¡Shh! Un secreto transgénico silencioso e inesperado se está produciendo en los espermatozoides de las plantas

Silenciar genes puede obstaculizar seriamente la investigación sobre reproducción de plantas.

Para comprender la reproducción de las plantas, los científicos suelen recurrir a la edición de genes, introduciendo nuevos genes (transgenes) en las plantas para estudiar sus efectos. Sin embargo, estudios recientes han revelado un fenómeno sorprendente en las células de la semilla de Arabidopsis thaliana, una planta modelo para la investigación genética. Este descubrimiento podría ser un descubrimiento importante que podría cambiar la comprensión de la genética y la reproducción de las plantas.

Investigadores de la Facultad de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente Martin-Gatton de la Universidad de Kentucky estudiaron recientemente las funciones de genes específicos en el esperma de las plantas utilizando transgenes (genes insertados artificialmente) cuando encontraron algo inesperado: algunos transgenes permanecen en silencio. Específicamente, cuando se introdujeron genes que codificaban proteínas sin una ubicación intracelular específica (proteínas citoplasmáticas) en los espermatozoides de Arabidopsis, se silenciaron transcripcional o postranscripcionalmente. Esto significa que su ARNm, el modelo para la producción de proteínas, se reduce significativamente, lo que lleva a la ausencia de las proteínas esperadas.

"Estamos tratando de comprender la biología reproductiva de las plantas, tanto masculinas como femeninas", dijo Tomo Kawashima, profesor asociado de ciencias de las plantas y del suelo en el Reino Unido. "

Un fenómeno silencioso pero potencialmente destructivo

Basándose en la localización intracelular de la proteína codificada (GESENI), los científicos han denominado este misterioso fenómeno de silenciamiento Gene Silencing. GESENI representa el silenciamiento inesperado de transgenes en los espermatozoides, un proceso independiente del principal mecanismo de silenciamiento genético de la planta, incluida la metilación del ADN.

Esta noticia no es sólo un problema técnico; tiene implicaciones de largo alcance. Desafía la comprensión actual de la regulación genética en la reproducción de plantas. Esto sugiere que existe un mecanismo desconocido que silencia selectivamente ciertos genes en los espermatozoides.

"Mi investigación busca comprender la biología reproductiva de las plantas desde la perspectiva masculina y femenina", dice Tomo Kawashima, profesor asociado de ciencias de plantas y suelos en el Reino Unido. "Aprendimos que otros grupos han descubierto que los espermatozoides en el polen tienen una regulación genética muy interesante y única: la represión traslacional".

Kawashima explica que normalmente los ARNm sirven como plantillas para la creación continua de proteínas, el producto final de la célula. Pero otros grupos de investigación han demostrado que ciertos ARNm en el esperma se almacenan y no producen proteínas de inmediato.

A través de la investigación, su equipo observó la generación de ARN, pero no de proteínas. Creyeron que esta conclusión era un error experimental y repitieron muchas pruebas.

"Para nuestra sorpresa, descubrimos que nuestros transgenes ni siquiera producían ARNm, lo que difiere de los hallazgos de otros grupos", afirma. "Probamos varias veces y al principio pensamos que habíamos cometido algunos errores experimentales.

"El transgén en sí era funcional", continuó Kawashima. "Aunque era funcional, no producía ninguna proteína dentro del espermatozoide. Descubrimos que cuando intentábamos expresar el transgén en el esperma, a menos que la proteína codificada tuviera una firma específica, no produciría ninguna señal detectable. Lo probamos en diferentes tipos de células. Este es un fenómeno biológico que ocurre en el espermatozoide".

Esta etiqueta suele dirigir las proteínas a compartimentos celulares específicos, dijo. Las proteínas marcadas brillan bajo el microscopio, lo que indica su producción y localización dentro de la célula. Sin embargo, estas proteínas no etiquetadas, que deberían flotar libremente dentro de la célula, no muestran ninguna señal.

"Descubrimos que el ARN de estas proteínas libres no se produce o se degrada rápidamente, lo que da como resultado un ARN indetectable", explica Kawashima. "Este descubrimiento es un nuevo fenómeno de silenciamiento genético específico de los espermatozoides que difiere de la represión traslacional como se predijo originalmente. Aunque el mecanismo exacto sigue siendo desconocido, nuestra investigación demuestra un proceso único de silenciamiento genético en los espermatozoides, lo que proporciona importantes conocimientos a la comunidad científica".

El hallazgo de Kawashima es significativo porque estos genes silenciados pueden confundir la interpretación de los resultados experimentales, lo que puede obstaculizar seriamente la investigación sobre reproducción de plantas.

"Todavía confiamos en la expresión transgénica para comprender la función o la regulación genética", dice. "Aún nos resulta difícil controlar todos estos genes endógenos porque no podemos diferenciarlos bien. Pero si podemos combinar el transgén con esta proteína fluorescente, podremos hacer que brillen cuando estén activos. Cuando brillan, estas proteínas aparecen y muestran esta localización dentro de la célula".

La gran pregunta ahora es: ¿Qué causa el GESENI? Parece ser selectivo y se dirige únicamente a transgenes que codifican proteínas citoplasmáticas y no afecta a sus homólogos vegetales. Esta característica apunta a un sistema regulador altamente refinado dentro del esperma de las plantas que discrimina entre material genético endógeno (natural) y exógeno (introducido).

GESENI presenta tanto un desafío como una oportunidad para la edición de genes de plantas. Por un lado, esto complica el uso de transgenes como herramienta para comprender la biología vegetal. Por otro lado, abre una nueva área de exploración. Comprender GESENI puede conducir a métodos más eficientes de modificación genética y posiblemente a nuevas formas de controlar la expresión genética en las plantas.

El descubrimiento de Kawashima fue más allá de la biología vegetal. Aborda cuestiones fundamentales sobre cómo las células controlan la expresión genética y reconocen el material genético "propio" y "extraño". Este conocimiento podría tener implicaciones en la agricultura, donde la edición de genes es una herramienta clave, e incluso en la medicina humana, donde es fundamental comprender los mecanismos de regulación de los genes celulares.

¿Ahora que?

La comunidad investigadora está ahora preparada para profundizar en este fenómeno. Las investigaciones futuras incluirán no sólo dilucidar los mecanismos detrás de GESENI, sino también explorar sus implicaciones en un contexto biológico más amplio.

"Aún es un misterio y no sabemos el mecanismo por el que sucede esto", afirma. Pero nuestra investigación muestra que hemos probado todas las combinaciones posibles que se nos ocurren. Pero todos los datos muestran el mismo resultado, que es que cuando intentamos expresar un transgén que codifica una proteína sin etiquetas, no se produce ARN o el ARN se degrada tan rápidamente que no se puede detectar. Así que no sabemos si el gen está silenciado, lo que significa que el gen no produce ARN, o que el ARN se está produciendo, pero el ARN se está degradando rápidamente, por lo que no podemos distinguir entre los dos".

Kawashima dice que estos genes están reprimidos o silenciados, y el descubrimiento abre una nueva frontera en la genética vegetal.

El descubrimiento de GESENI en los espermatozoides de Arabidopsis thaliana es un recordatorio de la complejidad de los sistemas biológicos y las sorpresas que les aguardan. Desafía los paradigmas existentes y abre nuevas vías de investigación, destacando la importancia de la investigación y el cuestionamiento continuos en la ciencia.

Arabidopsis: una superestrella científica

Arabidopsis thaliana, a menudo llamada Arabidopsis, es una pequeña planta con flores que se ha convertido en una superestrella científica. Piense en ello como los ratones de laboratorio del reino vegetal. Esta pequeña planta, originaria de Eurasia y África, revolucionó la comprensión mundial de la biología vegetal.

¿Qué hace que Arabidopsis sea tan especial? Es muy fácil de cultivar y cuidar. Es una planta mascota ideal para los científicos: no requiere mucho espacio, crece rápidamente y completa su ciclo de vida completo, de semilla a semilla, en seis a ocho semanas. Esto significa que los investigadores pueden observar y estudiar varias generaciones de Arabidopsis en un solo año, lo que la hace ideal para la investigación genética.

Arabidopsis ha sido un actor clave para descubrir los misterios de la biología vegetal. Desde comprender cómo las plantas resisten las enfermedades hasta descubrir los secretos de cómo crecen e incluso cómo responden a los cambios en su entorno, Arabidopsis ha estado en el centro de todo. Sus contribuciones se extienden a aplicaciones prácticas como la mejora de plantas de cultivo. Al estudiar su genética, los investigadores pueden encontrar formas de hacer que los cultivos alimentarios sean resistentes a las enfermedades, tolerantes a la sequía y productivos.

Más allá de la agricultura, Arabidopsis ha sido un modelo fundamental para comprender los principios biológicos básicos. Los conocimientos de la diminuta planta están ayudando a los científicos a explorar grandes cuestiones de la biología, y lo que se aprende de Arabidopsis a menudo se aplica a otras formas de vida, incluidos los humanos.

Arabidopsis thaliana, aunque no es una planta de cultivo en sí, es importante para el mejoramiento de semillas, principalmente debido a sus conocimientos sobre biología y genética de plantas. Arabidopsis es un gran problema en el mundo de las semillas:

Esquema genético: Arabidopsis fue la primera planta en la que se secuenció completamente su genoma. Este plan ha proporcionado pistas para comprender la genética de otras plantas, incluidos muchos cultivos. Al comparar la composición genética de Arabidopsis con la de las plantas cultivadas, los investigadores pueden identificar genes responsables de rasgos deseables como la tolerancia a la sequía o el aumento de la productividad.

Organismo modelo: Su pequeño tamaño, ciclo de vida corto y facilidad de cultivo hacen de Arabidopsis un organismo modelo ideal. Los experimentos que son difíciles o requieren mucho tiempo en plantas de cultivo grandes se pueden realizar fácilmente en Arabidopsis, proporcionando datos valiosos que los científicos pueden utilizar para mejorar las variedades de semillas.

Comprensión del desarrollo de las semillas: Arabidopsis ha desempeñado un papel importante en la comprensión de los mecanismos genéticos y moleculares que subyacen al desarrollo, la germinación y la latencia de las semillas. Los científicos utilizan los conocimientos de la investigación obtenidos al estudiar estos procesos para mejorar la calidad, la longevidad y la viabilidad de las semillas.

Resistencia a enfermedades: la investigación sobre Arabidopsis proporciona una mejor comprensión de las respuestas inmunes de las plantas. Al identificar genes que confieren resistencia a diversos patógenos en Arabidopsis, los científicos pueden desarrollar estrategias para reproducir o diseñar genéticamente rasgos de resistencia similares en semillas, haciéndolas más resistentes a las enfermedades.

Tolerancia al estrés: la investigación sobre Arabidopsis ha revelado cómo las plantas responden a diferentes tipos de estrés, como la sequía, la salinidad y las temperaturas extremas. Traducir estos resultados a plantas de cultivo ayudará a desarrollar semillas que prosperen en condiciones ambientales complejas, que son fundamentales para la agricultura frente al cambio climático.

Investigación interdisciplinaria: Arabidopsis sirve como puente entre la biología vegetal básica y la ciencia agrícola aplicada. Los hallazgos de la investigación de Arabidopsis a menudo desencadenan nuevas investigaciones en fitomejoramiento, lo que lleva a enfoques innovadores para el desarrollo y mejoramiento de semillas.

Arabidopsis desempeña un papel crucial en la dirección del mejoramiento de semillas para producir variedades de cultivos mejores, más resistentes y productivas. Este es un ejemplo clásico de cómo la investigación básica sobre un organismo simple puede conducir a aplicaciones profundas en un contexto comercial y global.