Científicos desarrollan una plataforma rápida y escalable para la evolución dirigida en plantas

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La evolución dirigida es una técnica de laboratorio que imita la selección natural y permite a los científicos desarrollar genes y las proteínas que estos codifican. Tradicionalmente, esta técnica se ha utilizado en microbios, células de mamíferos o en tubos de ensayo.

Representación gráfica de la plataforma GRAPE y sus aplicaciones. Crédito de la imagen: GAO Caixia.

Ahora, investigadores dirigidos por el Profesor GAO Caixia del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo (IGDB) de la Academia China de Ciencias (ACC), y el Profesor QIU Jinlong del Instituto de Microbiología de la ACC han desarrollado un nuevo sistema que permite la evolución dirigida, rápida y escalable de diversos genes directamente en las células vegetales.

GRAPE
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Esta nueva plataforma, llamada Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution (GRAPE), fue dada a conocer ayer en la revista Science.

La producción agrícola moderna -señaló la Academia de Ciencias de China- requiere abundantes recursos genéticos. La evolución dirigida puede generar rápidamente variantes genéticas con propiedades nuevas y mejoradas. Sin embargo, se carece de plataformas eficientes para llevar a cabo dicha evolución directamente en las células vegetales. Un desafío clave es la lenta tasa de división celular en las plantas, que limita la velocidad de los ciclos de selección y el enriquecimiento de variantes funcionales.

Para abordar este problema, los investigadores emplearon geminivirus, virus de ADN vegetal que replican rápidamente el ADN en las células vegetales mediante la replicación por círculo rodante (RCR), una forma rápida de copiar ADN circular. Específicamente, vincularon la replicación de replicones artificiales de geminivirus (ADN circular capaz de replicarse mediante RCR) con funciones específicas de variantes genéticas en las células vegetales. Las variantes que poseían una función específica inducían la replicación del replicón, creando más copias de ADN y, por lo tanto, amplificando selectivamente tales variantes.

Cuatro días
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Basándose en este enfoque, los investigadores desarrollaron GRAPE. En esta plataforma, primero se mutagenizaron genes de interés (GOI) in vitro y las variantes resultantes se insertaron en replicones artificiales de geminivirus. Estas bibliotecas de replicones se introdujeron en las hojas de Nicotiana benthamiana, donde la actividad génica deseada se vinculó con la replicación viral. Las variantes que promovían la replicación se enriquecieron, mientras que las que la inhibían se eliminaron. Un ciclo de selección completo se pudo completar en una sola hoja en cuatro días.

Utilizando GRAPE, los investigadores desarrollaron el receptor inmunitario NRC3, con dominio de unión a nucleótidos y que contiene repeticiones ricas en leucina (NLR), para evadir la inhibición del efector de nematodos SPRYSEC15, manteniendo al mismo tiempo su actividad inmunitaria. La evolución iterativa del receptor inmunitario NLR del arroz, Pikm-1, generó variantes que responden a seis alelos del efector AVR-Pik de Magnaporthe oryzae, ampliando significativamente su rango de reconocimiento. Esta estrategia permite el desarrollo de valiosos recursos genéticos para el mejoramiento de cultivos resistentes a enfermedades.

En comparación con los sistemas microbianos anteriores, GRAPE ofrece ventajas distintivas: destaca en el desarrollo de GOI responsables de fenotipos específicos de plantas (como la resistencia a enfermedades) o que requieren regulación específica de cada planta. Además, actúa directamente dentro de las células vegetales, eliminando la necesidad de reoptimización. GRAPE puede desarrollar potencialmente cualquier gen funcionalmente acoplado a RCR. Más allá de la biología vegetal, GRAPE también ofrece aplicaciones más amplias, como el desarrollo de proteasas para escindir dianas específicas para la investigación vegetal y farmacéutica.

GRAPE -señaló el estudio realizado por científicos de la Academia de Ciencias de China, proporciona una plataforma rápida, eficiente y versátil que puede acelerar la biología sintética de plantas y el mejoramiento molecular, abriendo nuevas vías para la ingeniería de cultivos y mejorando la sostenibilidad de la agricultura.

Cita
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El artículo Engineered geminivirus replicons enable rapid in planta directed evolution (Los replicones de geminivirus diseñados permiten una rápida evolución dirigida in planta) fue publicado en la revista Science. Autores: Haocheng Zhu, Xu Qin, Leyan Wei, Dandan Jiang, Qiao Zhang, Wenqian Wang, Ronghong Liang, Rui Zhang, Kang Zhang, Guanwen Liu, Kevin Tianmeng Zhao, Kunling Chen, Jin-Long Qiu & Caixia Gao.

Financiación
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National Natural Science Foundation of China (32388201 to C.G., 32250012 and 32230088 to J.-L.Q.); Beijing Rural Revitalization Agricultural Science and Technology Project (NY2401010024 to C.G., J.-L.Q., and G.L.); Biological Breeding-National Science and Technology Major Project (2023ZD04073 to J.-L.Q.); National Key R&D Program of China (2022YFF1002800 to C.G. and J.-L.Q., 2023YFF1001600 to K.C., and 2024YFA0917303 to R.L.); New Cornerstone Science Foundation.