El arroz biotecnológico sobrealimentado produce un 40% más de grano Científicos chinos han descubierto un gen que aumentará el rendimiento del grano. Se encontró que el gen OsDREB1C aumenta la productividad. El ajuste genético también puede aumentar la fotosíntesis y la absorción de fertilizantes en el trigo y otros cultivos.
Obtener aún más granos de arroz de alto rendimiento, como esta planta en China, será importante para la seguridad alimentaria mundial. Al dar a una variedad de arroz chino una segunda copia de uno de sus propios genes, los investigadores han aumentado su rendimiento hasta en un 40%. El cambio ayuda a la planta a absorber más fertilizante, aumenta la fotosíntesis y acelera la floración, todo lo cual podría contribuir a cosechas más grandes, informa el grupo hoy en Science.
La ganancia de rendimiento de un solo gen que coordina estos múltiples efectos es "realmente impresionante", dice Matthew Paul, un genetista de plantas de Rothamsted Research que no participó en el trabajo. "No creo que haya visto nada así antes". El enfoque también podría probarse en otros cultivos, agrega; el nuevo estudio informa sobre los resultados preliminares en el trigo.
El rendimiento de un cultivo es diabólicamente complejo porque muchos genes interactúan para influir en la productividad de la planta. Durante años, los biotecnólogos han buscado genes individuales que aumenten el rendimiento, sin mucha suerte. En los últimos años han cambiado su interés por los genes que controlan otros genes y, por lo tanto, múltiples aspectos de la fisiología, como la absorción de nutrientes del suelo, el establecimiento del ritmo de la fotosíntesis y la dirección de los recursos de las hojas a las semillas. La modificación de uno de estos genes reguladores en el maíz da un rendimiento un 10% más alto, una ganancia importante en comparación con el aumento del 1% por año logrado por el Fito mejoramiento tradicional.
Para encontrar otros potenciadores de rendimiento candidatos, un equipo dirigido por el biólogo de plantas Wenbin Zhou de la Academia China de Ciencias Agrícolas (CAAS) peinó 118 genes reguladores del arroz y el maíz, que codifican proteínas llamadas factores de transcripción, que otros investigadores habían identificado previamente como probablemente importantes en la fotosíntesis. El equipo de Zhou buscó averiguar si alguno de los genes se activaba en el arroz cultivado en suelos bajos en nitrógeno, porque tales genes podrían aumentar la absorción del nutriente. Aumentar su actividad en el arroz cultivado en suelo regular podría empujar a la planta a atraer aún más nitrógeno y producir más grano. El equipo encontró 13 genes que se activaron cuando las plantas de arroz se cultivaron en suelos pobres en nitrógeno; cinco condujeron a un aumento de cuatro veces o más en la absorción de nitrógeno. Insertaron una copia adicional de uno de los genes, conocido como OsDREB1C, en una variedad de arroz llamada Nipponbare que se utiliza para la investigación. También eliminaron el gen en otras plantas de arroz individuales. Los experimentos de invernadero realizados por Shaobo Wei y Xia Li de CAAS mostraron que las plantas sin el gen crecieron menos bien que las plantas de control, mientras que aquellas con copias adicionales de OsDREB1C crecieron más rápido como plántulas y tenían raíces más largas. Una buena nutrición fue una de las razones: los trazadores isotópicos revelaron que las plantas con copias adicionales de OsDREB1C absorbieron nitrógeno adicional a través de sus raíces y movieron más de él a los brotes. Las plantas modificadas también estaban mejor equipadas para la fotosíntesis; tenían alrededor de un tercio más de cloroplastos, los orgánulos fotosintéticos dentro de las células vegetales, en sus hojas y aproximadamente un 38% más de RuBisCO, una enzima clave en la fotosíntesis. Plantado en el campo durante 2 a 3 años, el arroz mejorado dio mayores rendimientos en tres sitios en China con climas que van desde templados hasta tropicales.
Es importante destacar que los investigadores también transformaron una variedad de arroz de alto rendimiento a menudo plantada por los agricultores al agregar una copia adicional del gen. Estas plantas de arroz modernas modificadas produjeron hasta un 40% más de grano por parcela que los controles, informan los investigadores. "Ese es un gran número", dice Pam Ronald, genetista de arroz en la Universidad de California, Davis. "Increíble". Al igual que en los experimentos de invernadero, las plantas modificadas en el campo contaban con granos más grandes y más de ellos.
"Lo que han hecho es tomar una muy buena variedad de arroz y demostrar que pueden mejorarla", dice Steve Long, fisiólogo de plantas de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, quien agrega que el resultado es "mucho más convincente" que mejorar una variedad de investigación. Las plantas modificadas también florecieron antes, lo que les dio más tiempo para dedicarse a hacer grano. Una floración más rápida puede ofrecer otras ventajas, dependiendo del entorno, por ejemplo, permitiendo a los agricultores cultivar más cultivos por temporada o cosechar cultivos antes de que se produzca el calor dañino del verano. Sin embargo, aunque el Nipponbare modificado floreció hasta 19 días antes, la variedad de arroz ampliamente cultivada floreció solo 2 días antes. Para demostrar un potencial más amplio, el equipo agregó el gen OsDREB1C del arroz a una variedad de trigo de investigación y encontró los mismos tipos de efectos. OsDREB1C y genes similares están presentes no solo en el arroz, el trigo y otras gramíneas, sino también en las plantas de hoja ancha. Los investigadores descubrieron resultados comparables al agregar una copia adicional a la planta de mostaza bien estudiada llamada Arabidopsis. Eso es consistente con un papel común en todo el reino vegetal, lo que sugiere que otros tipos de cultivos podrían ser susceptibles de producir aumentos de esta modificación. Los cultivos transgénicos como el arroz que hizo el equipo de Zhou son inaceptables para algunos consumidores. Pero Zhou y sus colegas dicen que el mismo aumento de rendimiento podría lograrse editando los propios genes de la planta, que en algunos países ahora está más ligeramente regulado que la ingeniería transgénica.
Otro beneficio es que el aumento de la eficiencia del nitrógeno de los cultivos podría disminuir la contaminación de arroyos y lagos por el exceso de fertilizantes que se escurre de los campos, dice Ronald. Y la mejora de la fotosíntesis será vital para aumentar los suministros mundiales de alimentos, señala Steven Kelly de la Universidad de Oxford en un comentario. "Puedes obtener grandes saltos si tienes el factor de transcripción correcto", dice Long. "Estoy seguro de que habrá más".
Desarrollo del estudio Introducción El rápido crecimiento de la población, el aumento del consumo de carne y el creciente uso de cultivos para fines alimentarios y no alimentarios aumentan la presión sobre la producción mundial de alimentos. Al mismo tiempo, el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados para mejorar la producción agrícola plantea graves amenazas tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Para lograr los aumentos de rendimiento requeridos y hacer que la agricultura sea más sostenible, se necesitan esfuerzos intensificados de mejoramiento e ingeniería genética para obtener nuevas variedades de cultivos con mayor capacidad fotosintética y una mejor eficiencia en el uso del nitrógeno (NUE). Sin embargo, el progreso ha sido lento, en gran parte debido al conocimiento limitado sobre los genes reguladores que potencialmente pueden optimizar coordinadamente la asimilación de carbono y la utilización de nitrógeno. Factores Los factores de transcripción controlan diversos procesos biológicos al unirse a los promotores (o regiones intragénicas) de los genes objetivo, y se han identificado una serie de factores de transcripción que controlan la fijación de carbono y la asimilación de nitrógeno. Un análisis comparativo previo de los transcriptomas y metabolomas de la hoja de maíz y arroz reveló un conjunto de 118 factores de transcripción candidatos que pueden actuar como reguladores de la fotosíntesis C4. Examinamos estos factores de transcripción para determinar su capacidad de respuesta al suministro de luz y nitrógeno en el arroz, y encontramos que el gen Proteína de unión a elementos sensible a la deshidratación 1C (OsDREB1C), un miembro de la familia APETALA2 / factor de unión al elemento sensible al etileno (AP2 / ERF), exhibe propiedades esperadas de un regulador que puede modular simultáneamente la fotosíntesis y la utilización de nitrógeno. Resultados La expresión de OsDREB1C es inducida en el arroz tanto por el estado ligero como por el bajo contenido de nitrógeno. Generamos líneas de sobreexpresión (OsDREB1C-OE) y mutantes knockout (OsDREB1C-KO) en arroz, y realizamos ensayos de campo en el norte, sureste y sur de China de 2018 a 2021. Las plantas OsDREB1COE exhibieron un rendimiento de 41.3 a 68.3% más alto que las plantas de tipo silvestre (WT) debido al mayor número de granos por panícula, el peso elevado del grano y el índice de cosecha mejorado. Observamos que la promoción del crecimiento inducida por la luz de las plantas OsDREB1C-OE se acompañó de una mayor capacidad fotosintética y aumentos concomitantes en los asimilados fotosintéticos. Además, los experimentos de alimentación 15N y los estudios de campo con diferentes regímenes de fertilización nitrogenada revelaron que NUE mejoró en las plantas OsDREB1C-OE debido a la elevada absorción y actividad de transporte de nitrógeno. Además, la sobreexpresión de OsDREB1C condujo a una asignación más eficiente de carbono y nitrógeno de la fuente al sumidero, lo que aumentó el rendimiento del grano, particularmente bajo condiciones de bajo contenido de nitrógeno. OsDREB1C se localiza en el núcleo y el citosol y funciona como un activador transcripcional que se une directamente a los elementos cis en el ADN, incluidos los elementos sensibles a la deshidratación (DRE) / repetición C (CRT), GCC y cajas G. La secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina (ChIP-seq) y los análisis transcriptómicos identificaron un total de 9735 sitios putativos de unión a OsDREB1C a nivel de todo el genoma. Descubrimos que cinco genes dirigidos por OsDREB1C ribulosa-l,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa pequeña subunidad 3 (OsRBCS3), nitrato reductasa 2 (OsNR2), transportador de nitrato 2.4 (OsNRT2.4), nitrato transportador 1.1B (OsNRT1.1B) y el locus de floración T-like 1 (OsFTL1), están estrechamente asociados con la fotosíntesis, la utilización de nitrógeno y la floración, los rasgos clave alterados por la sobreexpresión de OsDREB1C.
Los ensayos de reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa ChIP (ChIP-qPCR) y secuenciación de purificación de afinidad de ADN (DAP-seq) confirmaron que OsDREB1C activa la transcripción de estos genes al unirse al promotor de OsRBCS3 y a los exones de OsNR2, OsNRT2.4, OsNRT1.1B y OsFTL1. Al demostrar que los aumentos de biomasa y rendimiento también se pueden lograr mediante la sobreexpresión de OsDREB1C en trigo y Arabidopsis, hemos demostrado que el modo de acción y la función biológica del factor de transcripción se conservan evolutivamente. Conclusión La sobreexpresión de OsDREB1C no solo aumenta los rendimientos de grano, sino que también confiere una mayor NUE y floración temprana. Nuestro trabajo demuestra que al modular genéticamente la expresión de un solo gen regulador transcripcional, se pueden lograr aumentos sustanciales en el rendimiento mientras se acorta la duración del crecimiento del cultivo. La variación alélica natural existente en OsDREB1C, la función altamente conservada del factor de transcripción en las plantas de semillas y la facilidad con la que su expresión puede ser alterada por la ingeniería genética sugieren que este gen podría ser el objetivo de futuras estrategias de mejora de cultivos hacia una producción de alimentos más eficiente y sostenible. Factores de transcripción relacionados con la fotosíntesis C4
Ligero
Aumento del rendimiento del arroz
Aumento del rendimiento del trigo
Floración temprana
Nitrógeno bajo
Mejorada
Fotosíntesis
Mayor eficiencia en el uso de nitrógeno Carbón asimilado por la fotosíntesis Absorción de nitrógeno por la raíz
OsDREB1C coordina el rendimiento y la duración del crecimiento. OsDREB1C se identificó por su capacidad de respuesta a la luz y bajo contenido de nitrógeno en una pantalla de 118 factores de transcripción relacionados con la fotosíntesis C4. La activación transcripcional de múltiples genes diana aguas abajo por OsDREB1C confiere una mejor fotosíntesis, una mejor utilización del nitrógeno y una floración temprana. Juntos, los genes activados causan aumentos sustanciales en el rendimiento del arroz y el trigo. Martin Eduardo Lucione https://facebook.com/Ecoalfabetizacion https://issuu.com/martinlucione Extraido Science Plants & animals ERIK STOKSTAD
