Investigadores del Centro John Innes en Reino Unido han identificado un gen que tiene efectos profundos en la producción de semillas, lo que presenta una oportunidad emocionante para generar variedades de trigo de élite de alto rendimiento, al tiempo que permite la introducción de características de importancia crítica.
John Innes Centre / 8 de noviembre, 2021.- Las técnicas de edición de genes ayudaron a identificar y explicar un gen clave en el trigo (ZIP4), que es responsable de mantener el 50% del rendimiento en este cultivo global.
El descubrimiento presenta una nueva y emocionante oportunidad para generar variedades de trigo de élite de alto rendimiento utilizando una nueva mutación del gen, al tiempo que permite la introducción de características de importancia crítica como la resistencia al calor y la resistencia a enfermedades.
En el estudio, que aparece en Nature Scientific Reports, el grupo de investigación del profesor Graham Moore aprovechó los desarrollos recientes en la tecnología de investigación del trigo para explicar los elementos genéticos que han desconcertado a los científicos durante más de 60 años.
“Nuestro estudio describe la identificación de un gen, ZIP4 y su fenotipo, responsable de la conservación del 50% de grano en el trigo. Ahora podemos apuntar a identificar variantes del gen con efectos que otorguen al rendimiento del trigo resistencia al cambio climático ”, dijo el profesor Moore.
Desarrollar trigo que sea resistente al cambio climático ayudará a asegurar una cosecha de la que dependen 2.500 millones de personas.
Muchas especies de plantas, incluidas la mayoría de las plantas con flores, son poliploides, lo que significa que tienen múltiples genomas. El genoma poliploide del trigo evolucionó como una combinación de pastos silvestres que se fertilizaron de forma cruzada, hace unos 10.000 años en Oriente Medio.
Durante este proceso, conocido como poliploidización, la fertilidad se preserva a través de mecanismos que han evolucionado para controlar el comportamiento de estos múltiples genomas durante la meiosis, la fase de reproducción sexual dentro de las células.
Durante la poliploidización del trigo, el principal gen meiótico ZIP4 se duplicó del cromosoma 3 al cromosoma 5B.
Estudios anteriores habían demostrado que el gen duplicado realiza dos funciones clave en la estabilización del genoma del trigo durante la meiosis: promoción del apareamiento fiel de cromosomas y supresión del cruce entre cromosomas relacionados.
Durante más de 60 años, se creyó que la función de supresión era responsable de la estabilidad del genoma y el rendimiento de grano y, en consecuencia, informaba las decisiones de fitomejoramiento.
Los investigadores del grupo de Moore utilizaron técnicas de edición del genoma CRISPR/Cas9 para crear una planta mutante en la que se eliminó el gen ZIP4 5B, lo que provocó la pérdida de ambas funciones. Esta mutación produjo un 50% menos de granos, lo que confirma el papel fundamental de ZIP4 5B en la fertilidad del trigo.
A continuación, generaron una nueva planta mutante ZIP4 5B de «separación de funciones» que había perdido el fenotipo de supresión de cruces pero aún conservaba la capacidad de promover el emparejamiento correcto.
Curiosamente, la «promoción del emparejamiento correcto» del fenotipo en la separación de la función del trigo mutante ZIP4 5B, mantuvo la estabilidad cromosómica y la preservación del número de granos.
Los resultados mostraron que, sorprendentemente, la pérdida del fenotipo de supresión cruzada no redujo la fertilidad del trigo cuando se preservó la otra función.
El profesor Moore agrega: “Hasta ahora, la importancia de este segundo fenotipo para la preservación del número de granos no ha sido clara. Nuestro estudio ha demostrado que el nuevo mutante ahora debería usarse en el mejoramiento de trigo para mantener el rendimiento y, debido a que no tiene la función de supresión, para aumentar la posibilidad de introgresión exitosa de segmentos cromosómicos relativos silvestres deseables en el trigo”.
La meiosis es una función afectada por el aumento de temperatura. Una prioridad de investigación es buscar variaciones del gen ZIP4 que mantengan la estabilidad meiótica y la fertilidad bajo diferentes regímenes de temperatura.
El primer autor del estudio, el Dr. Azahara Martin, dijo: “Es probable que la duplicación del gen ZIP4 del cromosoma 3 en el cromosoma 5B después de la poliploidización haya tenido un impacto extraordinario en la agricultura y la nutrición humana. La separación de mutantes de función descrita en este estudio conducirá a introgresiones más exitosas en el fitomejoramiento».