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Se espera que el desarrollo revolucione la forma de mejorar los cultivos agrícolas, incluyendo cambios específicos que mejoren propiedades como el aumento del rendimiento o la resistencia a la sequía y las plagas.
(Comunicado de la portavoz de la Universidad de Tel Aviv)
Por primera vez a nivel mundial, investigadores de la Universidad de Tel Aviv lograron desarrollar una tecnología a escala genómica que hace posible revelar el rol de los genes y rasgos de las plantas que hasta ahora permanecían ocultos por redundancia funcional. Los investigadores señalan que a partir de la revolución agrícola, el hombre se ha servido de la creación de diversidad genética a fin de mejorar las variedades vegetales con fines agrícolas. Pero, hasta este reciente avance, era solamente posible analizar las funciones de los genes individuales, que tan solo constituyen el 20% del genoma. Para el 80% restante del genoma, constituido por genes agrupados en familias, no había una vía eficaz, a la gran escala del genoma completo, para determinar su función en la planta.
Como consecuencia de este singular desarrollo, el equipo de investigadores consiguió aislar e identificara decenas de nuevos rasgos que hasta el momento, es habían pasado por alto. Se prevé que el desarrollo revolucione la forma de mejorar los cultivos agrícolas, ya que puede aplicarse a la mayoría de los cultivos y rasgos agrícolas, como el aumento del rendimiento y la resistencia a la sequía o las plagas.
La investigación fue llevada a cabo por el estudiante de postdoctorado, Dr. Yangjie Hu bajo la dirección de los profesores Eilon Shani e Itay Mayrose, de la Escuela de Ciencias Vegetales y Seguridad Alimentaria de la Facultad Wise de Ciencias de la Vida de la Universidad de Tel Aviv. También participaron en la investigación, científicos de Francia, Dinamarca y Suiza. La investigación fue publicada en la prestigiosa revista Nature Plants.
Como parte de la investigación, el equipo de investigadores utilizó la tecnología innovadora “CRISPR” para la edición de genes y métodos del ámbito de la bioinformática y la genética molecular para desarrollar un nuevo método para la localización de genes responsables de algunos rasgos de las plantas.
Según el profesor Shani: “Durante miles de años, a partir de la revolución agrícola, el hombre ha estado mejorando diferentes variedades de plantas para la agricultura promoviendo variaciones genéticas. Pero hasta hace unos años, no era posible intervenir genéticamente de un modo selectivo, sino sólo identificara y promover rasgos deseables creados al azar. El desarrollo delas tecnologías de edición de genes, ahora permite introducir cambios precisos en un importante número de plantas”.
Los investigadores explican que a pesar del desarrollo de las tecnologías de edición genética, como la CRISPR, quedaban diversos desafíos que limitaban su aplicación a la agricultura. Uno de ellos era la necesidad de identificar lo más precisamente posible qué genes del genoma de las plantas son responsables de un rasgo específico que se desea cultivar. El método aceptado para abordar este desafío es producir mutaciones, esto es, modificar los genes de diversas formas, y luego examinar los cambios en los rasgos de las plantas como resultado de la mutación en el ADN y de ello aprender acerca de la función del gen.
Así, por ejemplo, si se desarrolla una planta con frutos más dulces, se puede concluir que el gen alterado determina la dulzura del fruto. Esta estrategia ha sido utilizada durante décadas, y ha sido muy exitosa, pero también ha tenido un problema fundamental: una planta promedio como el tomate o el arroz tiene unos 30.000 genes, pero alrededor del 80% de ellos no actúan solo sino que están agrupados en familias de genes similares. Por consiguiente, si un gen individual de cierta familia de genes resulta mutado, existe una gran probabilidad de que otro gen de la misma familia (en realidad, una copia muy similar al gen mutado) enmascare los fenotipos en lugar del gen mutado. Debido a este fenómeno, denominado redundancia genética, es difícil crear un cambio en la misma planta, y determinar la función del gen y su nexo con un rasgo especifico.
El estudio actual trataba de hallar una solución al problema dela redundancia genética, utilizando un método de edición genética innovador denominado CRISPR. El profesor Mayrose explica: “El método CRISPR está basado en una enzima llamada Cas9 que se encuentra naturalmente en las bacterias y cuya función es la de interrumpir secuencias externas de ADN. A la enzima se le puede asociar una secuencia sgRNA, que identifica la secuencia de ADN que la enzima debe cortar. Este método de edición genética nos permite diseñar diferentes secuencias de sgRNA para que Cas9 pueda cortar prácticamente, cualquier gen que queramos modificar. Queríamos aplicar esta técnica para mejorar el control de la creación de mutaciones en las plantas con fines de mejora agrícola, y específicamente, a fin de superar la común limitación planteada por la redundancia genética”.
En la primera fase, fue llevado a cabo un estudio bioinformático en una computadora, que, a diferencia de la mayor parte delos estudios en el campo, en principio, abarcaba todo el genoma. Los investigadores optaron focalizarse en la planta Arabidopsis, que es utilizada como modelo en numerosos estudios y que tiene, aproximadamente, 30.000 genes. Primero, identificaron y aislaron alrededor de 8.000 genes, que no tienen familiares, y por ende, tampoco tienen copias en el genoma. Los 22.000 genes restantes fueron divididos en familias, y para cada familia se diseñaron computacionalmente secuencias de sgRNA. Cada secuencia de sgRNA fue diseñada para guiar la enzima de restricción Cas9 a una secuencia genética específica que caracteriza a la familia completa, con el propósito de crear mutaciones en todos los miembros de la familia, para que estos genes no puedan encimarse entre sí. De esta forma, se construyó una biblioteca que totalizaba aproximadamente 59.000 secuencias de sgRNA, en la que cada sgRNA por sí misma, es capaz de modificar simultáneamente de 2 a10 genes a la vez de cada familia genética, neutralizando de ese modo, eficazmente, el fenómeno de la redundancia genética.
Además, las secuencias de sgRNA fueron divididas en 10 sub-bibliotecas de aproximadamente 6.000 secuencias de sgRNA cada una, conforme a la supuesta función de los genes, como la codificación de enzimas, receptores, factores de transcripción, etc. Según los investigadores, el establecimiento de las bibliotecas les permitió focalizar y optimizar la búsqueda de los genes responsables de los rasgos deseados, una búsqueda que hasta el momento había sido sumamente aleatoria.
En el próximo paso, los investigadores pasaron de la computadora al laboratorio. Aquí generaron todas las 59.000 secuencias de sgRNA diseñadas por el método computacional y las introdujeron en nuevas bibliotecas plásmidas (o sea, segmentos circulares de ADN), en combinación con la enzima de restricción. Luego, los investigadores generaron miles de nuevas plantas que contenían las bibliotecas-donde cada planta se implantó con una única secuencia de sgRNA dirigida contra una familia de genes específicos.
Los investigadores observaron los rasgos que se manifestaban en las plantas tras las modificaciones genéticas, y cuando un interesante fenotipo era observado en una planta en particular. Resultaba fácil saber qué genes eran los responsables del cambio basado en la secuencia de sgRNA, que había sido introducida. También, a través de la secuenciación del ADN de los genes identificados, fue posible determinar la naturaleza de la mutación que causo el cambio y su contribución a las nuevas propiedades de las plantas. De este modo, fueron mapeados muchos nuevos rasgos, que hasta la actualidad estaban bloqueados debido a la redundancia genética. Específicamente, los investigadores identificaron proteínas específicas que comprenden un mecanismo relacionado con el transporte de la hormona citoquinina, que es esencial para el óptimo desarrollo de la planta.
El profesor Shani, concluye diciendo: “Se espera que el nuevo método que hemos desarrollado sea de gran ayuda para la investigación básica en la comprensión de los procesos en las plantas, pero más allá de eso, tiene una enorme significación para la agricultura: permite revelar con eficacia y precisión el conjunto de genes responsable de los rasgos que buscamos mejorar, como la resistencia a la sequía, las plagas y las enfermedades, o el aumento de los rendimientos. Creemos que éste es el futuro de la agricultura: un mejoramiento controlado y puntual de los cultivos a gran escala. Actualmente, estamos aplicando el método desarrollado a las plantas de arroz y tomate con gran suceso, y tenemos la intención de aplicarlo también a otros cultivos”.