CRISPR al rescate: Innovadoras variedades de arroz combaten mortales virus africanos

Varias plantas de arroz, tanto plantas control como mutantes, entre tres y cuatro semanas después de la inoculación. Crédito: IRD / Laurence Albar

El llamado Virus del Enrollamiento Amarillo del Arroz (RYMV por sus siglas en inglés) es responsable de altas pérdidas de cultivos en África, especialmente entre los agricultores a pequeña escala. Un equipo de investigación de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) y del Instituto de Investigación para el Desarrollo Sustentable (IRD) de Francia ha producido líneas de arroz que son resistentes a la enfermedad mediante la edición del genoma. Las variedades de arroz, cuyo desarrollo describe el equipo en la revista Plant Biotechnology Journal, son un paso preliminar hacia la capacidad de generar variedades élite resistentes localmente adaptadas para los productores de alimentos a pequeña escala en África.

RYMV es un virus ARN que se propaga por escarabajos y contacto directo de hoja a hoja. En África, donde la mayoría de los productores cultivan parcelas de tierra de apenas un hectárea, entre el diez y cien por ciento de las cosechas de arroz se pierden regularmente a causa de este virus. Esto lo convierte en un problema que pone en peligro la vida de los agricultores más pobres.

No existe una protección eficaz contra el virus. "La única protección real es desarrollar variedades de arroz que posean un gen de resistencia contra RYMV, lo que haría que la planta sea invulnerable", dice el Dr. Yugander Arra, autor principal del estudio publicado en la revista Plant Biotechnology Journal.

Un equipo de investigación del Instituto de Fisiología Molecular de HHU (dirigido por el profesor Dr. Wolf B. Frommer) y del Instituto de investigación para el desarrollo (IRD) en Montpellier, Francia, ha desarrollado líneas de arroz resistentes.

Actualmente se conocen tres genes de resistencia; mutaciones en solo uno de los genes, llamados RYMV1, 2 y 3, son suficientes para lograr resistencia. La forma resistente rymv2 se encuentra en variedades africanas de arroz (Oryza glaberrima) de bajo rendimiento. RYMV2, también conocido como CPR5.1, codifica una proteína importante de los poros del núcleo celular. En la planta modelo Arabidopsis thaliana, la pérdida de la única copia génica de CPR5 resulta en un amplio espectro de resistencia no solo a virus, sino también a bacterias y hongos. Sin embargo, el crecimiento está severamente restringido, las plantas presentan lesiones espontáneas y producen bajos rendimientos. Por lo tanto, era importante probar si la resistencia rymv2 podría transferirse a otras variedades de arroz sin consecuencias negativas.

En África, se utilizan principalmente otras variedades de arroz de alto rendimiento basadas en la especie asiática Oryza indica y estas no tienen el gen de resistencia. Sin embargo, insertar el gen relevante no es un enfoque especialmente prometedor ya que los descendientes de tales híbridos "entre especies" son altamente estériles y, por lo tanto, no pueden reproducirse y transmitir fácilmente la resistencia.

Utilizando el método de edición del genoma CRISPR/Cas, el grupo de investigación ha demostrado ahora que se pueden producir mutaciones del gen RYMV2 en una variedad de arroz asiático que lo hacen resistente al virus de manera similar a la forma africana. En el siguiente paso, el objetivo es editar variedades élite africanas relevantes de la misma manera para luego ponerlas a disposición de los productores africanos de alimentos a pequeña escala. Ayudar a estos agricultores es el objetivo del consorcio de investigación internacional "Healthy Crops", que está liderado por HHU.

Las plantas tienen mecanismos hereditarios que eran útiles para la supervivencia en los primeros días de la evolución, pero que ahora probablemente sean perjudiciales. El maíz es un buen ejemplo de esto: un gen causa que los granos se aborten cuando prevalecen condiciones de sequía en el momento de la fertilización. Este rasgo causado por el gen era bueno para los antepasados silvestres perennes de las plantas de maíz de hoy en día, pero tiene un efecto perjudicial en el rendimiento de las plantas anuales utilizadas en la agricultura.

La situación es similar con el arroz examinado aquí. El profesor Frommer: "Este rasgo de resistencia se debe a la pérdida de una función génica que no es esencial. Si apagamos completamente el gen, las plantas se comportan normalmente. Sin embargo, como resultado de la pérdida de la función génica, son resistentes al virus".

La Dra. Eliza Loo, líder del grupo Healthy Crops, agrega: "Es como un arquetipo, que fue útil para sus antepasados, pero que ahora conduce a devastadoras pérdidas de cultivos en períodos de sequía. Parecería conveniente apagar este gen y no tiene efectos secundarios evidentes".

Sorprendentemente, ni apagar el gen estrechamente relacionado CPR5.2 ni los dos genes RYMV2 y CPR5.2, al menos en condiciones de invernadero, provoca daños. También es importante destacar que la pérdida de CPR5.2 no provoca resistencia a RYMV. Todo indica que editar el gen RYMV2 es un enfoque prometedor para combatir la enfermedad del arroz en África.

Reference: “Rice Yellow Mottle Virus resistance by genome editing of the Oryza sativa L. ssp. japonica nucleoporin gene OsCPR5.1 but not OsCPR5.2” by Yugander Arra, Florence Auguy, Melissa Stiebner, Sophie Chéron, Michael M. Wudick, Manuel Miras, Van Schepler-Luu, Steffen Köhler, Sébastien Cunnac, Wolf B. Frommer and Laurence Albar, 20 December 2023, Plant Biotechnology Journal. DOI: 10.1111/pbi.14266

The research took place within the framework of the Cluster of Excellence for Plant Research CEPLAS and was funded as part of Prof Frommer’s Alexander von Humboldt Professorship.