El eje miR172b–SNB que mantiene cerradas las flores del arroz ofrece pistas para la mejora de variedades cleistógamas
Antecedentes: la base genética de la autofecundación del arroz sin abrir la flor
Un estudio señala que, cuando disminuye el microARN miR172b en el arroz, se libera la regulación que reprime la acumulación de transcritos de SNB, las lodículas que abren la flor se reducen y se produce cleistogamia. Los investigadores identificaron este eje regulador al comparar un mutante natural con líneas editadas genéticamente. Sin embargo, aún no se ha determinado cuánto reduce la polinización cruzada en condiciones reales de campo.
La cleistogamia es la autofecundación con la flor cerrada. En el arroz y otras gramíneas, las lodículas se hinchan durante la floración y abren la flor. Si se limita su desarrollo o hinchamiento, la flor permanece cerrada. Este rasgo podría contribuir a mantener la pureza varietal y reducir el flujo génico no deseado.
Algunos mutantes cleistógamos de arroz identificados anteriormente pierden el rasgo a bajas temperaturas o presentan una menor tasa de formación de semillas. Este estudio se centró en el mutante natural “lodiculeless spikelet” (ld), del que se había informado que no presentaba desventajas claras en los principales rasgos agronómicos. La cuestión central era qué altera el desarrollo de las lodículas.
Hallazgos principales: relación entre la pérdida de función de MIR172b y la liberación de la represión de SNB
Los investigadores cruzaron ld, en el fondo genético de la variedad Ilpum, con Milyang 23 y analizaron 1.027 plantas F2 y 1.673 plantas F3 para delimitar la región causal. La comparación de secuencias reveló una deleción de 4.572 pares de bases que abarcaba todo MIR806a y la región promotora que regula la expresión de MIR172b. Para distinguir cuál de los dos loci causaba el rasgo, editaron cada uno por separado con CRISPR/Cas9. La cleistogamia se reprodujo en las líneas con la función de MIR172b alterada, mientras que las líneas sin MIR806a desarrollaron lodículas normales.
El análisis de ARN pequeños en panículas jóvenes también mostró que miR172b en ld había disminuido hasta niveles de fondo de detección. No se observó la misma reducción en otros tipos de miR172. Al comparar cinco genes de la familia APETALA2 (AP2) con sitios diana de miR172, solo los transcritos de SUPERNUMERARY BRACT (SNB) aumentaron significativamente en panículas jóvenes. Esto respalda una relación entre la liberación de la represión de SNB por la deficiencia de miR172b y el desarrollo anómalo de las lodículas.
Para comprobar mejor la causalidad, los investigadores modificaron mediante edición prime el sitio de unión de miR172 en SNB. Conservaron la secuencia de aminoácidos de la proteína y modificaron la secuencia para que el transcrito escapara de la represión por miR172. En estas líneas PE-rSNB también se reprodujeron el aumento de transcritos de SNB y la reducción de las lodículas. La tinción de tejidos con un gen reportero mostró que las zonas de expresión de MIR172b y SNB se solapaban en las lodículas, lo que respalda una relación reguladora entre ambos genes.
Implicaciones y perspectivas: diferencia entre las líneas de validación del mecanismo y las candidatas para mejora genética
En PE-rSNB también se observó un defecto por el que la panícula no emergía normalmente de la vaina de la hoja bandera. Los investigadores plantearon que la intensidad o el alcance tisular de la liberación de la represión de SNB podrían haber diferido de los de ld. La edición del sitio diana de SNB fue útil para validar el mecanismo, pero este defecto debe tenerse en cuenta para su aplicación en mejora genética.
En cambio, en las líneas ld examinadas, la altura de la planta, el número de macollos y el número de semillas maduras por panícula fueron similares a los de sus respectivos tipos silvestres. Los granos se volvieron algo más cortos y anchos, pero el peso de mil granos, es decir, el peso de 1.000 granos, no mostró diferencias significativas. Estos resultados respaldan los alelos de pérdida de función de MIR172b como posibles recursos para desarrollar arroz cleistógamo. No demuestran que el rendimiento sea igual en todos los ambientes.
Aún no se sabe qué genes regula SNB aguas abajo ni si modifica la división, la expansión o la identidad celular. El efecto de la cleistogamia para limitar el flujo génico también debe evaluarse directamente en el campo. El estudio concreta una diana genética para regular la apertura floral y un candidato para la mejora genética. Los métodos y resultados pueden consultarse en el artículo completo de Plant Physiology.
Cleistogamy, or self-fertilization of a closed flower, can limit unintended gene flow and may contribute to varietal purity in rice (Oryza sativa), with potential value for transgene containment. We previously identified the natural cleistogamous mutant lodiculeless spikelet (ld). Here, using map-based cloning, we show that ld carries a 4.6-kb deletion encompassing the entire MICRORNA806a (MIR806a) precursor and the upstream region of the MIR172b locus. CRISPR/Cas9-mediated editing of the MIR806a or MIR172b locus demonstrated that the loss of accumulation of miR172b, but not miR806a, is responsible for the cleistogamy phenotype of ld plants. Small RNA sequencing confirmed that miR172b is nearly absent in ld mutants. Among the five APETALA 2 (AP2)-like genes harboring miR172b target sites, only SUPERNUMERARY BRACT (SNB) transcripts accumulated to significantly higher levels in young ld panicles than the wild type. Prime editing of the miR172-binding site in SNB generated a miR172-resistant SNB transcript isoform that reproduced the vestigial lodicule phenotype, indicating that the derepression of SNB transcript accumulation is sufficient to alter lodicule development. Histological analysis of rice harboring the GUS reporter gene driven by the MIR172b or SNB promoter revealed a strong overlap between the MIR172b and SNB expression domains in developing lodicules, supporting their regulatory relationship. Together, these results identify the miR172b-mediated repression of SNB transcript abundance as an important regulatory module for lodicule development and cleistogamy in rice. The agronomically neutral ld alleles represent valuable genetic resources for developing cleistogamous rice cultivars.
La mejora genética de arroz cleistógamo requiere evaluar el cierre de la flor junto con el desarrollo normal de la panícula y la producción de semillas. Este estudio aporta una base para introducir alelos de pérdida de función de MIR172b en variedades candidatas y seleccionar líneas que mantengan los principales rasgos agronómicos. En las líneas con edición directa del sitio de unión de miR172 en SNB apareció un defecto que impedía que la panícula emergiera de la vaina de la hoja, lo que muestra que los resultados pueden variar según la diana y el alcance de la regulación, incluso dentro del mismo eje.
Un escenario de aplicación concreto consiste en seleccionar líneas candidatas y evaluar conjuntamente las tasas de polinización cruzada y los rasgos agronómicos en condiciones reales de campo. La cleistogamia podría ayudar a mantener la pureza varietal o reducir el flujo de transgenes, pero todavía no hay fundamento para concluir que la cleistogamia por sí sola pueda impedir por completo el flujo génico.