Clonación de una proteína del trigo aumenta el peso de los granos y el rendimiento de este cereal

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) proyecta que la población mundial aumente en 2.000 millones de personas para 2050. Este fenómeno demográfico sumado al cambio climático trae consigo importantes desafíos, entre ellos el incremento en la producción de alimentos en un 50%.

En este escenario todo avance e investigación ligada al trigo, el cereal más cultivado y consumido a nivel global, es de gran relevancia. Proporciona el 20% de todas las calorías y proteínas humanas, y en Chile, según datos de Odepa, su demanda es de aproximadamente 2 millones de toneladas por año, demanda que sólo es satisfecha con la importación de alrededor del 43,8% de este grano.

Desde hace varios años que el doctor Daniel Calderini, académico titular del Instituto de Producción y Sanidad Vegetal (IPSV) de la Universidad Austral de Chile, junto a un equipo de investigadores, ha estado trabajando para lograr cambios importantes en el potencial de rendimiento genético de este cereal y así garantizar la seguridad alimentaria.

Estos esfuerzos, hasta ahora, se habían visto frustrados por una aparente compensación entre el tamaño y el número de granos. Situación que en la actualidad cambió, ya que gracias a la clonación y expresión de una proteína y un gen promotor de crecimiento se logró el aumento de hasta un 12% en el peso de los granos y, con ello, un 11% en el rendimiento en el cultivo.

Para lograr este objetivo se trabajo en un proceso de cisgenia, donde se clonó y expresó a la proteína expansina TaExpA6 y al gen promotor de crecimiento TaPinb-promoter. Los resultados fueron obtenidos tras realizar evaluaciones de campo en Valdivia, donde se sembraron líneas de trigo transformadas en una densidad de 300 plantas por metro cuadrado con manejo óptimo de cultivo.

“La sociedad global enfrenta el desafío de incrementar la producción de alimentos y, de entre los cultivos, el trigo es uno de los más importantes. En este caso nosotros encontramos una proteína, una expansina que se expresa normalmente en las raíces del trigo. Mediante clonación nos permitió que esta se exprese también en granos en crecimiento, con lo cual aumentó el peso de granos sin consecuencias negativas sobre el número de los granos”, sostiene el investigador.

Este logro -comenta Calderini- permitiría aumentar la producción de trigo y de otros cultivos. Las expectativas con respecto a lo que se puede conseguir tras este gran avance son altas. “Todavía falta dar más pasos para concretar esto a nivel productivo, pero creo que vamos en un buen camino en ese sentido”, dice.

Es esta, la primera vez que se logra incrementar el peso de grano sin un efecto negativo sobre el número de granos en trigo. En este caso -precisa el investigador- se pudo evitar el trade-off (compensación) entre los dos componentes principales del rendimiento: el número y peso de los granos; lo que resultó en un aumento del rendimiento en condiciones de campo y con manejo agronómico.

“Este trabajo demuestra la importancia de las expansinas para el crecimiento, no sólo del trigo sino en otros cultivos de grano donde la compensación entre el peso y el número de los granos es un impedimento para aumentar el rendimiento. La agricultura enfrenta varios desafíos, entre ellos, la seguridad alimentaria en un contexto de aumento poblacional y cambio climático. Creemos que se abre una oportunidad promisoria para enfrentar esos desafíos”, explica.

Alcance global

Recientemente se dio a conocer los detalles de este trabajo de ingeniería genética (que nació gracias a un proyecto Fondecyt) en la prestigiosa revista científica New Phytologist, en el artículo “Overcoming the trade-off between grain weight and number in wheat by the ectopic expression of expansin in developing seeds leads to increased yield potential” (Superar la compensación entre el peso y número de granos en trigo mediante la expresión ectópica de una expansina en granos conduce al incremento del rendimiento potencial).

Los resultados expuestos en esta publicación son el fruto de varias investigaciones realizadas colaborativamente a lo largo de muchos años. Calderini destaca que ya están en conversaciones con una empresa internacional para el desarrollo de esta estrategia de mejoramiento en trigo con la posibilidad de iniciarla en otros cultivos.

El Dr. Matthew Reynolds del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) parte importante de esta investigación sostiene que “los fitomejoradores se han sentido frustrados durante décadas porque cuando obtienen granos más grandes, la cantidad de granos disminuye y viceversa. Este aparente equilibrio irreversible entre el tamaño del grano y el número de granos se consideró un cuello de botella para romper las barreras de rendimiento. Esta investigación muestra por primera vez un camino a seguir, para aumentar el potencial de rendimiento para el trigo y otros cultivos”.

Por su parte la Dra. Francisca Castillo, investigadora postdoctoral de la Facultad de Ciencias (UACh), e integrante del Instituto Milenio de Biología Integrativa iBio, expresó que “los resultados obtenidos constituyen información útil para asistir programas de mejoramiento genético de trigo y otros cultivos de grano, a través, de la biotecnología aplicada, que permitirá traducir este conocimiento en el desarrollo de estrategias para implementar estos genes en variedades comerciales, con mayor producción por unidad de superficie para hacer frente a uno de los mayores desafíos globales en seguridad alimentaria”.

TRABAJO COLABORATIVO

Es necesario destacar que este trabajo es el fruto de una vinculación con el profesorSimon McQueen-Mason de la Universidad de York (Inglaterra), iniciada en 2004 a través de un proyecto Fondecyt y continuada con otros proyectos posteriores. El McQueen-Mason, junto al Cosgrove (Universidad de Pensilvania) descubrió las expansinas en 1992.

“Con Simon, logramos en 2015 que un organismo de Inglaterra (NIAB www.niab.com) aceptara una propuesta de nuestra parte para transformar trigo con el objetivo que una expansina del mismo cultivo fuera expresada en granos en crecimiento mediante una construcción genética que elaboramos con Francisca Castillo (UACh) y Leonardo Gómez (Universidad de York)”, indicó Calderini.

Recalcó que los resultados obtenidos en experimentos de campo son el producto de un largo camino recorrido entre los dos grupos de investigación y a los que se sumaron una postdoc molecular (Anita Arenas, UACh), fisiólogos de CIMMYT (Matthew Reynolds y Gemma Molero), biólogos moleculares de NIAB (Emma Wallignton, Melanie Craze, Sarah Bowden y Matthew Milner) y un especialista en proteómica de York (Adam Dowle).