Investigadores de la Universidad de Chicago diseñaron versiones acortadas de proteínas que ya existen en las plantas y lograron aumentar entre 20% y 25% el rendimiento del arroz, junto con mejorar su tolerancia a la sequía y el calor. El descubrimiento revela una nueva forma de regular la cromatina y podría aplicarse en el futuro mediante edición de bases, sin incorporar genes de otras especies.
¿Y si para conseguir una planta más productiva no fuera necesario agregarle un nuevo gen, sino retirar una pequeña sección de una proteína que ya posee?
Un equipo de científicos de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, desarrolló una estrategia que aprovecha proteínas propias de las plantas para estimular su crecimiento, mejorar el rendimiento agrícola y aumentar su capacidad de enfrentar condiciones ambientales adversas.
En pruebas realizadas con arroz, el enfoque incrementó la cosecha entre 20% y 25%. Las plantas también mostraron una mayor tolerancia frente a la sequía y las altas temperaturas, según informó la universidad. Los resultados fueron publicados en la revista científica Nature Genetics.
Un freno molecular oculto en las proteínas
La investigación se concentró en las llamadas regiones intrínsecamente desordenadas, conocidas por la sigla IDR. A diferencia de otras partes de las proteínas, estas regiones no adoptan una estructura tridimensional rígida y estable, sino que se mantienen flexibles.
Durante mucho tiempo fueron consideradas simples conectores o segmentos de poca importancia. Sin embargo, actualmente se sabe que pueden controlar dónde se localiza una proteína, con qué moléculas interactúa y qué funciones puede realizar dentro de la célula.
Los investigadores descubrieron que una región desordenada ubicada en el extremo final —o extremo C-terminal— de ciertas proteínas actúa como una especie de freno. Esta sección limita el acceso de las proteínas a la cromatina, el complejo formado por el ADN y las proteínas que lo organizan dentro del núcleo celular.
Al retirar esa región, las proteínas pudieron interactuar más ampliamente con moléculas de ARN asociadas a la cromatina. Esto produjo una mayor apertura de la cromatina y activó la expresión de numerosos genes. En términos sencillos, la modificación permitió liberar parte del potencial de crecimiento que normalmente permanece restringido dentro de las células.
De una proteína animal a una solución basada en las plantas
El nuevo trabajo tiene su origen en una investigación publicada por el mismo grupo en 2021. En esa oportunidad, los científicos introdujeron en plantas una proteína de mamíferos denominada FTO, relacionada con la eliminación de ciertas marcas químicas presentes en el ARN.
Su expresión en arroz y papa produjo plantas con mayor biomasa, raíces más extensas y aumentos importantes de rendimiento. Sin embargo, aquella estrategia requería incorporar un gen procedente de animales.
El equipo encabezado por el investigador Chuan He se propuso entonces encontrar un mecanismo equivalente utilizando componentes propios de las plantas.
Las plantas no poseen una copia directa del gen FTO, pero cuentan con proteínas relacionadas, entre ellas ALKBH9 y ALKBH10. Al estudiar su funcionamiento, los investigadores observaron que sus regiones intrínsecamente desordenadas restringían su capacidad de actuar sobre la cromatina.
Cuando eliminaron los segmentos ubicados en el extremo C-terminal de estas proteínas, las versiones acortadas adquirieron una actividad similar a la observada anteriormente con FTO: aumentaron el acceso a la cromatina y favorecieron la activación de genes vinculados con el crecimiento.
Más raíces y una cosecha hasta 25% mayor
La estrategia fue probada inicialmente en Arabidopsis thaliana, una especie modelo ampliamente utilizada en investigación vegetal. La sobreexpresión de las versiones modificadas de las proteínas estimuló el crecimiento de sus raíces.
Posteriormente, el equipo aplicó el método en arroz. En estas plantas, la intervención promovió el crecimiento y aumentó el rendimiento entre 20% y 25%. La Universidad de Chicago también informó una mejor respuesta frente a condiciones de sequía y calor.
Los resultados sugieren que las regiones desordenadas no solo facilitan las interacciones entre proteínas, como se pensaba tradicionalmente. También pueden funcionar como restricciones que impiden que determinadas enzimas actúen sobre regiones más amplias del genoma.
Al remover esa restricción, los científicos consiguieron reprogramar parte de la dinámica de la cromatina y modificar simultáneamente la actividad de múltiples genes relacionados con el desarrollo vegetal.
Las declaraciones de los investigadores
Chuan He, profesor distinguido John T. Wilson de los departamentos de Química y de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Chicago, explicó el objetivo de largo plazo del trabajo:
«Mi esperanza es que estemos estableciendo las bases científicas de una nueva estrategia para desarrollar plantas que no solo ofrezcan mayores rendimientos, sino que además sean resilientes frente a diversos tipos de estrés, desde la sequía y el calor hasta la salinidad».
El investigador destacó que el efecto se obtuvo utilizando proteínas que ya están presentes en las plantas:
«Demostramos que el beneficio para el crecimiento puede obtenerse simplemente expresando las propias proteínas ALKBH9 o ALKBH10 de la planta, pero eliminando sus segmentos C-terminales».
Liudan Jiang, primera autora del estudio, señaló:
«Esta estrategia promovió el crecimiento de las plantas y mejoró el rendimiento del arroz, lo que apunta a una nueva manera de reprogramar la dinámica de la cromatina para aumentar la productividad agrícola mediante proteínas vegetales modificadas».
He también planteó que el mismo principio podría implementarse mediante herramientas de edición genética de precisión:
«En principio, podríamos realizar una edición de bases en el genoma de la planta para eliminar el extremo C-terminal de sus propias proteínas ALKBH9 o ALKBH10. Es decir, no estaríamos introduciendo genes externos, sino modificando una o unas pocas bases en el genoma que la planta ya posee».
¿Se utilizó edición genética en el arroz?
Es importante distinguir entre la prueba de concepto presentada en el estudio y la posible forma de aplicar esta estrategia en futuros cultivos comerciales.
El trabajo publicado describe la sobreexpresión de versiones modificadas de las proteínas ALKBH, a las cuales se les retiró la región intrínsecamente desordenada del extremo C-terminal. Por lo tanto, no debe presentarse como si todas las plantas de arroz evaluadas hubieran sido obtenidas únicamente mediante edición de bases.
Lo que los autores proponen es que, en una siguiente etapa, podría introducirse una mutación pequeña y precisa en los genes ALKBH9 o ALKBH10 de la propia planta. Por ejemplo, la edición de bases podría generar una señal de término anticipada que produzca una proteína más corta, sin necesidad de incorporar un gen de otra especie.
Esta posibilidad todavía debe ser validada experimentalmente en diferentes variedades de arroz y en otros cultivos.
Una plataforma potencialmente aplicable a distintas especies
Los genes relacionados con ALKBH9 y ALKBH10 se encuentran en numerosas especies vegetales. Por esta razón, los investigadores están evaluando si la estrategia puede reproducirse en otros cultivos.
Su potencial no se limita necesariamente al aumento de la producción. La apertura de determinadas regiones de la cromatina podría influir sobre redes completas de genes vinculados con el crecimiento, la formación de raíces, la fotosíntesis y la respuesta frente a condiciones ambientales adversas.
No obstante, precisamente porque la intervención modifica la actividad de múltiples genes, serán necesarios estudios adicionales para determinar su estabilidad a lo largo de generaciones y evaluar posibles efectos no deseados sobre el desarrollo, la composición de los granos y el desempeño agronómico.
También será necesario comprobar los resultados en distintas variedades, ambientes productivos y condiciones de campo antes de estimar su verdadero potencial comercial.
Una nueva dimensión del mejoramiento de cultivos
Gran parte de las herramientas modernas de mejoramiento vegetal busca modificar genes específicos relacionados con características como el rendimiento, la resistencia a enfermedades o la tolerancia a la sequía.
Esta investigación propone una aproximación diferente: modificar proteínas reguladoras capaces de cambiar el grado de apertura de la cromatina y, con ello, influir simultáneamente en la actividad de numerosos genes.
El hallazgo amplía la comprensión sobre las regiones intrínsecamente desordenadas y muestra que estas pueden actuar como frenos regulatorios conservados tanto en animales como en plantas.
Para la agricultura, la posibilidad de liberar selectivamente esos frenos mediante modificaciones pequeñas podría convertirse en una nueva vía para desarrollar cultivos más productivos y adaptados a condiciones climáticas cada vez más exigentes.
El equipo continuará investigando cómo la eliminación de estas regiones produce los aumentos de crecimiento y tolerancia al estrés observados, además de probar el método en otras especies agrícolas.