La edición del genoma de células de especies vegetales mediante el uso de nuevas tecnologías como “CRISPR” es algo relativamente sencillo de hacer. La dificultad reside en poder obtener una planta completa a partir de esas células que tienen el genoma editado. En algunas especies, esto es algo fácil, pero en otras la regeneración resulta en un proceso muy complicado y prácticamente artesanal. En los últimos años, se han desarrollado varios enfoques moleculares que utilizan genes de desarrollo para mejorar las eficiencias de transformación. Sin embargo, la capacidad de regeneración sigue siendo muy poco eficiente para muchos de los cultivos y actualmente representa uno de los mayores cuellos de botella para la adopción de nuevas tecnologías como la edición genética por “CRISPR”.

En un trabajo publicado esta semana en la prestigiosa revista Nature Biotechnology, en el que participaron un investigador del CONICET y ex becarios doctorales y post-doctorales del Consejo, se demuestra la importancia de una nueva tecnología llamada “GRF-GIF” en la regeneración de plantas. Esta nueva tecnología permite generar fácilmente plantas transgénicas sin la necesidad de usar un gen de resistencia a antibióticos, y puede combinarse con otras tecnologías de punta como “CRISPR”, para el mejoramiento de cultivos.

Nueva proteína sintética: “GRF-GIF”

Hace unos 5 años, en el en el Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR, CONICET-UNR), Juan Manuel Debernardi, en aquel momento becario post-doctoral de CONICET, y Javier Palatnik, investigador principal del CONICET, diseñaron una nueva proteína sintética llamada “GRF-GIF”, formada por un factor de transcripción “GRF” y un co-regulador “GIF”, y observaron que actuaba como un “potenciador” del crecimiento, que hacía que las plantas fueran más grandes y tuvieran mayor biomasa. Ese desarrollo fue patentado por el CONICET y la Universidad Nacional de Rosario.

Luego, Debernardi continuó con un postdoctorado en el laboratorio del argentino Jorge Dubcovsky, genetista líder en el mejoramiento de trigo, en la Universidad de California en Davis (Estados Unidos). Allí se inició una colaboración entre ambos grupos para estudiar la función de la proteína “GRF-GIF” en trigo, aprovechando la experiencia de la unidad de transformación de plantas dirigida por David Tricoli. Los primeros resultados causaron mucha sorpresa, porque la proteína “GRF-GIF” aumentaba enormemente la regeneración de plantas de trigo. “Sabíamos que en las moléculas GRF-GIF había buenas perspectivas biotecnológicas, pero aún así fue sorprendente encontrar un aumento tan grande en la eficiencia de regeneración”, afirma Palatnik.

“Descubrimos que si introducimos GRF-GIF en una célula, la capacidad de esa célula de regenerar una planta aumenta enormemente. En algunas variedades de trigo aumentamos la eficiencia casi diez veces, y en otras variedades que antes no regeneraban nada pudimos obtener plantas. Esto es un game-changer para la comunidad de trigo. Además, para este trabajo, validamos estas observaciones en arroz y cítricos incluidos, y tenemos datos preliminares de que también funcionaría en otros cultivos como tomate, cebada y uva”, detalla Debernardi.

Mejoramiento de cultivos, CRISPR y GRF-GIF: tradicional vs nuevo

Mejorar un cultivo, ya sea por otorgarle mayor resistencia a patógenos, incrementar su calidad nutricional u organoléptica o aumentar su rendimiento, implica incorporar algún tipo de variación genética.

Tradicionalmente los programas de mejoramiento genético de cultivos se basaron en la incorporación de esta variación genética por cruzamientos y selección de plantas con características deseadas. Este proceso permitió inicialmente convertir plantas salvajes en variedades con caracteres adaptados a las necesidades de la agricultura -lo que se llama domesticación-.

Posteriormente, este proceso de cruzamiento y selección permitió la evolución de variedades con mayor rendimiento y calidad nutricional. Según los científicos, uno de los problemas de este enfoque tradicional es que generalmente se desconoce la identidad de la variación genética que es relevante para una determinada cualidad. Eso hace que el proceso sea poco eficiente y muy laborioso, básicamente porque con el cruzamiento se mezcla el material genético y luego se tiene que buscar algo que no se conoce muy bien.

Hoy existen muchas herramientas para conocer cuáles son los cambios genéticos que permiten controlar y mejorar un carácter. Es aquí donde la técnica CRISPR cumple un rol transformador. La posibilidad de modificar el genoma con precisión (edición) permite introducir con alta eficiencia las variaciones genéticas que se deseen. “Desde un punto de vista tecnológico, nos permite incorporar rápidamente una variación genética interesante, por ejemplo, resistencia a hongos, directamente en una variedad comercial sin necesidad de cruzamientos”, destacan.

Los científicos destacan que CRISPR ofrece otra ventaja muy importante. Desde un punto de vista básico mediante esta técnica se pueden testear rápidamente hipótesis sobre el rol de diferentes variantes genéticas. Saber cuáles son las variantes genéticas importantes hace al mejoramiento tradicional mucho más eficiente, así se sabe lo que se busca.

“El problema hasta ahora es que la técnica CRISPR solo podía usarse con eficiencia en pocos cultivos y en pocas variedades dentro de un cultivo, por un problema de regeneración de la planta. Vos editás el genoma de una célula con CRISPR pero después tenés que regenerar la planta a partir de esa célula, y, como se mencionó anteriormente, esa regeneración es muy complicada de conseguir en muchos cultivos. Ahora, si usamos a CRISPR junto con GRF-GIF, entonces se solucionan los problemas y podés muy fácilmente obtener cultivos mejorados a través de CRISPR”, enfatiza Palatnik.

Los investigadores demostraron que al combinar las tecnologías GRF-GIF y CRISPR en un solo vector pueden generar una gran cantidad de plantas de trigo editadas en múltiples entornos comerciales. Este ha sido un cambio transformador en el laboratorio, porque ahora pueden producir cientos de plantas de trigo editadas en genes críticos para la floración y el desarrollo. “Creemos que esto va a ser muy importante para muchos otros cultivos, además del trigo”, detalla Debernardi. “Esta hipótesis está respaldada por la simplicidad de la tecnología GRF-GIF, la alta conservación de las proteínas GRF y GIF en todo el reino vegetal y la eficiencia de regeneración mejorada observada en nuestros experimentos de arroz, cítricos, uvas y pimientos”, agrega.

El estudio del sistema GRF GIF es el resultado de quince años de investigación, que se plasmaron en tres patentes, de las cuales las dos primeras son 100 por ciento hechas en el IBR, en el marco de proyectos académicos que estudian cómo funcionan las células madre y la proliferación celular en las plantas, y dieron lugar a aplicaciones tecnológicas como plantas con mejor rendimiento. La última aplicación centrada en la regeneración de múltiples cultivos fue liderada por el grupo de Jorge Dubcovsky en la Universidad de California en Davis. “Fue un proceso paulatino en donde fuimos incrementando el conocimiento, siempre comenzando por un punto de vista académico y evaluando la posible transferencia tecnológica de los descubrimientos”, comenta Palatnik.

“La revolución en métodos y equipamientos tecnológicos en ciencias como la genómica, nos permiten conseguir mejoras de variedades cultivadas para aumentar la productividad o la respuesta al estrés. Podemos analizar la actividad de miles de genes a la vez, entender las características particulares que dan un mejor rendimiento y diseñar nuevas variedades que contengan las características deseadas”, concluye el investigador.

Patentes

Javier Palatnik, Juan Debernardi, Carla Schommer y Ramiro Rodríguez son co-inventores de la patente US 2017/0362601 A1 que describe el uso de proteínas quiméricas GRF-GIF con efectos mejorados sobre el crecimiento de las plantas (Universidad Nacional de Rosario/CONICET ).

Javier Palatnik, Juan Debernardi, David Tricoli y Jorge Dubcovsky son co-inventores de la aplicación de la patente provisional US 62/873,123 que describe el uso de quimeras GRF-GIF para mejorar la eficiencia de regeneración en plantas (UC Davis/CONICET).

Por Jimena Zoni

Referencia bibliográfica

Debernardi, J.M., Tricoli, D.M., Ercoli, M.F. et al. A GRF–GIF chimeric protein improves the regeneration efficiency of transgenic plants. Nat Biotechnol (2020). https://doi.org/10.1038/s41587-020-0703-0

Sobre investigación

Juan M. Debernardi. University of California y Howard Hughes Medical Institute (Estados Unidos).(Fue becario doctoral y postdoctroal del CONICET entre 2008 y 2014)

David M. Tricoli. University of California.

Maria F. Ercoli. University of California. (Fue becaria doctora y posdoctoral del CONICET entre 2012 y 2018)

Sadiye Hayta. Norwich Research Park (Reino Unido).

Pamela Ronald. University of California.

Javier F. Palatnik. Investigador principal. IBR.

Jorge Dubcovsky. University of California, Howard Hughes Medical Institute (Estados Unidos).