que al descomponer estas DELLA que inhiben el crecimiento, las proteínas COI1 permiten que el maíz siga creciendo incluso mientras se defiende de altos niveles de ácido jasmónico , abundante en plantas cultivadas en climas cálidos y áridos donde evolucionaron las plantas C4, como el maíz y la caña de azúcar.
Esta nueva función de COI1 en la regulación de los niveles de DELLA y el crecimiento puede ser una adaptación que ha ayudado al maíz, y posiblemente a otras plantas C4, a prosperar en dichos entornos, lo que constituye una fuerza impulsora en la evolución de C4. Al disociar las respuestas de crecimiento y defensa, el maíz y otras plantas C4 como el sorgo pueden mantener un crecimiento robusto incluso cuando enfrentan estreses ambientales que normalmente limitarían el crecimiento.
El proyecto de investigación tiene una historia interesante. Comenzó hace casi cinco años con un puñado de plantas con un único mutante rescatadas de un proyecto abandonado. Kevin Ahern, entonces director de campo y estudiante de posgrado en el laboratorio de Georg Jander en el Instituto Boyce Thompson, las rescató polinizando y recolectando sus semillas.
Unos meses después, Feiz, investigadora del laboratorio de Jander, se hizo cargo de las semillas mutantes para continuar con el proyecto. A lo largo de esta investigación, colaboró con varios otros científicos, entre ellos Shan Wu, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Zhangjun Fei, que ayudó a analizar un gran conjunto de datos de secuenciación de ARN.
Este estudio abre nuevas posibilidades para mejorar la resiliencia y la productividad de los cultivos al revelar cómo las proteínas COI interactúan con las proteínas DELLA y otros componentes de las vías de señalización de la planta. Destaca cómo la investigación fundamental en biología vegetal puede descubrir adaptaciones evolutivas fascinantes y conducir a avances agrícolas en el mundo real.
Más información: Las proteínas F-box de COI1 regulan los niveles de proteína DELLA, el crecimiento y la eficiencia fotosintética en el maíz, The Plant Cell (2024). DOI: 10.1093/plcell/koae161
