Mexicanos estudian el desarrollo reproductivo de las plantas en busca de mejorar sus características

El biotecnólogo Daniel Rodríguez se hizo merecedor del Premio Weizmann 2016 en ciencias naturales por su tesis de doctorado, en la que centra su interés y análisis en las líneas germinales de las plantas.

La meta es que en unos 20 años los agricultores puedan comprar una sola vez una semilla y después usarla cada año para cultivo.

Academia Mexicana de Ciencias

Con la finalidad de entender y conocer a mayor detalle cómo las plantas se reproducen a través de la formación de semillas y frutos, y utilizar ese conocimiento para facilitar la producción de cultivos con características agradables al consumo humano, Daniel Rodríguez Leal, egresado del Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (Langebio) en Irapuato, Guanajuato, estudió en su tesis de doctorado la diversidad natural a nivel morfológico y molecular de la reproducción vegetal.

Rodríguez Leal utilizó como modelo de estudio a la planta Arabidopsis thaliana, que contiene un genoma de tamaño aproximado a 135 millones de pares de bases de nucleótidos, un genoma pequeño en comparación con otras plantas, y ciclo de vida corto, lo que permite el análisis de varias generaciones.

El doctor en biotecnología de plantas señaló que sus estudios en un futuro podrían ser útiles para agilizar los métodos de mejoramiento genético con la manipulación del desarrollo reproductivo, lo que permitiría producir cultivos con características agradables al consumo humano, evitando así que los productores compren nuevas semillas para cada ciclo agrícola.

Su estudio de investigación demuestra que esta especie vegetal alberga diversidad en el proceso de formación del gameto femenino (célula reproductora). Adicionalmente, la hibridación intra-específica —formación de un individuo que proviene de la cruza de dos padres genéticamente distintos, aunque procedentes de la misma especie—, así como la poliploidía —fenómeno por el cual se originan células, tejidos u organismos con tres o más juegos completos de cromosomas de la misma o distintas especies o con dos o más genomas de especies distintas— también afectan su proceso reproductivo.

Con un microscopio (imagen 1) se realizan disecciones de las flores de la planta Arabidopsis thaliana (imagen 2) para extraer los óvulos que contienen las células que darán origen al gameto femenino (encerradas en círculos en la micrografía de la izquierda (imagen 3). Foto: cortesía doctor Rodríguez Leal.

“Las plantas pueden moldear su desarrollo para adaptarse a las condiciones climáticas, a las interacciones con otros organismos y a flexibilizar su proceso de desarrollo en formas que todavía no terminamos de comprender que tienen que ver con procesos subyacentes asociados a su ácido desoxirribonucleico (ADN) y los genes de la planta”, comentó el investigador.

Existen plantas que han renunciado al sexo, y aun así producen semillas en un proceso que se llama apomixis. Estas semillas dan lugar a individuos que son idénticos a la planta madre,  conservando las mismas características. Este es un ejemplo extremo de la plasticidad del desarrollo que las plantas pueden mostrar. Varios estudios han descrito que existe una asociación entre la apomixis y alteraciones en el desarrollo temprano de los gametos en plantas.

El interés científico que presentó Daniel Rodríguez en sus estudios era entender cómo es que las plantas deciden cuál de sus células se convertirá en la línea germinal, pues el proceso ocurre muy tarde en su desarrollo, a diferencia de los animales, incluidos los seres humanos, que desde el desarrollo embrionario tiene células diferenciadas que darán lugar a los gametos femeninos o masculinos.

En su trabajo, dirigido por el doctor Jean Philippe Vielle Calzada, Daniel hace un trabajo descriptivo e interpretativo de cómo la planta desarrolla sus gametos y hace comparaciones con mutantes que presentan un patrón de desarrollo reproductivo por apomixis, haciendo uso de técnicas para localizar ácidos ribonucleicos mensajeros y proteínas.

Por la tesis de doctorado “Caracterización de la variación fenotípica y su relación con la actividad funcional de rutas epigenéticas en la especificación del precursor gamético femenino en Arabidopsis thaliana”, Daniel Rodríguez Leal fue merecedor del Premio Weizmann 2016 en ciencias naturales que otorgan la Academia Mexicana de Ciencias y la Asociación Mexicana de Amigos del Instituto Weizmann de Ciencias.

El logo del Instituto Weizmann de Ciencias (Foto: internet).

Entre los resultados que reportó el joven científico en su trabajo se encuentra que entre individuos de la misma especie Arabidopsis thaliana, la meiosis —división celular que precede la formación de ambos gametos— se comportaba diferente en tiempo y espacio.

Los procesos de desarrollo por más conservados y esenciales que sean para los seres vivos tienden a ser variables, pueden cambiar en el tiempo y espacio. La evolución moldea los procesos y estos a su vez se mantienen plásticos para poder responder a las presiones de la selección que la naturaleza les aplica.

“El segundo punto que descubrimos es que existe una alteración de la meiosis que tiene que ver con perturbaciones asociadas con mezclar dos genomas de dos individuos y generar híbridos. Cuando cruzamos una planta que crecía en Alemania con otra planta de Rusia, la progenie presentaba alteraciones en el número de células que eran seleccionadas como línea germinal y tenían cambios temporales en la meiosis. Este tipo de alteraciones también han sido observadas en plantas que se reproducen por apomixis”.

El híbrido presentaba diferencias que no eran observadas en los padres, tenía algo en especial que lo hacía comportarse diferente. Lo llamó vigor híbrido, y se relaciona con la expresión de características superiores en el individuo híbrido con respecto a ambos padres, un concepto conocido en el mundo de la agricultura, y que ahora Rodríguez Leal reportó que ocurre durante la formación de los gametos.

El último hallazgo en la investigación de Rodríguez Leal tiene que ver con los cromosomas —el orgánulo contenido en el núcleo de las células que contiene el material genético—, cuando un individuo de Arabidopsis thaliana duplica su genoma en vez de tener 10 cromosomas (cinco del padre, cinco de la madre) se obtienen 20.

El doctor Daniel Rodríguez (Internet)

“Este fenómeno de duplicación genómica también altera el proceso de desarrollo de una manera similar, indicando que tanto la hibridación como la poliploidía estaban alterando el mismo mecanismo de control que define el desarrollo reproductivo. Dichas alteraciones están asociadas a cambios epigenéticos, alteraciones que no cambian la secuencia del ADN, sino la manera en la que la célula vegetal controla dónde y cuándo se debe expresar la información contenida”, añadió el biotecnólogo.

Daniel Rodríguez Leal, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Cold Spring Harbor, Nueva York, consideró que su tesis aportó ciencia básica para entender los procesos epigenéticos que permiten a las plantas ser más plásticas y cambiar sus procesos de desarrollo mucho más rápido sin que necesariamente se transmitan esos cambios a las próximas generaciones, lo que permitiría generar estrategias para manipular de manera controlada y reversible el desarrollo reproductivo.

El especialista planteó que a mediano plazo se buscará analizar la forma de alterar el desarrollo reproductivo para producir plantas que mantengan los beneficios del vigor híbrido a través de la producción de semilla clonal: hacer que la planta renuncie al sexo sin dejar de producir semillas, como en la apomixis, de tal modo que éstas mantengan las mismas características de la planta madre.

Cada año los agricultores compran semillas híbridas que son producto de la cruza de dos líneas de élite que grandes empresas producen y sería un gran avance poder proveer de semilla con características deseables que mantengan dichas particularidades en las siguientes generaciones.

“Si logramos entender el proceso y manipular el desarrollo reproductivo con el fin de mantener las características de los individuos que nos interesan en las generaciones subsecuentes, en unos 20 años los agricultores podrán comprar una sola vez una semilla y después usarla cada año para cultivo”, destacó el investigador sobre el alcance de su investigación.