Introducción

Los trabajos de investigación del grupo, están encaminados a la selección de genes clave de plantas halófitas (resistentes a salinidad) silvestres para el mejoramiento genético de alfalfa y tomate que puedan crecer en suelo salino y con déficit de agua.

Objetivos

La búsqueda y evaluación de genes nuevos en plantas del desierto, con potencial de ser utilizados para mejoramiento genético de alfalfa y tomate.

Materiales y Métodos

Producción de bancos de genes y selección de genes para transformación genética de plantas. Los bancos de genes son construcciones genéticas que permiten contener, estudiar y preservar el Ácido Ribonucléico (ARN) o Desoxiribonucléico (ADN) de un organismo, en éste caso plantas. Generalmente se guardan en nitrógeno líquido o en ultra congeladores a -80°C, además se respalda en una base de datos electrónica que contiene toda la información de la procedencia de las muestras y cada una de las secuencias de ADN o ARN preservada. A la fecha  existen bases de datos robustas con información disponible de secuencias parciales y completas de genes que responden al estrés. La gran mayoría de éstos genes vienen de plantas glicófitas modelo (plantas sensibles al Na+) como Arabidopsis thaliana. El estudio de plantas halófitas (plantas resistentes a salinidad), incrementa la posibilidad de localizar nuevos genes de resistencia a salinidad que no han sido caracterizados antes. Basado en ello, nuestro grupo de investigación se ha centrado en el estudio de genes de plantas halófitas, tales como coquia (Kochia scoparia), vidrillo (Mesembryanthemum crystallinum), mangle (Avicennia germinans) y el chile silvestre chiltepín (Capsicum annuum  var glabrisculum). A la fecha se cuenta con 2 bancos de genes sustractivos, uno correspondiente a coquia y otro a vidrillo, así como algunos genes expresados diferencialmente en mangle y chiltepín por estrés salino. Con ello se está trabajando en el mejoramiento genético asistido para la producción de alfalfa y tomate resistentes a estrés salino (Fig. 1).

Figura1. Caracterización, selección y evaluación de genes con potencial para ser utilizados en mejoramiento genético de plantas, utilizando como modelo alfalfa y tomate.

Resultados y Discusión

En el caso del banco de genes de coquia, se obtuvieron 36 secuencias nuevas para las bases de datos, 3 secuencias parciales de genes de respuesta a estrés y algunos genes de péptidos del metabolismo normal (fotosistema II). Entre los genes de respuesta a estrés se obtuvieron: la Fosfoetanolamina N metil transferasa, que es una enzima que interviene en la síntesis de fosfolípidos y que se incrementa en respuesta por etileno, acido abscícico, elicitores, heridas, estrés osmótico y oxidativo; la Glicolato Oxidasa, que es una enzima que reduce el O₂ a H₂O₂ y en cuya secuencia se localizó una región reguladora llamada MYCCONSENSUSAT, la cual es reconocida por un factor de transcripción CBF3 que induce la expresión de genes de resistencia a alta salinidad; y el tercer gen corresponde al de la catalasa, que es una enzima antioxidante que evitar el daño causado por especies reactivas de oxígeno que se producen durante el estrés salino, este último lo tenemos entre los genes con potencial para transformaciones genéticas de plantas. Los genes que hemos estudiado en vidrillo, se seleccionaron de una base de datos pública, en base a que son genes cuya expresión y función está involucrada en el transporte de Na+/H+ cuando la planta se encuentra en estrés. Aunque se conocen las secuencias de éstos genes tipo vacuolar (nhx1, nhx2 y nhx3) y cloroplástico (nhaD), se desconocía si eran inducibles o cuál de ellos era el responsable de responder al estrés (datos muy importantes para ser considerados como genes potenciales para mejoramiento genético de plantas). Por lo que nuestro grupo de investigación se dio a la tarea de responder a ello, encontrando que los genes Nhx1, Nhx2 y NhaD se expresan de forma constitutiva y responden al estrés salino y osmótico. El trabajo de identificación de genes de mangle que responden a salinidad, se realizó utilizando propágulos de A. germinans del manglar de El Comitán (México). Se estudió el material genético de raíz y encontramos 37 bandas expresadas diferencialmente, de las cuáles el 33% corresponden a potenciales genes nuevos involucrados en la respuesta a estrés salino y 5% a la enzima antioxidante manganeso-superóxido dismutasa. El último modelo que tenemos de estudio es chiltepín, un chile silvestre que posee mecanismos fisiológicos para responder al estrés salino y del cual hemos visto que responde con la expresión de genes específicos para responder a dicho estrés. Actualmente tenemos parcialmente identificados 5 fragmentos de ADN expresados en etapa tardía de la respuesta al estrés, los cuales se encuentran actualmente en estudio de caracterización completa y funcional.

Plantas resistentes a Salinidad.

Con el fin de tener acercamientos a los cultivos de interés comercial, los modelos de glicófitas que actualmente se está trabajando para el mejoramiento genético son: la alfalfa (Medicago sativa) y el tomate (Solanum lycopersicum) y Arabidopsis thaliana que permiten la generación de líneas transgénicas de manera relativamente fácil. Resultados experimentales en A. thaliana cuyo gen de interés fue mutado, muestran que la ausencia del gen afecta la germinación de semillas en condiciones salinas (Fig. 2).

Figura2. Evaluación del porcentaje de germinación a diferentes concentraciones de sal (NaCl). Plantas control y plantas cuyo gen fue mutado para la pérdida de función.

Es bien sabido que el producto de un gen puede estar involucrado en más de un proceso de respuesta a diferentes estresores, referente a ello, la misma mutación del gen que favorece la germinación en salinidad (Fig. 2), tiene el efecto contrario cuando se expone a estrés por frío (Fig. 3). Es decir, el gen identificado en plantas halófitas confiere resistencia a salinidad durante la germinación y está involucrado negativamente en la resistencia a frío. Actualmente existen líneas de plantas tolerantes a estrés, introduciendo genes de enzimas antioxidantes, de polifenol oxidasa y de genes del metabolismo de la trehalosa. Si bien éstos genes han logrado sobrevivencias hasta del 70% en plantas sometidas al estrés salino, ninguno de ésos genes está involucrado en mecanismos de eliminación del ión tóxico sodio (Na+). Por lo que nuestra propuesta plantea introducir genes de enzimas antioxidantes y de transportadores de Na+/H+ a la alfalfa para eliminar iones tóxicos que se acumulan cuando ésta se expone a NaCl por tiempos prolongados.

Figura 3. Estrés por congelamiento a 45, 60 y 75 min de exposición a -20°C. Fotografía tomada después de 36 días de recuperación.