La investigación alcanza a la planta de más rápido crecimiento del mundo

La investigación alcanza a la planta de más rápido crecimiento del mundo

Los investigadores de Salk descubren que la planta acuática en miniatura proporciona información sobre los principios de diseño del genoma que podrían permitir el desarrollo de cultivos de próxima generación.

LA JOLLA-wolffia, también conocida como lenteja de agua, es la planta de más rápido crecimiento conocida, pero la genética que subyace al éxito de esta pequeña y extraña planta ha sido durante mucho tiempo un misterio para los científicos. Ahora, gracias a los avances en la secuenciación del genoma, los investigadores están aprendiendo qué hace que esta planta sea única y, en el proceso, descubriendo algunos principios fundamentales de la biología y el crecimiento de las plantas.

Un esfuerzo de múltiples investigadores dirigido por científicos del Instituto Salk informa nuevos hallazgos sobre el genoma de la planta que explican cómo es capaz de crecer tan rápido. La investigación, publicada en la edición de febrero de 2021 de Investigación del genoma, ayudará a los científicos a comprender cómo las plantas hacen concesiones entre el crecimiento y otras funciones, como echar raíces y defenderse de las plagas. Esta investigación tiene implicaciones para diseñar plantas completamente nuevas que estén optimizadas para funciones específicas, como un mayor almacenamiento de carbono para ayudar a abordar el cambio climático.

“Se han logrado muchos avances en la ciencia gracias a organismos que son realmente simples, como la levadura, las bacterias y los gusanos”, dice Todd Michael, primer autor del artículo y profesor de investigación en el Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas de Salk. “La idea aquí es que podemos usar una planta absolutamente mínima como wolffia para comprender el funcionamiento fundamental de lo que hace que una planta sea una planta”.

wolffia, que se encuentra creciendo en agua dulce en todos los continentes excepto en la Antártida, se ve como pequeñas semillas verdes flotantes, con cada planta del tamaño de una cabeza de alfiler. No tiene raíces y solo una única estructura de hoja de tallo fusionada llamada fronda. Se reproduce de manera similar a la levadura, cuando una planta hija brota de la madre. Con un tiempo de duplicación de tan solo un día, algunos expertos creen wolffia podría convertirse en una importante fuente de proteínas para alimentar a la creciente población de la Tierra. (Ya se come en partes del sudeste asiático, donde se conoce como khai-nam, que se traduce como "huevos de agua").

Para entender qué adaptaciones en wolffiaPara explicar el genoma de su rápido crecimiento, los investigadores cultivaron las plantas bajo ciclos de luz/oscuridad, luego las analizaron para determinar qué genes estaban activos en diferentes momentos del día. (El crecimiento de la mayoría de las plantas está regulado por el ciclo de luz y oscuridad, y la mayor parte del crecimiento tiene lugar por la mañana).

"Asombrosamente, wolffia solo tiene la mitad de genes que están regulados por ciclos de luz/oscuridad en comparación con otras plantas”, dice Michael. “Creemos que es por eso que crece tan rápido. No tiene las regulaciones que limitan cuándo puede crecer”.

Los investigadores también encontraron que los genes asociados con otros elementos importantes del comportamiento de las plantas, como los mecanismos de defensa y el crecimiento de las raíces, no están presentes. “Esta planta se ha deshecho de la mayoría de los genes que no necesita”, añade Michael. “Parece haber evolucionado para centrarse solo en un crecimiento rápido y descontrolado”.

“Datos sobre la wolffia El genoma puede proporcionar información importante sobre la interacción entre cómo las plantas desarrollan su plan corporal y cómo crecen”, dice el investigador y profesor del HHMI José Ecker, quien también es director del Laboratorio de Análisis Genómico de Salk y coautor del artículo. "Esta planta promete convertirse en un nuevo modelo de laboratorio para estudiar las características centrales del comportamiento de las plantas, incluida la forma en que los genes contribuyen a diferentes actividades biológicas".

Uno de los enfoques del laboratorio de Michael es aprender cómo desarrollar nuevas plantas desde cero, de modo que puedan optimizarse para ciertos comportamientos. El estudio actual amplía el conocimiento de la biología vegetal básica y ofrece el potencial para mejorar los cultivos y la agricultura. Al hacer que las plantas sean más capaces de almacenar carbono de la atmósfera en sus raíces, un enfoque promovido por Salk's Iniciativa de aprovechamiento de plantas, los científicos pueden optimizar las plantas para ayudar a abordar la amenaza del cambio climático.

Michael planea seguir estudiando. wolffia para obtener más información sobre la arquitectura genómica del desarrollo de las plantas mediante el uso de esta planta simplificada para comprender las redes que controlan el destino.

Otros autores del estudio fueron Nolan Hartwick, Florian Jupe y Justin P. Sandoval de Salk; Evan Ernst y Robert A. Martienssen del Laboratorio Cold Spring Harbor; Philomena Chu, Sarah Gilbert y Eric Lam de Rutgers, la Universidad Estatal de Nueva Jersey; Douglas Bryant y Todd C. Mockler del Centro de Ciencias Vegetales Donald Danforth; Stefan Ortleb, Joerg Fuchs y Ljudmylla Borisjuk del Instituto Leibniz de Genética Vegetal e Investigación de Plantas de Cultivo en Alemania; Erin L. Baggs y Ksenia V. Krasileva de la Universidad de California, Berkeley; K. Sowjanya Sree de la Universidad Central de Kerala, en India; y Klaus J. Appenroth de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, en Alemania.

Este trabajo fue financiado por el programa de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía de los EE. UU., Oficina de Ciencias. También fue apoyado por una subvención del proyecto Hatch de la Estación Experimental Agrícola de Nueva Jersey en la Universidad de Rutgers y el Instituto Médico Howard Hughes.

DOI: 10.1101 / gr.266429.120