Hace diez años, una nueva tecnología llamada CRISPR-CAS9 hizo posible que los científicos cambiaran el código genético de los organismos vivos. Por revolucionaria que fuera, la herramienta tenía sus limitaciones.
por la Universidad de Maryland
Al igual que los primeros teléfonos celulares que solo podían realizar una función, el método CRISPR original puede realizar una función: eliminar o reemplazar genes en una secuencia genética. Se desarrollaron iteraciones posteriores de CRISPR para otra función que permitía a los científicos cambiar la expresión génica encendiéndolas o apagándolas, sin eliminarlas del genoma. Pero cada una de estas funciones solo podría realizarse de forma independiente en las plantas.
Ahora, los científicos de la Facultad de Agricultura y Recursos Naturales de la Universidad de Maryland han desarrollado CRISPR-Combo, un método para editar múltiples genes en plantas y al mismo tiempo cambiar la expresión de otros genes. Esta nueva herramienta permitirá combinaciones de ingeniería genética que trabajan juntas para impulsar la funcionalidad y mejorar la reproducción de nuevos cultivos.
«Las posibilidades son realmente ilimitadas en términos de los rasgos que se pueden combinar», dijo Yiping Qi, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de las Plantas y Arquitectura del Paisaje y coautor del estudio. «Pero lo que es realmente emocionante es que CRISPR-Combo introduce un nivel de sofisticación en la ingeniería genética en plantas que no habíamos tenido antes».
La nueva investigación aparece en la edición de mayo de 2022 de la revista Nature Plants.
Los beneficios de manipular más de un gen a la vez pueden superar con creces los beneficios de cualquier manipulación por sí sola. Por ejemplo, imagine una plaga que arrasa los campos de trigo y amenaza los medios de subsistencia de los agricultores y la seguridad alimentaria. Si los científicos pudieran eliminar un gen del trigo que lo hace susceptible al tizón y, al mismo tiempo, activar genes que acorten el ciclo de vida de la planta y aumenten la producción de semillas , podrían producir rápidamente trigo resistente al tizón antes de que la enfermedad tuviera la oportunidad de hacer demasiado. daño.
Ese es el tipo de ingeniería que Qi y su equipo demostraron en cuatro fases diferentes de experimentación.
Paso uno: probar el concepto
Qi y su equipo habían desarrollado previamente nuevos métodos CRISPR para regular la expresión génica en plantas y editar múltiples genes al mismo tiempo. Pero para desarrollar CRISPR-Combo, tuvieron que establecer que podían realizar ambas funciones de ingeniería genética en paralelo sin consecuencias negativas. En este nuevo artículo, lo demostraron usando células de tomate y arroz.
«Como prueba de concepto, demostramos que podíamos anular el gen A y regular al alza—o activar—el gen B con éxito, sin cruzar accidentalmente y anular el gen B o regular al alza el gen A», dijo Qi.
Luego, Qi y sus colegas probaron CRISPR-Combo en una planta con flores llamada rockcress (ArabidopsisI), que los investigadores suelen utilizar como modelo para cultivos básicos como el maíz y el trigo. Los investigadores editaron un gen que hace que la planta sea más resistente a los herbicidas mientras activan un gen que provoca la floración temprana, lo que produce semillas más rápidamente. El resultado fue una planta de berro de roca resistente a los herbicidas que produjo ocho generaciones en un año en lugar de las cuatro habituales.
Ingeniería más eficiente
Para su tercer experimento, el equipo demostró cómo CRISPR-Combo podría mejorar la eficiencia en el cultivo de plantas utilizando cultivos de tejidos de álamos. Los programas de mejoramiento para desarrollar nuevas variedades de plantas generalmente usan cultivos de tejidos en lugar de semillas; considere cómo una planta puede volver a crecer raíces y hojas a partir de un solo tallo plantado en el suelo. Los científicos modifican genéticamente las células madre que tienen la capacidad de convertirse en plantas completas, y cuando esas plantas maduren y produzcan semillas, las semillas continuarán con las modificaciones genéticas realizadas en las células madre.
Algunas plantas son mejores para regenerarse a partir de cultivos de tejidos que otras, lo que hace de este paso el cuello de botella más grande en la ingeniería genética de cultivos. Para algunas plantas, la tasa de éxito es solo del 1%.
Qi y su equipo abordaron el cuello de botella editando primero algunos rasgos en las células de álamo y luego activando tres genes que promueven la regeneración del tejido vegetal.
«Mostramos en los álamos que nuestro nuevo método podría ofrecer una solución al cuello de botella de la regeneración de tejidos, aumentando drásticamente la eficiencia de la ingeniería genética», dijo Qi.
Atajo sin hormonas
Actualmente, el cultivo de plantas modificadas genéticamente a partir de cultivos de tejidos requiere la adición de hormonas de crecimiento, que activan los genes promotores del crecimiento. El equipo de investigación acorta este proceso en el arroz activando directamente estos genes con CRISPR-Combo. El resultado fue arroz editado genéticamente a partir de cultivos de tejidos que no requerían suplementos hormonales. Qi y sus colegas descubrieron que los cultivos de tejidos cultivados con su método expresaban más del gen editado que el tejido cultivado con hormonas.
«Este método da como resultado un proceso de edición del genoma altamente eficiente», dijo Qi.
Ahora que el equipo ha demostrado que su método CRISPR-Combo funciona en una variedad de plantas para múltiples propósitos, tienen la intención de realizar experimentos en cítricos, zanahorias y papas para probar su viabilidad en una fruta, verdura y cultivo básico. También están trabajando para crear un arroz dorado resistente a los herbicidas con un contenido nutricional mejorado y un arroz rojo con más antioxidantes.
Otros coautores del trabajo de investigación de la UMD incluyen al profesor asociado Gary Coleman, los asociados posdoctorales Changtian Pan y Gen Li, la académica posdoctoral Filiz Gurel, los estudiantes graduados Yanhao Cheng, Aimee A. Malzahn y Simon Sretenovic, aprendiz de laboratorio y alto estudiante de la escuela Benjamin Leyson.
Más información: Changtian Pan et al, Impulsando la edición del genoma de la planta con un sistema CRISPR-Combo versátil, Nature Plants (2022). DOI: /10.1038/s41477-022-01151-9, www.nature.com/articles/s41477-022-01151-9.epdf
