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Lun, Ago

Un gen ancestral «prestado» ayuda al maíz a adaptarse a la altura y temperaturas frías

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Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte demuestran que un importante gen del maíz, denominado HPC1, modula ciertos procesos químicos que contribuyen al tiempo de floración, y tiene su origen en el «teosinte mexicano», un precursor del maíz actual que crece de forma silvestre en el altiplano de México.

Los hallazgos proporcionan información sobre la evolución de las plantas y la selección de rasgos, y podrían tener implicaciones para la adaptación del maíz y otros cultivos a las bajas temperaturas.
Una planta de teosinte mexicana crece en el borde de un campo de maíz comercial. Imagen: NC State

North Carolina State University / 30 de junio, 2022.- Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NC State) demuestran que un importante gen del maíz, denominado HPC1, modula ciertos procesos químicos que contribuyen al tiempo de floración, y tiene su origen en el «teosinte mexicano», un precursor del maíz actual que crece de forma silvestre en las tierras altas de México. Los hallazgos proporcionan información sobre la evolución de las plantas y la selección de rasgos, y podrían tener implicaciones para la adaptación del maíz y otros cultivos a las bajas temperaturas.

«Estamos muy interesados en entender cómo la variación natural de los lípidos está involucrada en el crecimiento y desarrollo de las plantas, y cómo estos compuestos pueden ayudar a las plantas a adaptarse a sus entornos inmediatos», dijo Rubén Rellán-Álvarez, profesor asistente de bioquímica estructural y molecular en NC State y el autor correspondiente de un estudio que describe la investigación. «Específicamente, queríamos aprender más sobre la variación de los lípidos llamados fosfolípidos, que consisten en fósforo y ácidos grasos, y su papel en la adaptación al frío, al bajo nivel de fósforo y a la regulación de procesos importantes para la aptitud y el rendimiento de las plantas como el tiempo de floración.»

El maíz que se cultiva a mayor altitud, como en el altiplano de México, necesita adaptaciones especiales para crecer con éxito. Las temperaturas más frías de estas regiones montañosas sitúan al maíz en una ligera desventaja en comparación con el que se cultiva a menor altura y con temperaturas más altas.

«A grandes alturas, con temperaturas más frías, se tarda más en hacer una planta de maíz debido a la menor acumulación de unidades de calor -el maíz necesita acumular calor o unidades de crecimiento -«, dijo Rellán-Álvarez. A 2.600 metros de altitud, se tarda tres veces más en producir una planta de maíz que a menor altitud». Para adaptarse a estas condiciones especiales, los campesinos -pequeños agricultores- deben plantar a principios de la temporada y a gran profundidad; el crecimiento es muy lento pero constante en los primeros meses hasta que llega la temporada de lluvias. A lo largo de milenios, los campesinos han seleccionado variedades de maíz que pueden prosperar en estas condiciones especiales al ser capaces de crecer a bajas temperaturas y florecer pronto antes de que lleguen los meses más fríos del invierno».

Ahí es donde entra el gen HPC1, dicen los investigadores. En las variedades de maíz que se cultivan en elevaciones bajas, incluyendo la mayor parte del maíz que se cultiva en Estados Unidos, el gen descompone fosfolípidos que en otras especies han demostrado unirse a importantes proteínas que aceleran el tiempo de floración.

« Los fosfolípidos son también importantes bloques de construcción de las membranas celulares. Todos los lípidos tienen formas diferentes y el equilibrio de estas formas es lo que permite que las membranas permanezcan intactas y ayuda a las plantas a sobrevivir a los periodos de estrés «, explica Allison Barnes, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Rellán-Álvarez y coautor del estudio.

En las montañas, sin embargo, el gen falla, pero en beneficio del maíz de las tierras altas.

«En el maíz de las tierras altas, se seleccionó una versión defectuosa del gen y esto condujo a altos niveles de fosfolípidos», dijo Rellán-Álvarez. « Desarrollamos un mutante con CRISPR-Cas9 y confirmamos la función metabólica del gen. También mostramos interacciones fosfolípido-proteína similares a las que se habían descrito en otras especies para regular el tiempo de floración .»

«Los fosfolípidos que no se descomponen en las tierras altas pueden ser mejores para mantener las membranas unidas, lo que permite a la planta sobrevivir al entorno adverso» , añadió Barnes.

En el estudio, los investigadores muestran los resultados de amplios experimentos en todo México -en tierras bajas y altas- en los que estaba presente la versión del gen de las tierras altas. Descubrieron que el maíz con la versión del gen de las tierras altas florecía un día antes que las plantas sin esa versión del gen. Por su parte, el maíz cultivado en las tierras bajas con la versión del gen de las tierras altas floreció un día más tarde que las plantas sin esa versión del gen.

«Está ayudando a la planta a desenvolverse mejor en su entorno local», dijo Fausto Rodríguez-Zapata, estudiante de doctorado en el laboratorio de Rellán-Álvarez y co-primer autor del trabajo. «Si la floración no funciona, no habrá semillas, así que no es de extrañar que algo relacionado con el tiempo de floración esté también implicado en la adaptación local».

El estudio también examinó la evolución del maíz a través de miles de años de selección de los agricultores en todo el hemisferio occidental. Los nativos americanos domesticaron el maíz hace miles de años en el suroeste de México a partir de una planta silvestre llamada teosinte parviglumis, y con gran ingenio, llevaron y adaptaron el maíz a través de las Américas -desde los desiertos de Arizona y Perú hasta los bosques húmedos de Yucatán y Colombia, pasando por el altiplano mexicano, donde el maíz se cruzó con otra planta silvestre de teosinte -teosinte mexicana.

«Nuestros resultados muestran que la mezcla de maíz con teosinte mexicana ayudó al maíz a adaptarse a las condiciones del altiplano y que esta mezcla es relevante en el maíz moderno», dijo Rellán-Álvarez.

En el estudio, los investigadores demostraron que piezas genéticas del teosinte mexicano -la versión de las tierras altas del HPC1- se han conservado en el maíz actual.

« Esta retención -que los científicos llaman introgresión- es similar a la de los humanos actuales que conservan trozos de neandertal en su código genético. Estos trozos se han conservado porque han sido seleccionados a lo largo del tiempo y aportan alguna ventaja «, dijo Rodríguez-Zapata.

El estudio también mostró la variante de las tierras altas de HPC1 en el maíz cultivado en Canadá, el norte de Estados Unidos y el norte de Europa, lo que tiene sentido debido al clima más frío que se encuentra en esos lugares.

Los investigadores de NC State están examinando ahora el papel de este y otros genes implicados en el metabolismo del fósforo para conocer formas más sostenibles de cultivar el maíz y, tal vez, introducir más teosinte mexicano en el maíz moderno.

El estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences. fue escrito por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, la UC Davis, la Universidad Estatal de Iowa, la Universidad de Cornell y Cold Spring Harbor son coautores del trabajo. El apoyo para el trabajo fue proporcionado por el CONACYT en México, la National Science Foundation y los fondos de inicio de NC State en Estados Unidos.