Creando una semilla más longeva

Artículo realizado por Rubén Mateos, como parte de la evaluación de la asignatura de comunicación científica, perteneciente al máster de biotecnología molecular y celular de plantas.

 

 

Las protagonistas de esta historia son las semillas de una planta que, siendo honestos, no es más que un hierbajo, pero que fascina a la comunidad científica. Esta es Arabidopsis thaliana. Y gusta tanto no precisamente por tener las flores más espléndidas, ni las mayores hojas, ni porque desprenda una atractiva fragancia, sino por razones mucho menos aparentes. Simplemente, las claves de su éxito  radican en que no es nada exigente y se cultiva muy bien en el laboratorio y en invernadero, se le pueden hacer diversas perrerías y el hierbajo sigue vivo, dispone del genoma secuenciado (fue la primera planta en tenerlo, de hecho), y que en unos dos meses tienes semillas, mi preciado sujeto de estudio. ¡Y ya tenemos toda una nueva generación!

Otro aspecto por el que nos gusta tanto Arabidopsis, y que en mi grupo de investigación han sabido aprovechar genial, es la gran variación genética que existe entre las diferentes variedades de Arabidopsis thaliana, por todo el planeta. Los expertos llaman a estas variedades “ecotipos” o “accesiones”.

Variación en las hojas entre algunos ecotipos de Arabidopsis thaliana. Para todos los gustos.

 

Las diferencias entre ellas son abundantes: desde distintos tiempos de floración, forma de las hojas, hasta lo que más me interesa: diferentes longevidades de sus semillas. Porque no todas pueden germinar igual pasados unos meses o unos años. Hay algunas que destacan por ser muy longevas, o justo por todo lo contrario. Ambos casos nos  interesan, porque detrás de todo ello, habrá una serie de genes implicados en dicha regulación de la longevidad. Analizando en conjunto datos de la secuencia genética de todas esas accesiones de Arabidopsis, integrándose con observaciones de cómo se comportan estas semillas y mediante programas estadísticos, se puede llegar a puntos clave en el genoma de Arabidopsis, regiones génicas que parezcan correlacionar con las diferencias en longevidad de estas. Pero aun así, esos “picos” (referencia imagen 3) de importancia estadística no son nada precisos, y apuntan a varios genes candidatos de dicho comportamiento diferencial entre unas accesiones y otras. ¡De ser así, yo ya no tendría nada que hacer!

 

Rodeadas, posiciones del genoma de Arabidopsis que tras el análisis estadístico posiblemente escondan genes implicados en longevidad

 

 

Es ahí donde entra mi labor. En mi Trabajo de Fin de Máster, aunque tampoco aspiro a encontrar el secreto de la eterna juventud en lo referido a semillas (eso es demasiado pedir, hay que ser realistas), sí que trato de descubrir algunos de estos genes que hacen que las semillas duren algo más de tiempo. La tendencia que se va marcando es que suelen tratarse de genes implicados en mecanismos de tolerancia a estrés abiótico, un estrés producido por condiciones ambientales, tales como sequía, calor y sobre todo, daño oxidativo.  Este último estrés, el estrés oxidativo, que está tan de moda en los anuncios de cremas y zumos mágicos, también afecta a las plantas, y en concreto a las semillas. Porque en realidad, cuando la semilla se ve afectada por el paso del tiempo, lo que de verdad la daña son moléculas como los radicales libres que se generan y hacen mella en su cubierta, sus proteínas, su ADN y, en definitiva, en su viabilidad.

Modificando la expresión de dichos genes, unas veces siendo necesaria su sobreexpresión porque parecen ser positivos en la longevidad o por el contrario mediante knock-outs (eliminando su expresión) cuando no interesan, podemos llegar al efecto deseado: semillas más longevas, que duren más meses o incluso más años siendo viables. Entre los genes candidatos, hay muchos implicados en el importante mecanismo antioxidante, tales como los de proantocianidinas, glutatión, y demás, pero también otros tantos genes involucrados en diferentes procesos no tan evidentes, que no dejan de sorprendernos.

Las semillas con genes mejorados, la envidia del resto de mortales tras pasar los años.

En todo caso, para evaluar esa potencial longevidad o falta de ella, antes de poder realizar las oportunas pruebas bioquímicas o de viabilidad, está claro que hay que envejecer esas semillas. Pero de manera rutinaria, ¡vaya aburrimiento si tuviéramos que esperar de verdad todo el tiempo de envejecimiento real de las semillas para poder realizar los ensayos con ellas! A veces se dice que en ciencia nos gusta correr, y nosotros no podíamos ser menos. Por eso, los de mi grupo de investigación son unos expertos en esto de la longevidad de las semillas, y tanto es así que ponen a punto técnicas para envejecerlas de forma acelerada.  De esta manera, son capaces de acortar mucho esa espera y simular el tiempo real, jugando con la temperatura, la humedad y la presión de oxígeno a la que se ven sometidas las preciadas semillas.

Finalmente, y con todo ello, la aplicación de estas investigaciones, si se llegase a genes clave implicados en los mecanismos de longevidad de las semillas y de tolerancia a estrés abiótico, haría, por supuesto, las delicias de los agricultores y empresas de semillas. La idea es que muchos de estos genes tienen homología entre diferentes especies, entre las cuales se encontrarían las de interés agronómico. Pudiendo modificar en concreto esos genes, con tecnologías tales como la célebre CRISPR de edición génica, se conseguirían semillas que aguantasen más tiempo almacenadas, pudiendo luego sembrarse y dar porcentajes de germinación parecidos a los de semillas recién cosechadas. ¿No sería eso interesante?

 

 

 

 



8 Comentarios

  1. Primero felicitaros por vuestro trabajo.

    Tengo tres dudas;

    1. ¿El descubrimiento de un determinado gen relacionado con la longevidad podría ser “trasladado” a alguna especie animal (incluida el hombre)?

    2. ¿Se ha comprobado si hay algún gen que se “repita” en semillas de plantas más longevas y que os de una idea de por dónde tirar?

    3. ¿Las diferencias en longevidad podrían ser debidas no a causas genéticas sino al efecto de la interacción con el ambiente, epigenética por ejemplo?

    Muchas gracias.

    Saludos,

    1. Hola Pablo,
      Muchas gracias. Intentando responder a tus preguntas un poco por orden:
      1. Realizar el salto entre reinos (vegetal a animal) me parece algo pretencioso. Por otro lado, no estoy seguro de que la longevidad sea entendida en los mismos términos, además que en nuestro caso es concretamente referida a la fase de semilla, y no a la planta adulta. Así como algunos genes diría que no presentan siquiera equivalentes similares en animales (como los responsables de sintetizar ciertos componentes de la cubierta de la semilla), es cierto que muy probablemente otros como los relacionados con antioxidantes, que suelen ser candidatos en plantas para longevidad, puedan ser clave en el envejecimiento en animales, como ya se viene suponiendo desde hace muchos años.
      2. Sí sí, eso se ha estudiado, sin embargo las bases de nuestro estudio y que nos indican qué genes mirar son a partir de un gran estudio estadístico de asociación de genoma completo (GWAS en inglés) que compara variaciones en un nucleótido (SNPs) entre diferentes accesiones de Arabidopsis junto con los datos de germinación diferentes entre las accesiones que representan tolerancia o no al estrés. Ello da, por tanto, pistas nuevas que igual basándose en estudios diferentes como los de comparación que comentas, no descubren estos genes.
      3. Por supuesto, las causas epigenéticas juegan un papel importante en la longevidad. Como son bastante más difíciles de estudiar y nos hemos centrado principalmente en las genéticas, intentamos minimizar lo más posible ese efecto de la epigenética reproduciendo siempre las mismas condiciones de siembra y cultivo de las plantas. Cuando vemos por ejemplo que las plantas han sufrido un estrés durante el cultivo, no tenemos en cuenta de la misma manera los resultados, o no utilizamos directamente ese lote de plantas para obtener nuevas semillas de trabajo.

  2. Una pregunta que yo me hago:
    Si se determinase en el plazo de unos pocos años los factores que pueden conseguir una mayor longevidad de las semillas comerciales, ¿se podrían aplicar estas técnicas de modificación genética en las semillas que consumimos? ¿o la legislación impediría la aplicación por un tiempo que yo ahora veo como indeterminado?
    Me da la impresión de que hay un montón de investigación en marcha sobre mejoras genéticas, pero no veo nada claro si dichas mejoras se van a poder implantar en la realidad

    1. Buenas Miguel,
      Pues probablemente no se puedan aplicar en las semillas que consumimos, al menos en el marco de la Unión Europea, modificaciones genéticas en las hipotéticas dianas descubiertas en los próximos años, debido a la ya conocida política hiper restrictiva que mantiene. Esperemos que todo esto cambie mucho y rápido.
      Sin embargo, esos descubrimientos en genes que puedan ser clave sí que se podrían aplicar mediante técnicas mucho más aceptadas hoy día, como puede ser la mejora genética clásica, estudiando especies similares que presenten una forma más interesante del gen e introduciéndolo en la especie deseada mediante cruces sucesivos.

  3. Hola Rubén!
    Interesante post. Como bien dices, una de las maneras de mejorar la longevidad de semillas es una tolerancia al estrés abiótico (ambiental). Así que supongo que para mejorar tus semillas lo que quieres es que se vuelvan más y más insensibles a este tipo de estrés.
    No obstante, en algunas especies este tipo de estrés creo que es necesario. Hay semillas que deben ser estratificadas, vernalizadas o escarificadas para que germinen y/o florezcan no?
    De modo que si las insensibilizas mucho para que sean más tolerantes al estrés, y más longevas, al igual luego no germinan… ¿te habías planteado este tipo de opción? ¿qué harías para evitar algo así?

    También me gustaría saber qué tipo de criterio usáis para hablar de “longevidad de semillas”. Has explicado que en tu grupo usáis métodos para simular y acelerar el envejecimiento jugando con ciertos factores ambientales. Pero a la hora de analizar la tasa de germinación, ¿qué factores ambientales tenéis en cuenta? Me imagino que no es lo mismo sembrar in vitro (a diferentes concentraciones de agar o de sacarosa en el medio), que en un maceta con sustrato, diferentes condiciones de luz, humedad… quiero decir, existen muchas variables ambientales, y cada una puede afectar de modo distinto la activación de uno y otro gen de longevidad.
    ¿Cómo las priorizas?

    Un saludo!

    1. Buenas Seu,
      En primer lugar, gracias por las interesantes preguntas.
      Efectivamente, dependiendo de la especie, en algunos casos es preciso dicho estrés abiótico hasta cierto punto para poder hacer germinar las semillas o incluso posteriormente en la floración. En mi caso de estudio, Arabidopsis thaliana, y concretamente la accesión Columbia, no utilizamos más que una estratificación estándar a 4 grados en nevera un par de días posterior a la esterilización y previa a la siembra para la correcta germinación. Al no utilizar un modelo vegetal que necesite de un verdadero tratamiento de estrés para germinación y/o floración, puede que como dices, en caso de descubrir genes que mejoren la respuesta al estrés, estemos actuando de manera contraproducente en la mejora de esa tolerancia al estrés, que pueda ser necesario sufrir. Sin embargo, en mi opinión, creo que lo propio para ver los verdaderos efectos de los descubrimientos es probarlo primero en plantas como esa accesión Columbia que comento, donde no interfiere a la hora de sacar conclusiones esa necesidad (que en este caso apenas existe) de sufrir estrés abiótico para el correcto ciclo. Por otro lado, se me ocurre que posteriormente, si algún gen resultara de verdadero interés en tolerancia a estrés abiótico y buen candidato a modificar, se podría probar modificarlo en alguna planta de interés agronómico que sí requiera pasar por estrés abiótico, y comprobar si en dicho caso la tolerancia es negativa o sigue resultando positiva como en el modelo.
      Se me ocurre también que tiene pinta que dependerá mucho de cada caso, cada gen. Lo mismo uno que actúe en formación de capas de protección de la semilla como la suberina es positivo o negativo según si no requiere o sí vernalización, pero otros que actúen a nivel más general de antioxidantes por ejemplo sean siempre positivos…

      Por otro lado, los tratamientos que utilizamos para simular y recrear un envejecimiento acelerado son principalmente el tratamiento a 5 bares de sobrepresión de oxígeno y otro de 37 grados y con 75% de humedad relativa. Intentamos, sin embargo, que los factores ambientales sean los mismos (mismas cámaras de iluminación, con mismas temperaturas y horas de luz siempre) y sin estrés ambiental. También utilizamos siempre un mismo medio de siembra y germinación (efectivamente in vitro), los estándar utilizados en estudios previos publicados que evalúan tasas de germinación. Así podemos hablar todos el mismo idioma, y comparar los resultados de manera más eficiente pero, efectivamente, obtendríamos resultados diferentes en tierra, en invernadero…
      Espero haberte contestado a todo de manera clara.

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Por J. M. Mulet
Publicado el ⌚ 17 julio, 2018
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