Convertir la duplicación del genoma en una herramienta de fitogenética
Las plantas tienen una extraordinaria capacidad para duplicar todo su genoma, un proceso conocido como poliploidización. Este fenómeno ha desempeñado un papel central en la evolución de las plantas: todas las plantas con semillas han experimentado al menos una ronda de duplicación del genoma completo. Las plantas poliploides suelen mostrar rasgos mejorados en comparación con sus ancestros diploides, como una mayor resiliencia ante el estrés y estrategias reproductivas flexibles. Estas ventajas han atraído durante mucho tiempo la atención de los obtentores, pero los mecanismos genéticos y epigenéticos subyacentes siguen siendo poco conocidos.
Convertir una fuerza evolutiva en una estrategia de mejora genética
El equipo del proyecto POLYPLOID(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, se propuso estudiar la poliploidización en una amplia gama de cultivos y especies modelo. El objetivo era traducir los conocimientos evolutivos en herramientas prácticas de mejora genética. En este contexto, el equipo combinó conocimientos interdisciplinarios en genómica, epigenómica, transcriptómica y fenotipado de diferentes plantas. «Seguimos un método multiespecífico que permitió realizar comparaciones directas que serían imposibles en un solo laboratorio», afirma el coordinador del proyecto, Emidio Albertini.
Cómo la duplicación del genoma da nueva forma a las plantas
En POLYPLOID se investigó la repercusión de la duplicación del genoma en la genética y el fenotipo de las plantas. En varias especies modelo, el equipo observó cambios estructurales en el genoma, https: pérdida o retención no aleatoria de genes(se abrirá en una nueva ventana) y modificaciones epigenéticas específicas poco después de la poliploidización. El análisis del transcriptoma y de la metilación(se abrirá en una nueva ventana) mostró cambios coordinados en la expresión génica que afectan a la tolerancia al estrés, la regulación del ciclo celular, el desarrollo reproductivo y la arquitectura de la pared celular. En varias especies, el número de genes expresados diferencialmente aumentó con el nivel de ploidía, lo que pone de relieve que la duplicación del genoma es un potente motor de la innovación reguladora. «Identificamos un conjunto de genes “sensibles a la ploidía” cuya expresión cambia sistemáticamente con la duplicación del genoma —destaca Albertini—. Estos genes forman una firma molecular de la poliploidía». El equipo también investigó cómo la duplicación del genoma contribuye a la apomixis(se abrirá en una nueva ventana), una forma de reproducción asexual a través de semillas que permite a las plantas producir descendencia sin fecundación. Esta estrategia reproductiva se asocia con frecuencia a los genomas poliploides y es de gran interés para los obtentores porque permite la introducción de rasgos a través de generaciones. Mediante la identificación de vías candidatas y marcadores moleculares vinculados a la apomixis, en el proyecto se sentaron las bases de planteamientos de mejora que combinan la poliploidía con la producción clonal de semillas.
Superar el bloqueo triploide
Un obstáculo importante para aprovechar la poliploidía en la mejora genética es el bloqueo triploide(se abrirá en una nueva ventana), un mecanismo poszigótico que impide la formación de semillas viables tras los cruces entre plantas de diferentes niveles de ploidía. El equipo de POLYPLOID abordó este reto analizando cruces entre individuos diploides y tetraploides. Los investigadores se centraron en el desarrollo anormal del endospermo, una causa común del aborto de semillas. Aunque en el proyecto aún no se ha superado por completo el bloqueo triploide, se han identificado vías clave implicadas, como el metabolismo de azúcares y lípidos y el silenciamiento epigenético de genes. El análisis del transcriptoma y de la metilación(se abrirá en una nueva ventana) se están analizando ahora como palancas potenciales para estabilizar el desarrollo de las semillas.
Hacia una agricultura sostenible y resiliente
El logro más importante de POLYPLOID es la creación de un conjunto de datos multicapa sin precedentes que relaciona la estructura del genoma, la regulación génica, la reproducción y el rendimiento en el campo. Estos conocimientos allanarán el camino a la mejora genética basada en los poliploides, que ofrecerá cultivos más resilientes ante el estrés, de mayor calidad y con menores necesidades de insumos. «Es probable que la mejora basada en los poliploides influya en los futuros sistemas alimentarios europeos al producir cultivos con rasgos de calidad personalizados», concluye Albertini. A medida que el cambio climático intensifica las presiones sobre la agricultura europea, en POLYPLOID se ofrece un modelo para utilizar la duplicación del genoma como estrategia de mejora genética deliberada y no como un hecho fortuito.
