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Botánica

Un nuevo modelo

Tomateros mutantes ayudan a develar genes y hormonas que regulan la vida de las plantas

Los tomates que se ven en aquí corresponden a la imagen popular de un mutante: de mínima son raros. Una alteración genética espontánea transformó los estambres que caen cuando la flor se seca en órganos reproductivos femeninos, la parte que da origen al fruto. El resultado de ello son tomates múltiples, como gemelos siameses. Generalmente invisible a los ojos legos, la mayor parte de las mutaciones no escapa a los expertos, que descubrieron en los mutantes una herramienta para entender la intimidad de las plantas, en sus genes y hormonas. Sólo entendemos realmente la función de un gen si conocemos sus variaciones, comenta Lázaro Peres, agrónomo de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) de la Universidad de São Paulo (USP), en Piracicaba.

Para entender como los genes y las hormonas regulan las plantas, el investigador adoptó una variedad de tomate en miniatura, conocida como Micro-Tom. São plantas pequeñas y con ciclo de vida rápido. En un invernadero él mantiene alrededor de 3 mil tomateros, que con solamente 8 centímetros de altura y 70 días de edad están cargados de frutos y acumulan mutaciones para todos los gustos. Con la ayuda de esos mutantes, el grupo de la Esalq ha conseguido profundizar en el conocimiento sobre como las plantas resisten la sequía, perciben luz y desarrollan frutos con pulpa más concentrada.

En el 2006 Peres descubrió un gen que regula la eficiencia en el uso de agua por la planta, que bautizo de Well. Significa pozo en ingles, pero es también el nombre dado a cada hueco de la bandeja donde cultiva sus tomateros; y es una sigla, que traducida significa loco de economía de agua en Lycopersicon. La mutación del gen Well es una variación genética natural que controla la diferenciación celular y permite sobrevivir en condiciones áridas. Ella define, por ejemplo, la proporción de células que darán origen  a estomas, los poros de respiración y transpiración localizados en la superficie de las hojas. Además de afectar el número de estomas, la mutación Well produce estructuras anatómicas que permiten que la planta realice más fotosíntesis con menos agua. El proyecto continua en las manos del cursante de post-doctorado Ricardo Fornazier, que está haciendo mediciones para llenar los detalles de como funciona ese proceso, útil para reducir el volumen de agua necesario en el cultivo no sólo de tomates, sino también de la agricultura como un todo.

Además de las mutaciones, una fuente importante de variación genética son las especies emparentadas. El equipo de la Esalq fue a buscar esas variaciones en Lycopersicon hirsutum, un pariente próximo del tomate doméstico (L. esculentum). Sus hojas y frutos peludos (hirsutos, como dice el nombre científico) permiten resistir a insectos, además de la planta ser podada por el frío de la cordillera de los Andes, donde crece naturalmente. Con cruzamientos entre las dos especies, técnica usada desde que el hombre es agricultor, Peres obtuvo micro tomateros resistentes al frío. Estamos interesados en estudiar variaciones genéticas silvestres, pues ellas surgieron como respuesta a la selección natural, explica. El suceso de Micro-Tom como modelo vegetal pone al agrónomo de la Esalq en posición de realce: En ninguno lugar del mundo existe una colección de mutantes como la que tenemos. Pero los genes no bastan para entender la fisiología de las plantas. Peres explica que los responsables por moldear buena parte de las características y de las funciones vitales son las hormonas, que hasta recientemente eran muy poco conocidas hasta que los investigadores comenzaron a usar mutantes. Para estudiar las hormonas vegetales, él crea tomateros con mutaciones que los convierten insensibles a la acción de esas sustancias.

Además de los genes
Algunos de los mutantes de la Esalq ayudan a entender como las plantas perciben la luz. Cuando hay sol, es necesario avisar al organismo que es hora de producir clorofila para la fotosíntesis, el proceso que usa la luz solar para convertir el gas carbónico en azúcares, la reserva de energía de las plantas. Los responsables por esa visión vegetal son pigmentos llamados fitocromos. Un mutante con deficiencia de fitocromo recibe mal la luz, y aunque que este en pleno sol queda amarillento y con ramas largas, como si le faltase luminosidad. El alumno de doctorado Rogério Carvalho consiguió generar mutantes duplos, que combinan la mutación del fitocromo con otras que convierten a la planta insensible a  hormonas específicas, para investigar cuales de ellas el fitocromo usa para modular la respuesta de la planta a la luz. Descubrir que una alta respuesta a la luz envuelve una concentración baja de giberelina y alta de citocinina. Peres explica que el descubrimiento tiene aplicación directa, pues el nivel de esas hormonas puede ser manipulado adicionando sustancias químicas a la planta.

Las hormonas son también usadas en la producción de mudas a partir de estacas. Para cada especie los cultivadores aplican las hormonas auxina y citocinina, por intento y error, hasta llegar a una combinación que induzca un pedazo de la planta a producir raíces y tallos. Para convertir ese proceso menos empírico, el investigador busca entender como funciona la competencia de las plantas, que es la capacidad de las células de dar origen a cualquier tipo de tejido. Al contrario de las células madre animales, que concentran su versatilidad en la fase embrionaria, las plantas necesitan células competentes durante toda  su vida  para en cualquier momento producir raíces, hojas, frutos, flores y tallo.

En el laboratorio de la Esalq, los estudiantes alinean pedacitos de hojas en placas con una gelatina nutritiva: de aquellas retiradas de los mutantes para el gen Rg1, nombre derivado de regeneración, en dos días brotan raíces del borde de fragmento de hoja. El gen Rg1 fue descubierto en un pariente silvestre del tomatero por un investigador holandés, que distribuyó semillas por todo el mundo. Peres transfirió el gen para Micro-Tom para producir y estudiar dubles-mutantes. Así, él y su alumna de doctorado Simone Lombardi verificaron que el gen de la competencia actúa en consonancia con las hormonas auxina y giberelina. Una proporción más baja de giberelina aumenta la competencia de la planta  que en medio del cultivo en laboratorio producirá más tallos a partir de los pedazos de hoja. Además de facilitar la producción de mudas para uso agrícola, entender esos procesos abre caminos para generar plantas transgénicas en gran escala.

La relación entre competencia y desarrollo es íntima y se manifiesta en diversas situaciones de la vida de la planta. Las células de las hojas acostumbran ser poco competentes: una hoja es un callejón sin salida, nada brotará de allí. La punta de las ramas, al contrario, tiene células responsables por el crecimiento de la planta y de la producción continua de hojas, frutos, ramas y flores. En plantas de competencia aumentada las células de las hojas tienen mayor propensión a dar origen a otras estructuras. Por eso se desarrollan más lentas y generan bordes serrillados, recortados o hasta subdivididos en folíolos, en un crecimiento que corresponde al grado de competencia. Una hoja compuesta está a un paso de convertirse en un tallo con crecimiento abierto, explica Peres, en contraposición al crecimiento cerrado tal  callejón sin salida que caracteriza las hojas.

Para todos
La colección de tomateros mutantes permite que se investiguen los misterios de las plantas hasta entonces inaccesibles. Pero Peres no tiene la intención de monopolizar el tomatal: él está a la disposición de otros investigadores y perfeccionistas aquellos que buscan mejorar las propiedades de las plantas con valor comercial.

Uno de los genes encontrados en la Esalq induce a la planta a producir frutos más carnosos un parámetro conocido como grado brix, que mide la proporción de sólidos solubles (ácidos orgánicos y azúcares) en la pulpa. El grado brix de un tomatero normal no pasa de 5, pero el grupo de la Esalq consiguió generar un mutante con brix 10, un resultado sin precedentes. Además de tener uso directo para mejorías, el resultado demuestra el valor del tomatero como modelo vegetal. El mismo gen puede afectar el brix en otras especies con frutos carnosos, como la naranja y el café. La planta Arabidopsis, modelo más usado para estudios en botánica, tienen frutos secos y por eso lo que se ve en ella no se aplica a las especies con frutos de importancia económica.

Peres usa sus mutantes también como material didáctico. En clases prácticas de cursos universitarios de fisiología vegetal, los estudiantes son orientados a aplicar hormonas en plantas para ver cuales son las alteraciones causadas. Como las hormonas son muy caras, explica el investigador, cultivar plantas mutantes para determinadas hormonas sale mucho más barato. En una asignatura de graduación en el curso de biología de la Esalq, él dio a los alumnos semillas de tomateros mutantes. Cada grupo recibió un tipo diferente, no identificado. A lo largo del curso ellos plantaron las semillas y acompañaron el crecimiento de las plantas. Al reunir el conocimiento adquirido en las clases teóricas a las propias observaciones, hasta el fin del semestre los estudiantes debían descubrir cual función había sido la afectada por la alteración genética. Tuvo mucho éxito, fue un ejercicio estimulante que involucró a los alumnos,  conmemora el profesor.

El tomatero recorrió un camino aventurero desde su origen en los Andes hasta el Micro-Tom de las aulas en Piracicaba. Fue domesticado por los aztecas, que vivieron entre los siglos XIV y XVI en lo que ahora es México, donde los tomateros no nacían espontáneamente. Al colonizar el imperio azteca, los españoles llevaron las plantas de frutos rojos para  Europa como ornamentales, por miedo que fuesen tóxicas. Fueron los italianos los que no resistieron a la apariencia apetitosa, incorporaron el tomate en su culinaria y desarrollaron variedades mejoradas que después se esparcieron por el mundo. Hoy él es un modelo prometedor que abrió rutas de investigación que deben ayudar a desvelar el funcionamiento genético y hormonal de varias especies con valor económico, y quien sabe de las plantas en general.

El Proyecto
Bases genéticas y bioquímicas de la competencia utilizando un micro tomatero como modelo
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación – Joven Investigador
Coordinador
Lázaro Eustáquio Pereira Peres – Esalq/USP
Inversión
224.126,65 reales (FAPESP)

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