Por primera vez en el mundo, investigadores de la Universidad de Tel Aviv han logrado desarrollar una tecnología a escala genómica que permite revelar el papel de genes y rasgos en las plantas que hasta ahora permanecían ocultos por redundancia funcional. Los investigadores señalan que, desde la revolución agrícola, el hombre se ha servido de la creación de diversidad genética para mejorar las variedades vegetales con fines agrícolas. Pero hasta este reciente avance, sólo era posible examinar las funciones de genes individuales, que sólo constituyen el 20% del genoma. Para el 80% restante del genoma, formado por genes agrupados en familias, no existía ninguna forma eficaz, a la gran escala del genoma completo, de determinar su función en la planta.
Gracias a este avance único, el equipo de investigadores consiguió aislar e identificar docenas de nuevas características que hasta ahora se habían pasado por alto. Se espera que este avance 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 realizada por la estudiante de postdoctorado 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 se publicó en la prestigiosa revista Nature Plants. Como parte de la investigación, el equipo de investigadores utilizó la innovadora tecnología “CRISPR“ para la edición de genes y métodos del campo de la bioinformática y la genética molecular para desarrollar un nuevo método de localización de genes responsables de rasgos específicos en las plantas.
Según el Prof. Shani, “durante miles de años, desde la revolución agrícola, el hombre ha ido mejorando distintas variedades de plantas para la agricultura fomentando la variación genética. Pero hasta hace unos años no era posible intervenir genéticamente de forma selectiva, sino sólo identificar y promover rasgos deseables creados al azar. El desarrollo de las tecnologías de edición genética permite ahora introducir cambios precisos en un gran número de plantas“.
Los investigadores explican que a pesar del desarrollo de tecnologías de edición genética, como CRISPR, quedaban varios retos que limitaban su aplicación a la agricultura. Uno de ellos era la necesidad de identificar con la mayor precisión posible qué genes del genoma de la planta son responsables de un rasgo específico que se desea cultivar. El método aceptado para abordar este reto consiste en producir mutaciones, es decir, modificar los genes de diferentes maneras, y luego examinar los cambios en los rasgos de la planta como resultado de la mutación en el ADN y aprender de ello sobre la función del gen.
Así, por ejemplo, si se desarrolla una planta con frutos más dulces, se puede concluir que el gen alterado determina el dulzor de los frutos. Esta estrategia se ha utilizado durante décadas y ha tenido mucho éxito, pero también tiene un problema fundamental: una planta media como el tomate o el arroz tiene unos 30 mil genes, pero alrededor del 80% de ellos no funcionan solos, sino que están agrupados en familias de genes similares. Por tanto, si se muta un solo gen de una determinada familia de genes, existe una alta 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, resulta difícil crear un cambio en la propia planta y determinar la función del gen y su vínculo con un rasgo específico.
El estudio actual trataba de encontrar una solución al problema de la redundancia genética utilizando un innovador método de edición de genes llamado “CRISPR“. El profesor Mayrose explica: “El método CRISPR se basa en una enzima llamada Cas9 que se encuentra de forma natural en las bacterias y cuya función es cortar secuencias de ADN extrañas. 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 casi cualquier gen que queramos modificar. Queríamos aplicar esta técnica para mejorar el control de la creación de mutaciones en plantas con fines de mejora agrícola, y concretamente para superar la limitación habitual que supone la redundancia genética“.
En una primera fase, se realizó un estudio bioinformático en un ordenador que, a diferencia de la mayoría de los estudios en este campo, abarcaba inicialmente todo el genoma. Los investigadores decidieron centrarse en la planta Arabidopsis, que se utiliza como modelo en muchos estudios y tiene unos 30 mil genes. En primer lugar, identificaron y aislaron unos 8.000 genes individuales, que no tienen familiares y, por tanto, no tienen copias en el genoma. Los 22 mil genes restantes se dividieron en familias, y para cada familia se diseñaron computacionalmente secuencias de sgRNA apropiadas.
Cada secuencia de sgRNA se diseñó para guiar la enzima de corte Cas9 a una secuencia genética específica que caracteriza a toda la familia, con el objetivo de crear mutaciones en todos los miembros de la familia para que estos genes ya no puedan solaparse entre sí. De este modo se construyó una biblioteca que totalizaba aproximadamente 59 mil secuencias de sgRNA, en la que cada sgRNA por sí mismo es capaz de modificar simultáneamente de dos a 10 genes a la vez de cada familia genética, neutralizando así eficazmente el fenómeno de la redundancia genética.
Además, las secuencias de sgARN se dividieron en diez sublibrerías de aproximadamente 6.000 secuencias de sgARN cada una, según la supuesta función de los genes -como codificación de enzimas, receptores, factores de transcripción, etc.-. Según los investigadores, el establecimiento de las bibliotecas les permitió centrar y optimizar la búsqueda de genes responsables de los rasgos deseados, una búsqueda que hasta ahora había sido en gran medida aleatoria.
En el siguiente paso, los investigadores pasaron del ordenador al laboratorio. Allí generaron las 59 mil secuencias de ARNsg diseñadas por el método computacional y las introdujeron en nuevas bibliotecas de plásmidos (es decir, segmentos circulares de ADN) en combinación con la enzima de corte. A continuación, los investigadores generaron miles de plantas nuevas que contenían las bibliotecas, en las que cada planta se implantó con una única secuencia de sgARN dirigida contra una familia de genes específica.
Los investigadores observaron los rasgos que se manifestaban en las plantas tras las modificaciones del genoma y, cuando se observaba un fenotipo interesante en una planta concreta, era fácil saber qué genes eran los responsables del cambio en función de la secuencia de ARNsg que se había insertado en ella. Además, mediante la secuenciación del ADN de los genes identificados, fue posible determinar la naturaleza de la mutación que causó el cambio y su contribución a las nuevas propiedades de la planta. De este modo, se cartografiaron muchos rasgos nuevos que hasta ahora estaban bloqueados debido a la redundancia genética. En concreto, los investigadores identificaron proteínas específicas que comprenden un mecanismo relacionado con el transporte de la hormona citoquinina, esencial para el desarrollo óptimo de la planta.
El Prof. Shani concluye: “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 importancia para la agricultura: hace posible revelar de manera eficiente y precisa el conjunto de genes responsables de los rasgos que buscamos mejorar, como la resistencia a la sequía, las plagas y las enfermedades, o el aumento del rendimiento. Creemos que éste es el futuro de la agricultura: la mejora controlada y selectiva de los cultivos a gran escala. Hoy aplicamos con gran éxito el método que hemos desarrollado a las plantas de arroz y tomate, y tenemos intención de aplicarlo también a otros cultivos“.
Con este fin, la empresa de comercialización de tecnología de la Universidad de Tel Aviv (Ramot), en colaboración con el grupo AgChimedes, creó la empresa DisTree. Esta inversión financiera, combinada con el apoyo empresarial y profesional de Agchimedes, permitirá a DisTree aplicar la nueva tecnología a diversos cultivos, con el objetivo de revolucionar la genética del mundo de la agricultura y hacer posible la seguridad nutricional en la era de la crisis climática.