El descubrimiento del mejoramiento vegetal podría allanar el camino para nuevas especies de cultivos

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Investigadores de UMass Amherst son parte integral del equipo internacional que identificó una señal de polen específica de la familia del repollo que rige el reconocimiento de especies.

Alice Cheung, profesora distinguida de bioquímica y biología molecular de UMass Amherst. Crédito de la imagen: UMass Amherst

Uno de los grandes misterios de la biología vegetal es cómo, dadas las nubes de polen liberadas por docenas de especies de plantas al unísono, una planta individual puede reconocer qué granos de polen de una especie particular inducirán la fertilidad y cuáles rechazar. Ahora estamos un paso más cerca de resolver el misterio gracias a una investigación publicada recientemente en Science por un equipo internacional de la Universidad de Massachusetts Amherst y la Universidad Agrícola de Shandong (China).

Muchas plantas con flores han desarrollado lo que se conoce como “autoincompatibilidad”, o la incapacidad de aparearse consigo mismas y con parientes cercanos. De esta manera, una planta puede evitar los problemas de la endogamia. Pero ¿qué ocurre con el polen de especies más distantes, pero de la misma familia?

Alice Cheung, profesora distinguida de Bioquímica y Biología Molecular de UMass Amherst y una de las autoras principales del artículo y miembro clave del equipo que utilizó la familia de plantas Brassicaceae (que incluye coles, brócoli, col rizada, nabos, el cultivo oleaginoso canola y otras verduras comunes) para estudiar el mecanismo poco comprendido de “incompatibilidad interespecífica” o ISI (por las siglas del término en inglés: interspecific incompatibility), que es lo que impide que el polen del brócoli fertilice la col rizada y produzca una especie híbrida: kale-occoli. El asunto es que la gestación entre parientes distantes para generar nuevas especies con características mejoradas o más amplias es beneficiosa para los cultivos agrícolas y, por ende, para la seguridad alimentaria.

Lamentablemente, el funcionamiento molecular de la incompatibilidad interespecífica sigue siendo “una caja negra en comparación con lo que sabemos sobre los sistemas de autoincompatibilidad y sus mecanismos”, afirmó Cheung.

Cheung y sus colegas han hecho grandes avances en la comprensión de cómo funciona la II -por incompatbilidad interespecífica- en el estudio actual e incluso han introducido una estrategia para cruzar especies distantemente relacionadas dentro de las Brassicaceae.

El avance del equipo de investigadores se centra en cómo se comunican las plantas de diferentes especies durante el proceso de polinización, ya sea aceptando o rechazando los granos de polen. Una proteína llamada SRK, la proteína clave que controla la autoincompatibilidad en el estigma de Brassica (la punta del pistilo que constituye la superficie de recepción del polen del órgano reproductor femenino) reconoce una señal química específica, llamada SIPS, en el polen de una especie diferente de Brassica, como la Brassica Arabidopsis, que desea rechazar. Pero esto es sólo la mitad de la historia.

El par SIPS-SRK recluta entonces otra enzima, FERONIA, en cuyo estudio tanto Cheung como el coautor principal Qiaohong Duan, de la Universidad Agrícola de Shandong, tienen una larga trayectoria. La interacción FERONIA/SIPS-SRK crea una sustancia química altamente reactiva conocida como ROS, que básicamente impide que el polen entre en el pistilo. Además, Cheung y sus colegas sugieren una estrategia de reproducción para superar la incompatibilidad del polen de Brassicae, lo que podría acelerar el éxito de los cruces entre especies lejanamente relacionadas de la misma familia.

Cita
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El estudio Pan-family pollen signals control an interspecific stigma barrier across Brassicaceae species (Las señales de polen de toda la familia controlan una barrera de estigma interespecífica en las especies de Brassicaceae) fue publicado en la revista Science. Autores: Yunyun Cao, Xiaoshuang Cui, [Yinqing Yang] ( https://orcid.org/0009-0001-0446-8415), Lianhui Pan, Fei Yang, Shuyan Li, Dandan Wu, Yuelan Ding, Rui Chen, Nan Wang, Shangjia Liu, Zhaojing Ji, Yuxuan Zhao, Yue Chen, Rui Sun, Shiyu Xian, Lin Yang, Jiyun Hui, Ru Li, Tong Zhang, Shengwei Dou, [Gengxing Song] ( https://orcid.org/0009-0007-2390-8416), Xiaochun Wei, Yuxiang Yuan, XiaoWei Zhang, Mingming Chen, Xihai Sun, Hen-Ming Wu, Alice Y. Cheung, y Qiaohong Duan.

Agradecimientos
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Agradecemos -señalaron los investigadores- la plataforma de instrumentos, la plataforma de supercomputación y la plataforma de invernadero de la Universidad Agrícola de Shandong. Agradecemos al laboratorio de Zhilong Bao (Universidad Agrícola de Shandong) su apoyo en la transformación de S. lycopersicum.

Financiación
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El trabajo del laboratorio de Duan recibió subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias de China (32530096 a Q.Duan., U24A20418 a Q.Duan.), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Tecnología Clave de China (2023YFD1200101), Shandong Hualiang Seeds Co., Ltd (Q.Duan.) y la Universidad Agrícola de Shandong. El trabajo del laboratorio de Cheung-Wu recibió el apoyo de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) (R01GM147548 a A.Y.C.), la NSF/IOS (2101467 a H.M.W. y A.Y.C.), la NIFA/USDA y el Centro para la Agricultura, la Alimentación y el Medio Ambiente de la Universidad de Massachusetts (MAS00525 a A.Y.C.). El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de estas agencias estadounidenses. El trabajo del laboratorio de Yuan fue apoyado por Zhongyuan Sci-Tech Innovation Leading Talents (subvención n.° 244200510041 a Y. Yuan).