Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte demuestran que un gen importante del maíz, llamado HPC1, modula ciertos procesos químicos que contribuyen a la floración y tiene su origen en el teosinte mexicano, precursor del maíz moderno que crece silvestre en las tierras altas de México.
por Mick Kulikowski, Universidad Estatal de Carolina del Norte
Los hallazgos brindan información sobre la evolución de las plantas y la selección de rasgos, y podrían tener implicaciones para la adaptación del maíz y otros cultivos a las bajas temperaturas.
«Nos interesa comprender cómo la variación natural de los lípidos influye en el crecimiento y desarrollo de las plantas, y cómo estos compuestos pueden ayudarlas a adaptarse a su entorno inmediato», afirmó Rubén Rellán-Álvarez, profesor adjunto de bioquímica estructural y molecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y autor correspondiente de un artículo que describe la investigación. «En concreto, queríamos profundizar en la variación de los lípidos, llamados fosfolípidos, compuestos de fósforo y ácidos grasos, y su papel en la adaptación al frío y a la escasez de fósforo, así como en la regulación de procesos importantes para la salud y el rendimiento de las plantas, como la floración».
El maíz cultivado a mayor altitud, como en las tierras altas de México, requiere condiciones especiales para su correcto desarrollo. Las temperaturas más frías en estas regiones montañosas lo ponen en ligera desventaja en comparación con el maíz cultivado a menor altitud y con temperaturas más altas.
«A grandes altitudes, con temperaturas más frías, el maíz tarda más en formarse debido a la menor acumulación de unidades de calor; el maíz necesita acumular calor o unidades de crecimiento», explicó Rellán-Álvarez. «A 2600 metros (10 000 pies), el maíz tarda tres veces más en formarse que a menor altitud . Para adaptarse a estas condiciones especiales, los campesinos deben sembrar temprano y a profundidad; el crecimiento es muy lento pero constante en los primeros meses, hasta la llegada de la temporada de lluvias. Durante milenios, los campesinos han seleccionado variedades de maíz que prosperan en estas condiciones especiales, ya que pueden crecer a bajas temperaturas y florecer temprano, antes de la llegada de los meses más fríos del invierno».
Ahí es donde entra en juego el gen HPC1, según los investigadores. En las variedades de maíz cultivadas a baja altitud, incluida la mayor parte del maíz cultivado en Estados Unidos, el gen descompone fosfolípidos que, en otras especies, se ha demostrado que se unen a proteínas importantes que aceleran la floración.
«Los fosfolípidos también son componentes importantes de las membranas celulares. Todos los lípidos tienen formas diferentes, y equilibrar estas formas es lo que permite que las membranas se mantengan intactas y ayuda a las plantas a sobrevivir a períodos de estrés», explicó Allison Barnes, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Rellán-Álvarez y coautora principal del artículo.
Sin embargo, en las montañas el gen falla, pero en beneficio del maíz de altura.
«En el maíz de altura, se seleccionó una versión defectuosa del gen, lo que resultó en altos niveles de fosfolípidos», explicó Rellán-Álvarez. «Desarrollamos una mutante CRISPR-Cas9 y confirmamos la función metabólica del gen. También demostramos interacciones fosfolípido-proteína similares a las descritas en otras especies para regular el tiempo de floración».
«Los fosfolípidos que no se descomponen en las tierras altas pueden ser mejores para mantener unidas las membranas, lo que permite que la planta sobreviva al ambiente adverso», añadió Barnes.
En el artículo, los investigadores muestran los resultados de vastos experimentos en todo México, tanto en tierras bajas como en tierras altas, donde estaba presente la versión alta del gen. Descubrieron que el
maíz con la versión alta del gen floreció un día antes que las plantas sin dicha versión. Por otro lado, el maíz cultivado en tierras bajas con la versión alta del gen floreció un día después que las plantas sin dicha versión.
«Está ayudando a la planta a adaptarse mejor a su entorno local», afirmó Fausto Rodríguez-Zapata, estudiante de doctorado en el laboratorio de Rellán-Álvarez y coautor principal del artículo. «Si la floración no funciona, no habrá semillas, así que no es sorprendente que algo relacionado con el tiempo de floración también esté involucrado en la adaptación local».
El estudio también examinó la evolución del maíz a lo largo de miles de años de selección agrícola en todo el hemisferio occidental. Los nativos americanos domesticaron el maíz hace miles de años en el suroeste de México a partir de una planta silvestre llamada teosinte parviglumis y, con gran ingenio, lo trajeron y adaptaron a todo el continente americano: desde los desiertos de Arizona y Perú hasta los bosques húmedos de Yucatán y Colombia, incluyendo las tierras altas mexicanas, donde se cruzó con otra planta silvestre de teosinte: el teosinte mexicana.
«Nuestros resultados muestran que la mezcla de maíz con teosinte mexicana ayudó al maíz a adaptarse a las condiciones de las tierras altas y que esta mezcla es relevante en el maíz moderno», dijo Rellán-Álvarez.
En el estudio, los investigadores demostraron que partes genéticas del teocinte mexicana (es decir, la versión de tierras altas del HPC1) se han conservado en el maíz moderno.
«Esta retención —lo que los científicos llaman introgresión— es similar a la de los humanos modernos, que conservan fragmentos del neandertal en su código genético. Estos fragmentos se han conservado porque han sido seleccionados a lo largo del tiempo y aportan cierta ventaja», dijo Rodríguez-Zapata.
El estudio también mostró la variante de las tierras altas del HPC1 en el maíz cultivado en Canadá, el norte de los Estados Unidos y el norte de Europa, lo que tiene sentido debido al clima más frío que se encuentra en esos lugares.
Los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte ahora están examinando el papel de este y otros genes involucrados en el metabolismo del fósforo para aprender formas más sustentables de cultivar maíz y tal vez para incorporar más teocinte mexicana al maíz moderno.
El artículo se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, la Universidad de California en Davis, la Universidad Estatal de Iowa, la Universidad de Cornell y Cold Spring Harbor fueron coautores del artículo.
Más información: Allison C. Barnes et al., Una introgresión adaptativa de teocinte mexicana modula los niveles de fosfatidilcolina y se asocia con la época de floración del maíz, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2100036119
PUBLICADO POR MUNDO AGROPECUARIO
