El arroz es un cultivo básico para más de la mitad de la población mundial, pero la mayoría de los agricultores no cultivan variedades de alto rendimiento porque las semillas son demasiado caras.
Por Liana Wait, UC Davis
Investigadores de los campus de Davis y Berkeley de la Universidad de California han identificado una posible solución: activar dos genes en los óvulos de arroz que desencadenan su desarrollo en embriones sin necesidad de fertilización, lo que crearía de manera eficiente cepas clonales de arroz y otros cultivos de alto rendimiento.
Un equipo dirigido por Venkatesan Sundaresan, profesor distinguido de los departamentos de Biología Vegetal y Ciencias Vegetales de la UC Davis, había demostrado anteriormente que un gen llamado BBM1 en las células de óvulos de arroz podía activar la capacidad de un óvulo fertilizado para formar un embrión. Sin embargo, el método sólo funcionó alrededor del 30% de las veces.
Ahora, en colaboración con investigadores del Instituto de Genómica Innovadora de la Universidad de California en Berkeley, el equipo ha demostrado que la activación simultánea de un segundo gen, WOX9A, aumenta la tasa de éxito a alrededor del 90%. El hallazgo se publica en Nature Plants .
«Es notable que después de 20 años de esfuerzos infructuosos en el campo de los híbridos clonales, haya habido tantos avances recientes, desde demostrar que realmente es posible en 2019 hasta demostrar ahora que puede funcionar de manera eficiente en 2024», dijo Sundaresan. «Soy muy optimista ahora que los híbridos ya no serán la barrera para lograr una agricultura sostenible con altos rendimientos en todo el mundo».
Una forma rentable de alimentar al mundo
Las cepas híbridas de arroz, que se obtienen cruzando dos cepas puras, pueden producir casi el doble de la cosecha, pero su producción es costosa y obliga a los agricultores a comprar nuevas semillas cada año. Si las plantas híbridas pudieran reproducirse asexualmente, los agricultores podrían guardar semillas de un año para otro. Cómo diseñar un arroz que se reproduzca asexualmente ha sido un enigma que los científicos han estado tratando de resolver durante más de 30 años.
El equipo de Sundaresan demostró previamente que BBM1 es un desencadenante esencial para el desarrollo del embrión de las plantas y que la activación de este gen en los óvulos puede anular la necesidad de fertilización.
«La activación artificial de BBM1 en el óvulo es suficiente para iniciar la embriogénesis y crear una nueva planta, pero este proceso sólo funcionó alrededor de un tercio de las veces», dijo Sundaresan. «Una de las cosas que nos preguntamos fue si tal vez BBM1 no es suficiente; tal vez necesita ayuda».
Al examinar qué genes se activan en los óvulos fertilizados de plantas, los investigadores identificaron un gen, WOX9A, para el cual solo se expresa la copia del gen que lleva el esperma. Cuando activaron simultáneamente BBM1 y WOX9A en óvulos de arroz, se produjo la formación del embrión el 90% de las veces, aunque la activación de WOX9A por sí sola no dio como resultado la iniciación del embrión.
«Creemos que BBM1 activa un interruptor que prepara al óvulo para la transición a embrión, pero el interruptor no es fijo», dijo Sundaresan. «Entonces, WOX9A entra y bloquea el interruptor para que no vuelva a activarse».
Vigor híbrido sin necesidad de híbridos
Como proceden de óvulos no fecundados, las plantas producidas mediante este método son haploides, es decir, contienen la mitad de la cantidad habitual de cromosomas. Aunque las plantas de arroz haploides germinan y crecen, tienden a ser más atrofiadas en comparación con las plantas diploides, que tienen dos copias de cada gen.
«Los haploides son herramientas valiosas en el mejoramiento de plantas para producir líneas puras, que permiten una producción uniforme de cultivos», dijo el autor correspondiente Imtiyaz Khanday, profesor adjunto en el Departamento de Ciencias Vegetales en la Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales de la UC Davis. «Estos hallazgos también tienen implicaciones significativas para producir semillas clonales en altas frecuencias que conserven los beneficios del vigor híbrido».
El siguiente paso, según los investigadores, es combinar este método de activación de BBM1 y WOX9A con «apomixis sintética», una técnica que desarrollaron previamente para producir semillas clonales de forma asexual. Esto significará que los agricultores podrán cosechar los beneficios del vigor híbrido año tras año simplemente guardando parte de la cosecha para plantarla el año siguiente.
«Si combinamos este truco de hacer que un óvulo se convierta en un embrión sin fertilización, junto con otra técnica que anule la meiosis, podemos producir semillas híbridas de alto rendimiento de manera eficiente», dijo Sundaresan. «En un mundo donde los recursos son cada vez más limitados, esto ofrece un camino hacia la agricultura sostenible para los productores de arroz y, en el futuro, también para otros cultivos».
Los autores adicionales del estudio son: Hui Ren y Kyle Shankle, UC Davis y Myeong-Je Cho y Michelle Tjahjadi, UC Berkeley.
Más información: Hui Ren et al, Inducción sinérgica de embriogénesis independiente de la fertilización en óvulos de arroz mediante factores de transcripción expresados en el genoma paterno, Nature Plants (2024). DOI: 10.1038/s41477-024-01848-z
