Un equipo de científicos de la Universidad de Clemson ha logrado un gran avance en la genética de la senescencia en los cultivos de cereales con el potencial de impactar dramáticamente el futuro de la seguridad alimentaria en la era del cambio climático.
La investigación colaborativa, que explora la arquitectura genética del proceso poco conocido de senescencia en el maíz también conocido como maíz y otros cultivos de cereales, se publicó en La célula vegetal , una de las principales revistas científicas revisadas por pares de ciencias de las plantas. Rajan Sekhon, genetista de plantas y profesor asistente en el departamento de genética y bioquímica de la Facultad de Ciencias, es el autor principal y correspondiente del artículo titulado "Genoma Integrado-Análisis de escala identifica nuevos genes y redes subyacentes a la senescencia en el maíz "
"Senescencia significa 'muerte de una célula o un órgano en manos de los mismos organismos de los que forma parte'", dijo Sekhon. "Sucede prácticamente en todas partes, incluso en animales. Matamos las células que no hacemosnecesidad. Cuando el clima cambia en otoño, tenemos esos agradables colores de otoño en los árboles. Al comienzo de la caída, cuando las plantas se dan cuenta de que no pueden sostener las hojas, las matan. Se trata de la economía de la energía ".
Como resultado, las hojas mueren después de mostrar su color. La energía eliminada de las hojas se almacena en el tronco o las raíces de la planta y se utiliza para reproducir rápidamente las hojas la próxima primavera. Esto tiene mucho sentido para los árboles. PeroLa historia es bastante diferente para algunas otras plantas comestibles, específicamente los cultivos de cereales como el maíz, el arroz y el trigo.
"Estos cultivos son atendidos con mucho cuidado y los agricultores suministran el exceso de nutrientes en forma de fertilizantes", dijo Sekhon. "En lugar de morir prematuramente, las hojas pueden seguir produciendo alimentos a través de la fotosíntesis. Comprender los factores desencadenantes de la senescencia en cultivos comoEl maíz significa que los científicos pueden alterar la planta de una manera que pueda beneficiar a un mundo hambriento ".
Sekhon, cuya carrera investigadora abarca la genética molecular, la genómica, la epigenética y el fitomejoramiento, estableció su laboratorio en 2014 como profesor asistente. Ha desempeñado un papel clave en el desarrollo de un "atlas genético" ampliamente utilizado por la comunidad investigadora del maízHa publicado varios artículos en las principales revistas revisadas por pares que investigan la regulación de los rasgos complejos de las plantas.
"Si podemos frenar la senescencia, esto puede permitir que la planta permanezca verde, o no senesce, por un período de tiempo más largo", dijo Sekhon. "Los fitomejoradores han estado seleccionando plantas que senescen tarde sin comprender completamentecómo funciona la senescencia a nivel molecular "
Estas plantas, llamadas "permanecer verdes", hacen honor a su nombre. Permanecen verdes por más tiempo, producen mayores rendimientos y son más resistentes a los factores ambientales que estresan a las plantas, como la sequía y el calor.
Pero incluso con la existencia de plantas verdes, se ha comprendido poco sobre los fundamentos moleculares, fisiológicos y bioquímicos de la senescencia. La senescencia es un rasgo complejo afectado por varios factores internos y externos y regulado por varios genes que trabajan juntosPor lo tanto, los enfoques genéticos genéricos no son efectivos para desentrañar completamente este enigmático proceso. El avance de Sekhon y sus colegas fue el resultado de un enfoque de genética de sistemas.
Sekhon y los otros investigadores estudiaron la variación genética natural para el rasgo de permanecer verde en el maíz. El proceso involucró el cultivo de 400 tipos diferentes de maíz, cada uno genéticamente distinto entre sí en función de la huella digital del ADN es decir, el genotipo, y luego midiendo susenescencia es decir, fenotipo. El equipo luego asoció el "genotipo" de cada línea endogámica con su "fenotipo" para identificar 64 genes candidatos que podrían estar orquestando la senescencia.
"La otra parte del experimento fue tomar una planta verde y otra verde y observar la expresión de unos 40,000 genes durante la senescencia", dijo Sekhon. "Nuestros investigadores observaron muestras cada pocos días".y se le preguntó qué genes estaban ganando expresión durante el período de tiempo particular. Esto identificó más de 600 genes que parecen determinar si una planta permanecerá verde o no.
"Uno de los grandes problemas con cada uno de estos enfoques es la aparición de falsos positivos, lo que significa que algunos de los genes detectados son casualidades e instancias de falsos negativos, lo que significa que nos perdemos algunos de los genes causales".
Por lo tanto, Sekhon y sus colegas tuvieron que combinar minuciosamente los resultados de los dos grandes experimentos utilizando un enfoque de "genética de vapor" para identificar algunos genes objetivo de alta confianza que se pueden probar para confirmar su papel en la senescencia. Combinaron conjuntos de datos parareducir el campo a 14 genes candidatos y, en última instancia, examinar dos genes en detalle.
"Uno de los descubrimientos más notables fue que los azúcares parecen dictar la senescencia", dijo Sekhon. "Cuando los azúcares no se alejan de las hojas donde se producen mediante la fotosíntesis, estas moléculas de azúcar comienzan a enviar señales para iniciar la senescencia"."
Sin embargo, no todas las formas de azúcar que se encuentran en las plantas son capaces de señalizar. Uno de los genes que Sekhon y sus colegas descubrieron en el estudio parece dividir los azúcares complejos en las células de las hojas en moléculas de azúcar más pequeñas, como azúcares de seis carbonos comoglucosa y fructosa, que son capaces de transmitir las señales de senescencia.
"Esto es un doble golpe", dijo Sekhon. "No solo estamos perdiendo estos azúcares adicionales hechos por plantas que pueden alimentar a las bocas más hambrientas. Estos azúcares no utilizados en las hojas comienzan la senescencia y detienen el proceso de síntesis de azúcares por completo".
Las implicaciones son enormes para la seguridad alimentaria. Los azúcares producidos por estas plantas deben ser desviados a varios órganos de las plantas que pueden usarse como alimento.
"Descubrimos que la planta está monitoreando cuidadosamente el llenado de las semillas. Esa división del azúcar es un factor clave en la senescencia. Lo que encontramos es que hay mucha variación genética incluso en los cultivares de maíz que se cultivan en los EE. UU."
Algunas plantas llenan las semillas y luego pueden comenzar a llenar otras partes de la planta.
"Al menos algunas de las plantas verdes se pueden hacer almacenando energía adicional en los tallos", dijo Sekhon. "Cuando se cosecha la semilla, lo que queda en el campo se llama estufa".
Stover se puede utilizar como alimento para animales o como fuente de biocombustibles. Con el aumento de la demanda de alimentos y energía, existe un creciente interés en desarrollar cultivos de doble propósito que proporcionen tanto grano como stover. A medida que las tierras de cultivo se vuelven escasas, las plantas se debilitan más tardeaumentan en importancia porque producen más energía total por planta.
Es probable que los genes identificados en este estudio realicen la misma función en otros cultivos de cereales, como arroz, trigo y sorgo. Sekhon dijo que el siguiente paso es examinar la función de estos genes usando mutantes y transgénicos.
"El objetivo final es ayudar al planeta y alimentar al mundo en crecimiento. Con el clima cada vez peor, la disminución de la tierra y el agua y el aumento de la población, la seguridad alimentaria es el principal desafío que enfrenta la humanidad", dijo Sekhon.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Clemson . Original escrito por Chris Worthy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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