Investigadores de KeyGene y Wageningen University & Research, en colaboración con colegas de Japón y Nueva Zelanda, han descubierto un gen que asegura que los embriones puedan desarrollarse en el ovario de las plantas sin que las flores sean polinizadas, según indican desde la neerlandesa Universidad de Wageningen

La invención permite en el futuro producir semillas para todo tipo de cultivos que sean genéticamente idénticas a la planta madre, fenómeno denominado apomixis.

El hallazgo fue publicado en la revista científica Nature Genetics por investigadores de la empresa de investigación holandesa KeyGene y Wageningen University & Research, junto con investigadores de la empresa de cría japonesa Takii y la Universidad de Lincoln de Nueva Zelanda.

En la publicación, los investigadores muestran cómo funciona el gen encontrado y que el gen también ha influido en la investigación de Gregor Mendel, el 'padre' de la genética. Los investigadores esperan que este hallazgo pueda conducir a importantes innovaciones en el fitomejoramiento en los próximos años.

Al gen encontrado se le ha dado el nombre de PAR, después del proceso de partenogénesis controlado por el gen, en el que los óvulos pueden crecer espontáneamente hasta convertirse en embriones vegetales, sin que se produzca la polinización. Para los investigadores, el descubrimiento del gen representa el avance más importante y corona el trabajo de investigación que comenzó hace más de 15 años en KeyGene.

Innovación en agricultura

Semilla en reposo en un saco embrionario en diente de león sexual, esperando la fertilización

Semilla en reposo en un saco embrionario en diente de león sexual, esperando la fertilización

La apomixis se considera el santo grial en la agricultura. Hace posible capturar combinaciones únicas y superiores de rasgos en una planta de una sola vez, porque las plantas que exhiben apomixis (plantas 'apomícticas') crean semillas que son todas genéticamente idénticas a la planta madre. Por tanto, la apomixis puede acelerar el mejoramiento de cultivos innovadores y abaratar la producción de semillas.

La importancia de la apomixis para la agricultura ha sido reconocida durante mucho tiempo, pero hasta ahora no había sido posible utilizar la apomixis con éxito en la cría. En 2018, ya se descubrió un gen en la familia de las gramíneas que controla el proceso de partenogénesis. Los genes que impulsan ese proceso son actualmente un eslabón perdido para usar la apomixis. Desafortunadamente, el gen de la partenogénesis de las gramíneas no funcionó fuera de la familia de las gramíneas.

Quince años de investigación

Hace más de quince años, un equipo de investigadores de la empresa de investigación de Wageningen KeyGene comenzó a aclarar la genética detrás de la apomixis. Incluso entonces, la idea era que encontrar los genes que desempeñan un papel en esto podría significar un gran avance para el uso de la apomixis en los cultivos.

En 2016, el equipo de KeyGene fue el primero en descubrir el llamado gen DIP. Ese gen codifica uno de los dos pasos que hacen posible la apomixis: diplosporía. El gen DIP asegura que el número de cromosomas no se reduzca a la mitad cuando se forman los óvulos. Por tanto, los óvulos contienen exactamente la misma información hereditaria completa que la planta madre. El otro paso crucial en la apomixis es que estos huevos se dividen y crecen hasta convertirse en un embrión, sin necesidad de polinización. Este proceso se llama partenogénesis. Después del descubrimiento del gen DIP, el equipo comenzó a buscar el gen PAR.

Dientes de león

En su investigación sobre la apomixis, los investigadores de KeyGene utilizaron el diente de león, una de las aproximadamente 400 especies de plantas que se sabe que pueden formar semillas sin polinización con las mismas propiedades genéticas que la planta madre. Una cosa interesante sobre los dientes de león es que, además de las plantas "apomícticas", entre los dientes de león silvestres, también hay plantas que necesitan polinización para la formación de semillas o que son "sexuales". Se descubrió que el gen PAR que se encuentra en el diente de león apomíctico permite que los óvulos se desarrollen en un embrión vegetal sin polinización. También resultó que el gen está "activado" en el polen.

Cabeza de semilla de diente de león apomíctico: cada semilla está llena. Con un diente de león sexual, la formación de semillas depende de la polinización y varía entre 0 y 100%.

Cabeza de semilla de diente de león apomíctico: cada semilla está llena. Con un diente de león sexual, la formación de semillas depende de la polinización y varía entre 0 y 100%.

Engañar al huevo

El grupo de cátedra de Biosistemática de la Universidad e Investigación de Wageningen también participó en la investigación. Descubrieron que el gen PAR normalmente está desactivado en los óvulos, pero activado en los dientes de león apomícticos. Luego, el huevo se divide, creando un embrión vegetal. Por lo tanto, el huevo de un diente de león apomíctico "piensa" que ya ha sido fertilizado y está comenzando a dividirse sin que se produzca la polinización.

También en Nueva Zelanda

En Nueva Zelanda, la Universidad de Lincoln también está investigando genes de partenogénesis en hawkweed. Hawkweed es una especie de planta con la que Gregor Mendel, el padre de la genética, también ha trabajado extensamente. Mendel descubrió cómo se heredan y se descomponen los rasgos. Los resultados especiales que Mendel encontró en sus experimentos de cruzamiento en hawkweed (la falta a veces de descomposición) fueron causados ​​por la apomixis.

Los investigadores de Nueva Zelanda compararon el gen PAR encontrado en el diente de león por los investigadores de KeyGene con los genes de la hawkweed. Descubrieron algo que los investigadores de KeyGene también habían encontrado en el diente de león: todas las plantas contienen genes PAR, pero las plantas con apomixis tienen un gen PAR que contiene una pieza extra de ADN. En la hawkweed, ese ADN extra está casi en el mismo lugar que en el diente de león. Y eso si bien las plantas no son parientes cercanos.

Genes saltarines

Un análisis más detallado reveló que la pieza extra de ADN era un llamado transposón: una pieza de ADN que ocasionalmente puede "saltar" dentro del ADN de la planta y, por lo tanto, cambiar su posición. En diente de león y hawkweed hay un transposón en la parte del gen PAR que regula la actividad del gen, el promotor. En la evolución tanto del diente de león como de la hawkweed, un gen saltarín acabó en el gen PAR, de tal forma que surgió la apomixis en ambas especies de plantas.

En los cultivos

Una pregunta de seguimiento importante es si el gen PAR del diente de león y los nuevos conocimientos sobre la genética detrás de la apomixis se pueden utilizar para generar plantas para cultivos importantes que, gracias a la apomixis, forman semillas que son genéticamente idénticas a la planta madre.

Muchas plantas sin apomixis parecen tener genes que son sorprendentemente similares al gen PAR del diente de león. Desde entonces se ha demostrado que lo mismo se aplica al gen DIP encontrado anteriormente. Esto significa que el gen DIP y el gen PAR tienen el potencial de ser ampliamente aplicables para la innovación en la agricultura.

Los investigadores de KeyGene ahora han logrado demostrar, en colaboración con científicos de Takii, que el gen PAR también puede causar partenogénesis en lechuga y girasol. Este es un paso importante para la aplicación final de la apomixis en estos cultivos.

La participación de Wageningen University & Research en la investigación fue posible en parte gracias a una contribución financiera de la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica (NWO), dominio AES (Ciencias Aplicadas y Técnicas).