CIENTÍFICOS MEJICANOS DESCUBREN UN PROCESO QUE PERMITE A SEMILLAS GERMINAR TRAS AÑOS SIN AGUA
¿Cuánto tiempo puede conservar una semilla su potencial para germinar y transformarse en una planta? Se sabe que, en el caso del aguacate, la semilla pierde su viabilidad o potencial de germinar un mes después de ser extraía del fruto. En contraste, en 2012 se dio a conocer el sorprendente caso de tres semillas de una planta nativa de Siberia que estuvieron encerradas en una cueva más de 31 mil años y pudieron ser germinadas mediante complejas técnicas de laboratorio.
Inspirados en esta información, científicos mexicanos del Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (Langebio), con sede en Irapuato, Guanajuato, investigaron y encontraron cuáles son los mecanismos genéticos que hacen a ciertas semillas resistentes a la baja o nula disponibilidad de agua y les permiten seguir siendo viables para germinar muchos años después.
Los resultados fueron publicados por el grupo mexicano, el pasado martes 30 de agosto, en la prestigiada revista científica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), de la Academia de Ciencias de Estados Unidos. La primera autora del reporte es Sandra Isabel González Morales, quien condujo la investigación como parte de una tesis de doctorado, bajo la dirección del doctor Luis Herrera Estrella, ganador del Premio Crónica en 2013 y ganador del Premio Nacional de Ciencias y Artes 2002.
“La tolerancia a la desecación de las semillas es uno de los procesos más fascinantes de las plantas superiores y ha jugado un papel fundamental en la evolución de las plantas terrestres. Esta tolerancia a la desecación permite a las semillas permanecer viables, en estado seco, por años e incluso siglos”, explicó González Morales en su reporte enviado a la revista PNAS. “En gran parte, sigue siendo desconocido cuáles son los factores de transcripción clave que activan los mecanismos para que las semillas de algunas plantas mantengan su integridad celular y de ADN.
Por eso, en este artículo divulgamos la identificación de los factores de transcripción que actúan como nodos principales de las redes transcripcionales que regulan la adquisición de tolerancia a la desecación de algunas semillas. También divulgamos la validación funcional de varios de los principales reguladores de tolerancia a la desecación de la semilla en las plantas”, agregó la principal autora del texto donde se detalla que en su estudio usaron como modelo una planta que se usa para muchos experimentos, la Arabidopsis thaliana.
En el trabajo participaron también los investigadores Ricardo Chávez Montes, Corina Hayano Kanashiro, Gerardo Alejo Jacuinde, Thelma Rico Cambrón y Stefan de Folter. La identificación de genes y factores de transcripción de genes para tolerar la desecación va mucho más allá de ser un alumbramiento de ciencia básica.
Se trata de nuevo conocimiento que puede beneficiar a las agrociencias y a la seguridad alimentaria a nivel mundial. A partir de lo que se logró identificar, ahora se puede indagar si esos genes y redes regulatorias de la tolerancia a la falta de agua en las semillas pueden ser trasladados de una planta a otra con biotecnología o si pueden ser encendidos desde el interior de diferentes plantas de interés agrícola, por medio de una nueva tecnología llamada edición de genes.
“Este es un uso adicional de las técnicas genómicas para entender procesos biológicos y cómo esto puede ser utilizado para hacer mejoramiento genético, utilizando las nuevas estrategias de mejoramiento genético molecular”, explicó el doctor Luis Herrera Estrella, en una presentación de este proyecto en la Academia Mexicana de Ciencias, días antes de la aparición del reporte en la edición impresa del PNAS.
ARQUEOLOGÍA AGRÍCOLA.
Sería difícil pensar que un mexicano común planeara un viaje hacia el Kibbutz Ketura, localizado en el extremo sur de Israel. Además de estar demasiado lejos de los sitios arqueológicos más emblemáticos de ese país y de que apenas fue fundado en 1973, el clima desértico provoca que las temperaturas medias en este Kibbutz rebasen con facilidad los 40 grados centígrados.
Sin embargo, hay algo en el Kibbutz Ketura que no se puede encontrar en ninguna otra parte del mundo: una palmera de dátiles llamada popularmente la Palmera Matusalén, que es única porque nació de una semilla que estuvo almacenada 2 mil años, en el Palacio del Rey Herodes llamado Masada y que se localiza en una montaña fortificada, cerca del Mar Muerto.
Ese sitio arqueológico fue abandonado casi dos milenios hasta que fue vuelto a explorar en los años 60 y se encontraron las semillas, aunque no se sabía sí todavía eran viables, hasta que se sembró en el suelo la que dio vida a la Palmera Matusalén. Hasta antes del experimento ruso que en 2012 hizo germinar en laboratorio semillas de más de 31 mil años, ésta era la germinación de semillas más antiguas que conocía la humanidad, pero todavía es el caso mejor documentado.
En su más reciente conferencia en la Academia Mexicana de Ciencias, como parte del encuentro Ciencia y Humanismo, el doctor Luis Herrera Estrella explicó que casos como el de la Palmera Matusalén, o el de otras plantas germinadas de semillas encontradas en tumbas chinas de más de mil 300 años, son ejemplos de un proceso extraordinario de las plantas: la viabilidad de sus semillas en estado de desecación.
“Esto quiere decir que durante el proceso de formación de la semilla y de desecación de la semilla se establecen toda una serie de mecanismos de protección que permiten que el embrión de la semilla permanezca viable; es decir que las estructuras membranales, las proteínas necesarias, y sobre todo, la integridad del DNA se mantengan durante 2 mil años, sin que se pierda la viabilidad”, explicó el doctor experto en genética y biología molecular de plantas. Aclaró que no todas las semillas antiguas son viables porque la molécula de DNA, que contienen toda la información genética de la planta, se destruye fácilmente cuando hay exceso de agua.
PLANTAS DE RESURRECCIÓN.
Las plantas terrestres se originaron de algas acuáticas que fueron conquistando la tierra seca y se fueron alejando de los cuerpos de agua. Conforme se alejaron del agua, las plantas ancestrales adquirieron la capacidad de tolerar la desecación en tejidos vegetativos. Se alejaban del agua y tenían que adaptarse a periodos cada vez más largos sin agua, así que tuvieron que adquirir la tolerancia a la desecación vegetativa.
Todo esto obligó a establecer muchos cambios de forma, como el desarrollo de raíces cada vez más largas, pero también cambios genéticos que les ayudaran a tolerar la falta de agua. Algunas de las plantas más intrigantes que existen todavía en la actualidad son las llamadas Plantas de resurrección, que son un grupo grande de plantas que pueden disminuir su actividad biológica al mínimo e incluso parecer muertas cuando no tienen agua pero que recuperan sus funciones en cuanto tocan el agua.
Un ejemplo muy conocido de este tipo de plantas es la Rosa de Jericó, siempre viva o flor de piedra, que se vende en algunos mercados de la República. México es centro de origen de muchas de esas plantas. “Son plantas que se pueden secar por varios meses, incluso por un año, y cuando se les pone agua reviven. No es que brote una nueva planta del tejido, sino que la planta que estaba seca revive.
El problema es que éste es un sistema energéticamente muy costoso para las plantas. Entonces, aparentemente, durante la evolución de las plantas, esta función de tolerancia a la desecación se trasladó a las semillas y se hizo más sofisticada. Eso permite que las plantas se puedan mantener viables en estado de semilla, hasta que mejoren las condiciones para que la planta vuelva a crecer”, explicó Luis Herrera Estrella.
A lo largo de la historia de la evolución de las plantas, la tolerancia a soportar la falta de agua se trasladó a las semillas, pero ha regresado varias veces, en varias especies, a la planta adulta. Es por esto que a los científicos del Langebio les interesó cómo es que la tolerancia se traslada a la semilla y a veces a los otros tejidos de la planta.
“Esto nos sugirió que, a pesar de que es un proceso muy complejo, debe estar regulado por un grupo de genes relativamente discreto, que a la hora de prenderse nuevamente en tejidos vegetativos reactiva todo el proceso de tolerancia a la desecación. Por eso la tesis de Sandra fue identificar cuáles son los genes responsables de la tolerancia a la desecación en semillas y si podemos reactivar la tolerancia a la desecación en tejidos vegetativos, para reconstruir un evento que ha ocurrido durante la evolución de las plantas y que tarda mucho tiempo en ocurrir, aunque ha ocurrido repetidamente”, precisó Herrera Estrella.
REDES REGULATORIAS.
Toda la información para que se forme un nuevo ser vivo está en su genoma, que es el conjunto de genes reunido en la molécula de Ácido Desoxirribonucléico (ADN o DNA por sus siglas en inglés). Sin embargo, los genes no se activan o prenden solos automáticamente, necesitas de unas proteínas que los estimulen, las cuales son llamadas “factores de transcripción. Si los genes fueran focos, los factores de transcripción serían los encendedores de esos focos.
El doctor Stephan de Folter, investigador de Langebio y uno de los coautores del estudio sobre tolerancia a la desecación de semillas, explicó en la Academia Mexicana de Ciencias que, en general, las plantas tienen 30 mil genes, y se calcula que existen alrededor de 2 mil factores de transcripción. No hay una relación directa que obligue a que un solo gen se active con un solo factor de transcripción; en realidad son conjuntos de factores que activan a conjuntos de genes.
“¿Cuáles y cuántos son y cómo actúan los factores de transcripción? Es uno de los temas que estudiamos en Langebio. Sabemos que operan como redes y que influyen en muchos procesos de diferenciación”, detalló De Folter en la Conferencia General de la Academia Mexicana de Ciencias, Ciencia y Humanismo. La adquisición de la tolerancia a la desecación en las semillas permitió a las plantas vasculares diseminarse en todos los ecosistemas.
Para la investigación recientemente publicada en la revista PNAS se estudiaron varios mutantes de la planta Arabidopsis thaliana y se identificaron mutantes intolerantes y tolerantes a la desecación, Así fue como se comenzaron a hacer comparaciones y se encontraron los genes y algunos factores de transcripción que hacían diferentes a las tolerantes y a las sensibles a la desecación. “Lo que se nos ocurrió fue que si hacíamos un comparativo transcriptómico y metabolómico entre este tipo de mutantes podríamos entender cuáles son los genes involucrados en el proceso de tolerancia a la desecación y saber cómo se controla este proceso”, dijo Luis Herrera Estrella.
Después de muchas pruebas de biología molecular y también pruebas en plantas reales germinadas en laboratorio, Sandra Isabel González Morales hizo la nueva descripción de los reguladores de tolerancia a la desecación de semillas. “Este trabajo tiene aplicaciones obvias para la agricultura. Vemos que la inducción para que ciertos genes activen todo el proceso de tolerancia a la desecación puede ayudar a las plantas a sobrevivir mejor al estrés por falta de agua. Esto podría ser realizado por medio de edición de genomas, que es una nueva tecnología que esperamos que no sea objetada porque son cosas que ocurren de manera natural dentro de las especies”, concluyó el doctor Herrera Estrella.
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