Mejora de la producción de frutos y tubérculos por manipulación de los patrones de ramificación en solanáceas

Hemos confirmado esta propuesta aislando y alterando la función de los dos ortólogos de tomate y patata, BRC1-1 y BRC1-2. Líneas transgénicas RNAi de estos genes presentan modificaciones en sus patrones de ramificación de gran interés agronómico: por ejemplo, las líneas RNAi SlBRC1-1 de tomate generan plantas monostem, ideales para el cosechado automático cada vez más demandado en plantaciones mecanizadas. Las líneas RNAi StBRC1-1 de patata generan estolones ramificados y producen cuatro veces más tubérculos por planta que los controles, condición idónea para una agricultura sostenible en espacios reducidos. La empresa Ninsar Biosciences ha expresado su intéres en estos resultados y ha iniciado acciones concretas de colaboracion y licencia exclusiva de esta tecnología. Sin embargo, la actual percepción social y política de los organismos genéticamente modificados (OMG) hace que la aplicación directa de las líneas transgénicas para fines productivos no sea viable, por el momento, por lo que es interesante identificar mutaciones puntuales que causen los mismos fenotipos y puedan ser directamente utilizables en mejora.

1. Confirmar el potencial productivo de las líneas de falta de función de BRC1 en condiciones de crecimiento intensivo real. Para ello realizaremos pruebas de campo de las líneas transgénicas de patata y tomate disponibles y analizaremos su rendimiento.

2. Identificar mutantes puntuales para los genes BRC1-1 y BRC1-2 de tomate que provoquen los mismos fenotipos que las líneas RNAi. Estos mutantes se podrán utilizar directamente en mejora genética de la arquitectura del tomate en líneas de producción.

3. Diseñar proteínas BRC1 dominantes y dominantes negativas, mediante mutagénesis dirigida, para su uso en la manipulación de la arquitectura de otras especies de interés agronómico.

Los patrones de ramificación afectan directamente a la calidad y cantidad de las producciones agrícolas y a los costes de manejo de las plantaciones. En algunas especies, como el arroz, las variedades con más ramas son más productivas que las que producen pocas ramas. Sin embargo en muchas otras especies (ej. maíz, sorgo, centeno, tomate, girasol) el rendimiento de las plantas con ramas laterales es mucho menor que el de plantas con un único tallo debido a la pérdida de recursos dedicados al desarrollo de ramas improductivas. La inhibición del desarrollo axilar promueve el crecimiento en un único eje favoreciendo el aporte de nutrientes a los ejes que están desarrollando frutos (ej. tomate), y prolonga la vida media de almacenamiento de ciertos productos cuyos brotes reducen su calidad (ej. patatas, cebollas, ajos). Por último, los tallos laterales son una traba para la recolección mecanizada. La mejora clásica ha permitido obtener variedades con un único tallo o 'monostem' en algunas especies (ej. girasol), sin embargo en otras (ej. tomate) no se ha conseguido disponer de este carácter en líneas de alta producción.

Las técnicas alternativas empleadas para obtener plantas con un único tallo (poda o manual de las ramas laterales, aplicación de productos químicos) no solo encarecen la producción sino que favorecen la propagación de enfermedades y pueden conllevar problemas de contaminación ambiental incompatibles con una agricultura sostenible. Por otra parte, favoreciendo el desarrollo axilar, podemos generar arquitecturas arbustivas y aumentar la producción de hojas, flores y frutos en especies en las que estos son los productos de consumo. Por último, en ciertas especies de leñosas (vides, cerezos, manzanos etc.) las yemas axilares requieren una exposición al frío de días o semanas para brotar. Estas especies se han empezado a cultivar en países cálidos (ej. Brasil y Tailandia) en los que no se suelen alcanzar temperaturas bajas, por lo que los agricultores se ven obligados a emplear, para hacer brotar las yemas, tratamientos químicos muy tóxicos (ácido cianhídrico, dinitro-orthocresol), o costosos tratamientos hormonales de rápida degradación y que producen efectos no deseados. El problema suscita tanto interés y moviliza tal cantidad de recursos económicos que anualmente, en el Congreso Internacional de Ciencias Agrícolas (ISHS) se celebra un symposium para el estudio del bud break o brotación de yemas.

La importancia del control de la ramificación en la producción queda bien ilustrado con el ejemplo del maíz, seleccionado artificialmente durante la domesticación para desarrollar plantas sin ramas o monostem: todas las yemas axilares de esta especie están inhibidas. Un estudio de QTLs entre teosinte (su ancestro silvestre) y maíz reveló que el gen Teosinte Branched1 (Tb1) era el responsable de este carácter. El gen tb1 tiene un papel central (necesario y suficiente) en el desarrollo de las ramas laterales. Durante la domesticación, se seleccionaron alelos de tb1 con altos niveles de mRNA que son suficientes para impedir el crecimiento axilar y alterar de manera radical la arquitectura de la planta. La selección de este carácter ha tenido un enorme impacto en la productividad del maíz. Los mutantes tb1, por el contrario, tienen un aspecto muy ramificado similar al de teosinte, debido a que sus meristemos axilares crecen y generan ramas. La función de tb1 está conservada también en otras monocotiledóneas como arroz y sorgo. En nuestro laboratorio hemos confirmado que en dicotiledóneas también existe esta función y que actúa de forma similar.

El gen Branched1 (BRC1) de Arabidopsis actúa localmente reprimiendo el desarrollo de las yemas axilares. Tb1 y BRC1 codifican para factores de transcripción de la familia TCP (Cubas, Lauter et al. 1999) y se expresan exclusivamente en yemas axilares en desarrollo. BRC1 retrasa el crecimiento y la proliferación celular en yemas axilares e impide la elongación de ramas. Su regulación negativa es imprescindible para la formación de ramas laterales. Estos y otros resultados nos han llevado a proponer que el gen BRC1 es un interruptor local del crecimiento axilar que integra las señales ambientales y de desarrollo que controlan la ramificación.

Sin embargo, se le ha prestado poca atención a su arquitectura, que determina de forma radical su rendimiento ya que las ramas laterales reducen el aporte de nutrientes al eje principal. Las ramas laterales se podan a mano, lo que encarece y complica su manejo. La tendencia en las plantaciones actuales es el cultivo hidropónico en invernaderos con sistemas de cosechado automatizado que demandan variedades monostem, no disponibles hasta ahora en líneas de alta producción. La patata, por otro lado, es uno de los productos básicos más consumidos del planeta. La FAO declaró 2008 'Año de la patata' para crear una mayor conciencia de su importancia como alimento en el tercer mundo y promover la investigación y el desarrollo de sus sistemas de producción. La patata crece rápido y en climas difíciles, necesita poca agua y su cultivo es idóneo para muchos de los países, donde la tierra es limitada. Su arquitectura aérea no representa un problema (tiene bastante dominancia apical) mientras que sí es muy mejorable la arquitectura de sus ramas subterráneas, los estolones, cuyo número y grado de ramificación determinan directamente la producción de tubérculos.

Sin embargo, la actual percepción social y política de los organismos genéticamente modificados (OMGs), hace que la aplicación directa de líneas transgénicas para fines de consumo humano no sea viable por el momento, al menos en Europa. Por ello, sería muy deseable disponer de mutaciones puntuales que causen los mismos fenotipos que nuestras líneas de silenciamiento y puedan ser directamente utilizables en mejora genética dirigida. En tomate existen varias colecciones mutagenizadas con EMS en las que se pueden hacer escrutinios mediante tilling o análisis directo para identificar mutantes puntuales en genes BRC1. En patata, estas colecciones mutagenizadas se están desarrollando (Gabi-Till) pero aún no están disponibles. De cualquier forma estos mutantes puntuales son de gran interés para la industria y se podrían utilizar directamente en mejora genética de las variedades existentes.