El aumento de la producción de cultivos es fundamental para lograr la seguridad alimentaria en los 21st siglo. Un grupo de científicos está abordando este desafío estudiando la ramificación de los brotes, uno de los factores clave que afectan el rendimiento. Simularon pruebas de mejoramiento con selección para ramificación usando simulaciones computacionales de rasgos controlados por genes. Descubrieron que la selección para la ramificación es difícil debido a las complejas interacciones entre las hormonas características y la sacarosa que controlan la ramificación.

A pesar del conocimiento detallado de los mecanismos moleculares y fisiológicos de la ramificación, traducir estos descubrimientos en resultados de reproducción sigue siendo un desafío. Examinar la red de genes a fenotipos de rasgos complejos utilizando el conocimiento previo de las interacciones biológicas puede desenmascarar la variación genética oculta e identificar rasgos intermedios que pueden aumentar la precisión de la selección y la eficiencia del mejoramiento para la ramificación.

Dr. Owen Powell, Investigador Postdoctoral en Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation en la Universidad de Queensland y coautores desarrolló una red de gen a fenotipo para la ramificación de brotes. Usando este modelo, investigaron la magnitud de la variación genética oculta que controla el complejo rasgo de la ramificación de los brotes y sus implicaciones para la ganancia genética durante los ciclos de selección.

El diagrama de la izquierda muestra una porción de un tallo con una sola hoja. En la axila de la hoja hay una yema. En el diagrama de la derecha, el capullo se ha alargado en una rama lateral.
El diagrama de la izquierda muestra una porción de un tallo con una sola hoja. En la axila de la hoja hay una yema. En el diagrama de la derecha, el capullo se ha alargado en una rama lateral. Figura del Atlas Digital de la Vida Antigua https://www.digitalatlasofancientlife.org/

La ramificación de los brotes depende del crecimiento de las yemas axilares que se forman en las axilas de las hojas. Investigación previa demostraron que el tiempo hasta el crecimiento de las yemas axilares estaba controlado por los niveles de hormonas (auxinas, citoquininas, estrigolactonas) y sacarosa utilizando un modelo de red de ramificación de brotes empíricos. Los autores ampliaron este modelo para incluir explícitamente efectos genéticos causales en el control de los niveles hormonales y de sacarosa.

Un diagrama de flujo con tres niveles horizontales. El nivel inferior es loci genético causal que enumera 4 genes para cada rasgo intermedio. Las flechas desde estos apuntan al siguiente nivel, que enumera los rasgos intermedios que controlan. Estos son: estrigolactonas, auxina, sacarosa y citoquininas. Una flecha lateral apunta desde la auxina hasta las estrigolactonas. Otra flecha lateral apunta desde la sacarosa hasta las citoquininas. Las estrigolactonas y las citoquininas son los integradores de señales para el crecimiento de las yemas, el rasgo objetivo bajo selección.
Disparar gen de ramificación a red de fenotipo. Diez loci e interacciones genéticas causales determinan los niveles de cada uno de los rasgos intermedios: estrigolactonas (SL), auxina (A), sacarosa (Suc) y citoquininas (CK). A su vez, los niveles de estos rasgos intermedios (hormonas, sacarosa y el integrador de señales), sus interacciones y el error aleatorio determinan el tiempo de crecimiento de las yemas de una planta individual.

Los autores realizaron in silico experimentos de selección para determinar si la vista de red de la ramificación de los brotes en las plantas tenía implicaciones en la predicción de la respuesta a la selección de reproducción. ¡Lo hizo y hubo muchas sorpresas! La selección del gen de ramificación de brotes a la red de fenotipos para un crecimiento más rápido de los brotes no tuvo éxito. Powell explica, “esperábamos ver respuestas decrecientes a la selección con el tiempo, llegando eventualmente a una meseta permanente. En cambio, vimos una combinación de mesetas temporales y permanentes, especialmente para la sacarosa. Esta es una indicación de la canalización genética, una propiedad emergente de las complejas interacciones entre los componentes de la red de gen a fenotipo de ramificación de brotes”.

Trayectorias de selección para la red G2P de ramificación de brotes para un crecimiento más rápido de los brotes.

La canalización genética describe un fenómeno del mapa de gen a fenotipo cuando el fenotipo es resistente a los cambios genéticos, en este caso causados ​​por la presión de selección.

Para examinar los impulsores de las respuestas inesperadas a la selección, luego examinaron los patrones de los niveles hormonales y de sacarosa y la frecuencia alélica de las poblaciones durante los ciclos de selección. “La expresión genética no expresada de la sacarosa puede explicarse por la compleja interacción entre la señalización de la sacarosa y la estrigolactona en la red de gen a fenotipo. Múltiples combinaciones genéticas de sacarosa y estrigolactona producen valores similares para el crecimiento de los brotes, lo que da como resultado genotipos con combinaciones completamente diferentes de niveles de estrigolactona y sacarosa que producen valores similares para el tiempo hasta el crecimiento de los brotes”, continuó Powell.

Un diagrama que explica la variación genética críptica de la sacarosa. El diagrama tiene tres niveles horizontales. El nivel inferior muestra loci genéticos causales que tienen interacciones de señalización complejas entre los rasgos intermedios de señalización de sacarosa y estrigolactona en el segundo nivel. Estos rasgos convergen en el nivel superior, el rasgo objetivo del crecimiento de las yemas, lo que indica que combinaciones completamente diferentes de niveles de estrigolactona y sacarosa producen valores similares para el tiempo hasta la aparición de las yemas.
Explicación esquemática de la canalización genética de redes de genes a fenotipos. Múltiples combinaciones genéticas de rasgos intermedios producen valores similares para el rasgo objetivo, lo que provoca la acumulación de variación genética críptica a la que no se puede acceder mediante selección.

Se espera que la canalización genética sea generalizada en otros rasgos complejos, como el rendimiento de grano, que resultan de interacciones entre múltiples genes, rasgos, ambientes y prácticas de manejo agronómico. Esto ilustra la necesidad de mejoramiento predictivo para tomar una visión de red de rasgos complejos para avanzar en nuestra comprensión de la respuesta de selección y la eficiencia del desarrollo de cultivos resistentes para climas futuros.

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Owen M Powell, Francois Barbier, Kai P Voss-Fels, Christine Beveridge, Mark Cooper, Investigaciones sobre las propiedades emergentes de las redes de genes a fenotipos a través de ciclos de selección: un estudio de caso de ramificación de brotes en plantas, in silico Plants, 2022;, diac006, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac006