Los investigadores se están acercando al objetivo largamente buscado de crear cultivos híbridos de alto rendimiento que puedan propagarse indefinidamente, sin sexo

Erik Stokstad

A principios del verano, polinizadores inusuales se precipitan sobre los campos de arroz en Texas y Arkansas. Helicópteros pequeños y ágiles vuelan bajo y de manera constante para que sus rotores expulsen el polen de una hilera de plantas a otra. Los vuelos ayudan a RiceTec, una empresa de fitomejoramiento, a producir semillas para variedades robustas y de alto rendimiento de arroz que se cultivan en el sur de los Estados Unidos. Es una forma costosa y complicada de crear semillas.

Pero el esfuerzo vale la pena porque las semillas brotan en plantas con una misteriosa robustez y resistencia. El fenómeno, llamado vigor híbrido, proviene del cruce de dos cepas de padres endogámicos. No está claro por qué los híbridos son superiores a las plantas normales, pero una hipótesis de larga data es que las versiones favorables de los genes de un padre dominan los genes recesivos de bajo rendimiento del otro.



El desarrollo de variedades híbridas ha aumentado el rendimiento del maíz, el sorgo y otros cultivos hasta en un 50 % y ha resultado en otras características valiosas, como una mejor tolerancia a la sequía. Pero el método solo es factible en algunas especies; no hay una forma práctica de producir trigo o soja híbridos, por ejemplo. Y cuando funciona, requiere mucha mano de obra.

En el caso del arroz, las empresas de semillas primero deben desarrollar una variedad de plantas que no puedan autopolinizarse. Luego vienen los helicópteros, que barren el polen de una segunda cepa. El proceso debe repetirse para cada nuevo lote de semillas para evitar la reorganización de genes y la pérdida de rasgos favorables que ocurre durante la reproducción sexual ordinaria. “Es un sistema muy imperfecto”, dice José Ré, vicepresidente de investigación de RiceTec.

Los fitomejoradores han soñado durante mucho tiempo con una forma más fácil y poderosa de crear semillas híbridas. En la naturaleza, algunas especies de plantas se reproducen clonalmente: los huevos dentro de sus flores se convierten en embriones sin polinización, parte de un proceso llamado apomixis, «lejos de mezclarse» en griego. Si los investigadores pudieran modificar genéticamente los cultivos para que se reproduzcan a través de la apomixis, el proceso de creación de la primera generación híbrida aún podría ser laborioso. Pero entonces las compañías de semillas podrían propagar descendientes híbridos mucho más fácilmente.

Durante décadas, los científicos tuvieron un éxito limitado. Pero los avances recientes han acercado el concepto a la realidad. En 2019, un equipo internacional informó que había diseñado con éxito una línea de plantas de arroz que podían reproducirse clonalmente, la primera instancia de apomixis sintética en un cultivo. Grupos de todo el mundo están trabajando para desarrollar variedades apomícticas de sorgo, tomates, alfalfa y otros cultivos. Hay una «sensación de emoción» palpable en el campo, dice Mary Gehring, bióloga molecular del Instituto Whitehead y el Instituto de Tecnología de Massachusetts que estudia el desarrollo en plantas apomícticas.

La tecnología no estará lista para ser comercializada durante años. “Todavía hay muchas cosas que no entendemos sobre cómo hacer que sea eficiente para la agricultura”, dice Peggy Ozias-Akins, genetista de la Universidad de Georgia. Pero las empresas de semillas están prestando atención. La reproducción apomíctica simplificaría la forma en que producen semillas híbridas, aceleraría el lanzamiento de nuevas variedades y reduciría los costos. La tecnología también podría beneficiar a los pequeños agricultores en los países más pobres que podrían no tener acceso regular a las semillas híbridas comerciales, porque podrían guardar las semillas producidas por la cosecha del año anterior. “Realmente sería un gran cambio de juego”, dice Adam Famoso, un mejorador de arroz de la Universidad Estatal de Luisiana.

El descubrimiento del nacimiento virginal en las plantas se atribuye ampliamente a John Smith, un botánico del siglo XIX que se desempeñó como curador inaugural en los Jardines Botánicos Reales de Londres. Durante una década, había visto cómo tres plantas de acebo de Australia daban frutos sin haber producido nunca una flor macho ni nada que se pareciera al polen, el vehículo del esperma de la planta. En 1839, Smith informó a la Sociedad Linneana de Londres que podía cultivar nuevas plantas a partir de las semillas de los acebos. Fue una afirmación incendiaria que fue recibida con «incredulidad», según Thomas Meehan, un botánico que escribió décadas después.

En 1898, sin embargo, el botánico sueco Oscar Juel demostró, con microscopía convincente, que los óvulos de una planta llamada pie de gato alpino podían convertirse en embriones en ausencia de polen. Otros investigadores echaron un vistazo más de cerca a sus propias especies favoritas. A medida que se acumulaba evidencia, más y más botánicos comenzaron a tomar el fenómeno en serio. En la actualidad, se ha confirmado la reproducción apomíctica en más de 400 especies de plantas, pero no en cultivos básicos.

A fines de la década de 1990, cuando las herramientas genéticas estuvieron más disponibles, los expertos se mostraron optimistas de que podrían identificar los genes detrás de la apomixis y desplegarlos en los cultivos, creando clones que pasarían por alto la recombinación genética que ocurre durante el sexo de las plantas, lo que elimina las combinaciones de genes favorables.

Parte de la dificultad surge de la complejidad del proceso reproductivo que los investigadores están tratando de modificar. Durante la reproducción sexual, los gametos (óvulos y espermatozoides) se crean a través de la meiosis, un proceso que da como resultado células haploides, con la mitad del número de cromosomas. Para formar embriones con un complemento completo de cromosomas, los óvulos y los espermatozoides deben unirse. En cambio, muchas plantas apomícticas naturales crean gametos a través de la mitosis, sin cambios en el recuento de cromosomas. Los óvulos pueden luego convertirse en un embrión sin ser fertilizados, en un proceso conocido como partenogénesis.

Ha llevado décadas identificar algunos de los genes involucrados y descubrir cómo manipularlos. En 2009, un grupo de científicos dirigido por Raphaël Mercier, un genetista ahora en el Instituto Max Planck para la Investigación de Fitomejoramiento, demostró que si eliminaban tres genes involucrados en la meiosis en la planta modelo Arabidopsis, produciría gametos a través de la mitosis, preservando su conjunto completo de cromosomas. Llamaron al trío de mutaciones MiMe, abreviatura de «mitosis en lugar de meiosis». En 2016, replicaron la hazaña en el arroz, demostrando que las mutaciones de MiMe crearían huevos diploides genéticamente idénticos a la planta madre.

Mientras tanto, otros grupos estaban descubriendo cómo convencer a los óvulos para que se convirtieran en embriones sin ser fertilizados. En 2002, la genetista Kim Boutilier, ahora en la Universidad de Wageningen, hizo lo que resultó ser un descubrimiento clave cuando ella y sus colegas identificaron un gene llamado BABY BOOM en la colza. El gene, descubrió el equipo, desencadenó el crecimiento de embriones a partir de brotes y hojas cuando se activó en Arabidopsis.

Desde entonces, se han encontrado genes similares a los del BABY BOOM en muchas plantas. En 2015, Ozias-Akins y sus colegas identificaron la función de uno de ellos en una apomíctica natural, la hierba Pennisetum squamulatum. Cuando transfirieron este gene a una hierba estrechamente relacionada que se reproduce sexualmente, así como al arroz y al maíz, indujo la partenogénesis, lo que resultó en embriones haploides que eran viables.

Se preparó el escenario para el siguiente paso del proceso de ingeniería: eliminar el trío de genes de meiosis y activar el gene crítico BABY BOOM dentro de una sola planta.

Los científicos no querían simplemente transferir el gene clave que activa el embrión de una hierba a un arroz que contiene mutaciones de MiMe. Aunque tal paso es técnicamente posible, tiene un inconveniente regulatorio: los cultivos que se crean mediante la transferencia de un gene entre especies requieren una larga evaluación regulatoria antes de que puedan salir al mercado. Entonces, los científicos buscaron en su lugar el propio genoma del arroz.

Un logro histórico provino de alguien que no se propuso estudiar la apomixis. Venkatesan Sundaresan, biólogo del desarrollo de la Universidad de California (UC), Davis, había estado investigando los genes expresados ​​en el arroz cuando los óvulos y los espermatozoides se fusionan y se desarrollan en embriones. Él y sus colegas notaron que la versión de arroz de BABY BOOM normalmente se expresa en los espermatozoides de una planta, pero no en los óvulos, y que permanece activo en el embrión después de la fertilización. Si pudieran activar BABY BOOM también en los óvulos, podría hacer innecesaria la polinización, razonaron.

Para probar si eso funcionaría, el miembro del equipo de UC Davis, Imtiyaz Khanday, aisló el BABY BOOM del arroz y agregó un promotor que activa el gene específicamente en el huevo. El siguiente paso fue devolver el gene a las plantas. Khanday insertó este paquete de DNA en el genoma de una bacteria que infecta plantas, un vehículo estándar para modificar plantas genéticamente. Agregada a una placa de Petri de células de arroz, la bacteria modificada insertó su propio DNA, incluido el gene agregado, en el DNA del cultivo. Las células formaron un tejido similar a un tumor conocido como callo que luego podría ser persuadido para convertirse en una plántula.

Las plantas resultantes, que también se modificaron mediante la edición de genes CRISPR para tener las mutaciones MiMe, se sometieron a partenogénesis y produjeron semillas clonales. Esas semillas germinaron y las plántulas eran genéticamente idénticas a la planta madre, informó el equipo en 2019 en Nature.

Fue un logro revolucionario, pero las plantas no eran perfectas: solo alrededor del 30 % de sus semillas eran clonales. (El resto había sido fertilizado con polen producido por las plantas modificadas genéticamente y no era viable). Así que el equipo continuó jugando con sus métodos. En un artículo de seguimiento publicado en Nature Communications en diciembre de 2022, los investigadores informaron que después de usar una variedad diferente de arroz, un híbrido comercial, y agregar las mutaciones MiMe y el promotor BABY BOOM en el mismo paso, terminaron con plantas que produjo más del 95% de semillas clonales. Es un «trabajo absolutamente fantástico», dice Jongedijk.

El grupo ahora está buscando financiamiento para probar su arroz clonal en ensayos de campo, dice el coautor Emmanuel Guiderdoni, genetista de arroz del Centro Francés de Investigación Agrícola para el Desarrollo Internacional. Los investigadores quieren ver cómo les va a sus plantas clonales en condiciones más duras que las que experimentaron en el invernadero.

La investigación sobre otros cultivos también se está acelerando. Anna Koltunow, de la Universidad de Queensland, está desarrollando variedades apomícticas de sorgo y caupí, cultivos importantes para los agricultores del África subsahariana. En octubre de 2022, ella y su equipo comenzaron pruebas de campo en Australia con sorgo híbrido modificado genéticamente para ser partenogénico y producir embriones haploides; planean agregar mutaciones MiMe a las cepas en el futuro. Al menos 10 grupos en China también están trabajando en variedades apomícticas de repollo, tomate, alfalfa y otros cultivos de hortalizas y forrajes, dice Kejian Wang, genetista del Instituto Nacional de Investigación del Arroz de China que está desarrollando una cepa apomíctica de arroz híbrido.

Un desafío para quienes investigan las dicotiledóneas, el gran grupo de plantas con flores que incluye frijoles y cultivos de hortalizas, ha sido que el BABY BOOM no parece funcionar en ellas cuando se expresa en óvulos. “Nos hemos esforzado mucho y nada funcionó”, dice Grossniklaus. Pero ahora tienen otra opción. En enero de 2022, un grupo dirigido por el genetista de plantas Peter van Dijk de KeyGene, una empresa de fitomejoramiento, informó en Nature Genetics el descubrimiento de PAR, un gene en el diente de león, una dicotiledónea apomíctica natural, que parece tener una función similar a la del BABY BOOM. Cuando su equipo encendió PAR en lechuga, se formaron embriones rudimentarios sin fertilización. La búsqueda de ese gene tomó más de 15 años. “Es una historia hermosa, pero también demuestra cuánto trabajo y esfuerzo fue necesario”, dice Tim Sharbel, biólogo evolutivo de la Universidad de Saskatchewan.

Jongedijk espera que se necesiten otros 5 a 10 años de investigación antes de que la apomixis sintética pueda implementarse comercialmente en cualquier cultivo. Para que una variedad híbrida apomíctica atraiga a los agricultores, el 100% de las semillas deben ser clonales porque no querrán las semillas menos vigorosas que se producen a través de la reproducción sexual normal. Y al igual que con todas las nuevas variedades de cultivos, los científicos deberán realizar extensas pruebas de campo para determinar cómo las variedades híbridas responden a la sequía y otros factores estresantes.

Seguir jugando con los genes que controlan el desarrollo de las semillas podría conducir a un progreso aún mayor. Como la mayoría de las plantas, el arroz apomíctico que ahora se encuentra en desarrollo todavía necesita polen para fertilizar su endospermo, el tejido de la semilla que proporciona sustento al embrión en desarrollo. Para esas cepas, así como para las variedades comerciales que se reproducen sexualmente, ese paso es vulnerable al cambio climático, porque el polen puede volverse menos viable cuando se expone a altas temperaturas. El equipo de Gehring recibió fondos recientemente para tratar de diseñar plantas que desarrollen endospermo sin ser fertilizadas, una hazaña de la que son capaces algunas plantas apomícticas naturales. Si el equipo tiene éxito, las futuras variedades de cultivos apomícticos no dependerán en absoluto del polen, lo que les permitirá producir abundantes semillas incluso durante las olas de calor.

A medida que avanza la investigación sobre la apomixis, algunos criadores advierten que incluso cuando se perfeccionen, estos cultivos podrían no tener éxito en el mercado. Famoso señala que algunos países, especialmente en Asia, que se han resistido a los alimentos modificados genéticamente pueden no querer importar arroz apomíctico. Pero Jauhar Ali, director del programa de arroz híbrido del Instituto Internacional de Investigación del Arroz, es más optimista. “La edición de genes se está aceptando lentamente y muchos gobiernos están comprendiendo la importancia de esta herramienta para brindar beneficios a la agricultura”, dice.

“Hay muchas promesas para esta tecnología y, con suerte, algún día podrá llegar al campo de un agricultor”, dice Famoso. Por ahora, sin embargo, los helicópteros seguirán volando.

Ingeniería de vigor perpetuo

El arroz híbrido es apreciado por los agricultores porque es robusto y de alto rendimiento. Los criadores la producen creando cepas de progenitores altamente endogámicos y cruzándolos. Pero solo los cruces de primera generación (F1) tienen la genética preciada; la reproducción sexual baraja los rasgos favorables y hace que las semillas de las generaciones posteriores sean menos valiosas (abajo, izquierda). Para sortear ese problema, los científicos han diseñado genéticamente una variedad de arroz que se reproduce clonalmente, a través de un proceso llamado apomixis (abajo, derecha).

Reproducción sexual

En las plantas sexuales, los óvulos y el polen se crean a través de la meiosis, un tipo de división celular que reduce a la mitad el número de cromosomas y crea nuevas combinaciones de genes a través de la recombinación. El esperma y el óvulo se combinan para producir un embrión que tiene el complemento completo de cromosomas.

Apomixis sintética La adición de mutaciones MiMe permite que la planta cree un óvulo a través de la mitosis, dándole la misma cantidad de cromosomas que su madre. La inserción de un promotor activa un gen llamado BABY BOOM en los óvulos, lo que desencadena el desarrollo del embrión sin fertilización.

 

Editado y traducido por Ronald Palacios Castrillo.