La ingeniería genética en plantas destaca los elementos reguladores específicos de las plantas La ingeniería genética en plantas destaca los elementos reguladores específicos de las plantas

A medida que la población humana continúa aumentando, también aumenta la necesidad de un crecimiento eficiente de los cultivos. Si bien se han logrado grandes avances en genética y modificación de plantas, todavía queda mucho por aprender para comprender cómo se regulan los rasgos de los cultivos, como el crecimiento de los frutos, entre especies de plantas.

Un equipo de investigación en Laboratorio de Cold Spring Harbordirigido por Zachary Lippmann, PhD, identificó sistemas reguladores divergentes para el mismo gen, CLAVATA3 (CLV3). Este gen, que se ha conservado durante más de 125 millones de años, se controla de forma diferente en los tomates y en Arabidopsis.

Este trabajo está publicado en el periódico “Reestructuración extrema de regiones reguladoras cis que controlan un regulador de células madre vegetales profundamente conservado” en PLOS Genética.

“Una paradoja sorprendente es que los genes con secuencia de proteínas, función y patrón de expresión conservados a lo largo del tiempo a menudo exhiben secuencias reguladoras cis extremadamente divergentes. Aún no está claro cómo una evolución reguladora cis tan drástica entre especies permite la preservación de la función genética, y en qué medida estas diferencias influyen en cómo la variación reguladora cis que surge dentro de las especies impacta el cambio fenotípico”, escriben los científicos.

“Aquí investigamos estas cuestiones utilizando un regulador de células madre vegetales conservado en patrón de expresión y función durante aproximadamente 125 millones de años. Usando la edición del genoma in vivo en dos modelos lejanamente relacionados, Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) y tomate solana (tomate), generamos más de 70 alelos de deleción en las regiones ascendentes y descendentes del gen represor de células madre CLAVATA3 (CLV3) y comparamos sus efectos individuales y combinados en un fenotipo compartido, la cantidad de carpelos que producen frutos.

“Descubrimos que las secuencias aguas arriba del CLV3 del tomate son muy sensibles incluso a pequeñas perturbaciones en comparación con su región aguas abajo. Por el contrario, la función CLV3 de Arabidopsis es tolerante a alteraciones graves tanto aguas arriba como aguas abajo de la secuencia codificante. La combinación de eliminaciones ascendentes y descendentes también reveló un resultado regulatorio diferente. Mientras que la mejora fenotípica al agregar mutaciones posteriores fue predominantemente débil y aditiva en el tomate, la mutación de ambas regiones de Arabidopsis CLV3 causó efectos sustanciales y sinérgicos, lo que demuestra una distribución distinta y redundancia de secuencias reguladoras cis funcionales.

“Nuestros resultados demuestran una notable maleabilidad en la organización estructural reguladora en cis de un regulador de células madre vegetales profundamente conservado y sugieren que una reconfiguración importante del espacio de secuencia reguladora en cis es una fuerza evolutiva común pero críptica que altera las relaciones genotipo a fenotipo a partir de la variación regulatoria en organismos conservados. genes. Finalmente, nuestros hallazgos subrayan la necesidad de una disección específica del linaje de la arquitectura espacial de la regulación cis para diseñar de manera efectiva la variación de rasgos a partir de genes de productividad conservados en los cultivos”, escribieron los científicos.

Creando mutantes para estudiar la función genética

Utilizando la edición del genoma de ambas especies, los investigadores crearon más de 70 plantas mutantes. Exploraron las regiones reguladoras aguas arriba y aguas abajo de CLV3 para determinar los efectos de estas regiones en la expresión de este gen altamente conservado. “CLV3 ayuda a que las plantas se desarrollen normalmente. Si no estuviera encendido en el momento exacto en que lo está, las plantas se verían muy diferentes. Todos los frutos serían descomunales y no ideales”, dijo Danielle Ciren, PhD, autora principal del estudio y recién graduada de doctorado.

Las mutaciones en el gen CLV3 pueden aumentar drásticamente el tamaño del fruto, como se observa en los tomates (fila superior) y Arabidopsis thaliana (fila inferior).

En los tomates, las modificaciones a las regiones reguladoras al comienzo de CLV3 tuvieron un impacto masivo en el tamaño de la fruta, mientras que Arabidopsis creció solo cuando se alteraron los objetivos tanto ascendentes como descendentes. Esto sugiere que en el momento de la divergencia evolutiva de estas plantas, hace unos 125 millones de años, hubo alguna fuerza que impulsó estos cambios regulatorios.

“No se puede volver al ancestro común porque ya no existe. Por eso es difícil decir cuál era el estado original y cómo se mezclaron las cosas”, dijo Ciren. “La explicación más simple es que hay un elemento regulatorio que se conserva de alguna manera y se ha alterado de manera sutil. Es un poco inesperado”.

En relación con el crecimiento de los cultivos, no existe una respuesta sencilla para simplemente activar o desactivar un gen. El tiempo lo es todo y la consideración del tamaño de la fruta y el rendimiento esperado es importante para la sostenibilidad del crecimiento de los cultivos. “Hay que equilibrar el crecimiento y el rendimiento. Si una planta tiene tomates gigantes pero sólo dos, ¿es eso tan beneficioso como un menor rendimiento? No existe una solución sencilla. Siempre estás sacrificando algo cuando intentas mejorar algo”, concluyó Ciren.

2024-03-05 01:48:58
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