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Edición genética para adaptar los cultivos al estrés ambiental mediante sus propias hormonas


Los investigadores están descubriendo cómo la modificación y edición genética en el nivel de ciertas hormonas vegetales, podría ayudar a los cultivos agrícolas a adaptarse a la sequía, suelos salinos, plagas y otros factores estresantes que reducen su rendimiento.


Scientific American.- Entre el daño a los cultivos causado por el cambio climático y el aumento de la población mundial y la demanda nutricional, está claro que el mundo necesitará producir más alimentos en el futuro. Los investigadores han estudiado durante mucho tiempo formas de ayudar a las plantas a resistir los estresores ambientales como las plagas y la sequía, tanto a través de la mejora genética convencional como la modificación genética moderna. Pero aún quedan muchas preguntas sobre cómo, exactamente, las plantas interactúan con su entorno y cómo los científicos podrían modificar esos procesos para ayudarlas a adaptarse.

Los investigadores del Instituto de Biología de Redes en Alemania y sus colegas pueden haber encontrado una manera de ayudar. A principios de julio publicaron un estudio en Nature que muestra que las plantas se comunican con el medio ambiente de formas más complejas de lo que se pensaba. La investigación reveló que la red de procesamiento de información, impulsada por hormonas, en un género de plantas se lleva a cabo por más de 2,000 interacciones de proteínas, cientos de las cuales no se habían descubierto antes. “Vamos a necesitar una segunda revolución verde”, dice Shelley Lumba, bióloga de plantas de la Universidad de Toronto, que no participó en el estudio. “Estas serían buenas pistas para probar”.

A diferencia de los animales, que completan la mayor parte de su desarrollo en el útero, las plantas permanecen relativamente flexibles durante toda su vida. Las proteínas sensoriales detectan condiciones ambientales cambiantes y luego usan hormonas para alterar su comportamiento o fisiología en consecuencia. Se conocen bien muchas vías: la hormona ABA, por ejemplo, le dice a las plantas que cierren sus poros y conserven el agua durante la sequía al dirigir una serie de proteínas específicas para llevar a cabo funciones celulares.

Sin embargo, la flexibilidad de estas redes hormonales es precisamente lo que las ha hecho tan difíciles de modificar genéticamente o diseñar para hacer frente a los cambios climáticos. La mayoría de los cultivos genéticamente modificados que están en el mercado se hacen agregando un gen de bacterias al genoma de una planta, lo que le permite resistir un herbicida o una plaga, por ejemplo. Y aunque la alternativa, manipular proteínas, es relativamente fácil con las nuevas técnicas de edición del genoma, “generalmente se estropea la planta”, dice Eilon Shani, bióloga de plantas en la Universidad de Tel Aviv.

Para crear cultivos que resistan los estresores ambientales, los investigadores se han basado en técnicas de mejoramiento convencionales utilizando la diversidad genética que existe naturalmente entre ellos. Lo han hecho para desarrollar variedades de trigo que producen altos niveles de ABA, por ejemplo. Ese tipo de mejoramiento se ha vuelto cada vez más difícil en los últimos años, dice Matthew Hudson, científico de cultivos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Por un lado, muchos países han comenzado a prohibir la exportación de semillas que tienen propiedades útiles para conservarlas como un recurso natural.

Las nuevas tecnologías, incluida la edición del genoma con CRISPR/Cas9, pueden hacer que la modificación genética sea relativamente sencilla. Sin embargo, los científicos que esperan modificar los genes de las plantas primero deben saber lo que están buscando. Centrarse en sistemas en lugar de genes individuales podría resultar útil. Para activar sus defensas contra los insectos, por ejemplo, las plantas podrían tener que cerrar otra vía hormonal, como el crecimiento o la conservación del agua.

“Hay muchas compensaciones que son fundamentales para la fisiología de las plantas, y sabemos que están ahí, pero no se caracterizan de manera cuantitativa”, dice Hudson. La investigación, como el estudio Nature, dice, podría ayudar a los científicos a desarrollar modelos computacionales que revelarían cómo comprender y ajustar las vías a través de la ingeniería genética. “Esta es obviamente la próxima generación de investigación”, dice Hudson.

Hacer que las plantas sean más flexibles podría ser más importante que dotarlas de características específicas. “Las hormonas permiten que tengan lugar las respuestas”, dice Lumba. “No están dando instrucciones; están permitiendo que se lea la estimulación ambiental “.

Lumba está estudiando los mecanismos hormonales que ayudan a ciertas plantas a repoblar rápidamente áreas arrasadas por incendios forestales. Cuando estos “seguidores del fuego” perciben los químicos emitidos por los materiales quemados, liberan una hormona llamada auxina que provoca la germinación. Sin embargo, debido a que todas las plantas conocidas contienen auxina, así como las proteínas que detectan el humo, no está claro por qué la mayoría de ellas no responden realmente. El mapeo de las extensas vías entre el sensor y la respuesta, dice, podría ser un paso para ayudar a restaurar los ecosistemas después de un incendio.

Crear cultivos que se adapten rápidamente a sus entornos continuará siendo un esfuerzo masivo. La mayoría de los investigadores en plantas que estudian los mecanismos de señalización se han centrado en Arabidopsis, un género de pequeñas hierbas con flores relacionadas con la coliflor y la mostaza. Como planta modelo de laboratorio, Arabidopsis ha sido extremadamente bien caracterizada. Hudson dice que revelar toda la red de interacciones proteicas en cultivos como el maíz o el arroz llevaría años y millones de dólares.

Aunque los investigadores han estado trabajando en plantas de cultivo genéticamente modificadas (OGMs o transgénicos) que resisten la sequía u otros factores estresantes, ninguna de las variaciones está cerca de estar disponible comercialmente. “Tenemos características transgénicas que podemos agregar en la parte superior [de las plantas mejoradas convencionalmente], pero realmente no estamos diseñando las cosas sutiles que hacen que las plantas se conviertan en cultivos viables”, dice Hudson. Su grupo y otros en la Universidad de Illinois están trabajando en el desarrollo de algoritmos informáticos para predecir cómo la modificación de genes particulares a través de la ingeniería afectaría el crecimiento de una planta. Para los organismos de crecimiento lento, incluidos los nogales, que están amenazados por un hongo parásito, dicho sistema podría ahorrar muchos años de observación y espera.

La misma ventaja es cierta para las plantas no cultivadas. Bingru Huang, biólogo de plantas de la Universidad de Rutgers, ha modificado genéticamente las vías de señalización hormonal en los pastos utilizados para el césped del campo de golf y otras aplicaciones. Descubrió que aumentar la cantidad de hormonas llamadas citoquininas y hacer que las plantas sean más sensibles a sus niveles cambiantes hizo que los pastos seanmás resistentes al calor y al suelo salino. Sin embargo, Huang dice que la ingeniería genética práctica de las vías hormonales será difícil. “Cuando cambias una hormona, otras cambian”, agrega.

En última instancia, descubrir las formas en que las plantas se comunican con su entorno y se adaptan a ambientes hostiles podría beneficiar el suministro de alimentos. “No creemos que seamos más inteligentes que la naturaleza y más inteligentes que las plantas”, dice Shani. “Pero podríamos ayudar a las plantas a adaptarse más rápido que esperar otro millón de años para que la evolución vuelva a hacer su trabajo“.

  • Fuente: https://www.scientificamerican.com/article/plants-have-hormones-too-and-tweaking-them-could-improve-food-supply/

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