La técnica CRISPR apoya el estudio genético detrás de la fijación del nitrógeno en las judías

La judía es un alimento con una gran cantidad de beneficios alimenticios gracias a su alto valor nutricional, ser la leguminosa más consumida y por presentar la capacidad de fijar el nitrógeno al suelo, lo que implica un menor uso de fertilizantes nitrogenados tanto para ella como para el resto de cultivos que conviven con ella, algo que favorece la reducción de la contaminación asociada a este proceso. Sin embargo, el estudio en profundidad de las plantas de judía se enfrenta al problema de que es muy recalcitrante a la transformación genética. Esto implica que si los equipos de investigación quieren conocer las funciones de sus genes o cómo se comportan, no pueden generar mutantes o plantas modificadas en las que silencien o expresen los genes que quieren estudiar.

El equipo del Grupo de Fisiología Molecular y Biotecnología de Plantas de la Universidad de Córdoba se ha centrado en conocer el metabolismo de los nucleótidos purínicos, como la adenina, en este cultivo. La adenina es una de las 5 bases nitrogenadas siempre presentes en el ADN y ARN que, si bien son determinantes en todos los organismos, cobran importancia en las judías al jugar un papel crucial en la asimilación del nitrógeno fijado en los nódulos. De este modo, las investigadoras Josefa Muñoz Alamillo y Cristina Mª López se centraron en el estudio de la enzima dedicada al reciclaje de la adenina en el ciclo de la fijación de nitrógeno (la adenina fosforribosil transferasa – APRT) y encontraron que aunque esta enzima tiene una única función (reciclaje de adenina) hay 4 copias diferentes del gen que la codifica.

‘Nuestra pregunta pasaba por conocer cuáles eran las funciones específicas de esas cuatro copias del gen que sintetizan esa enzima’ explica la investigadora Josefa Muñoz. Sin embargo, para conocer las diferentes funciones de cuatro copias de gen tan parecidas (casi idénticas) había que probar en plantas en las que se silenciaran el resto de los genes, menos del que se quería explorar la función, o viceversa, algo que era muy difícil por la resistencia de la judía a ser transformada. ‘Decidimos utilizar la herramienta CRISPR/Cas9 con el que logramos la edición genética de dos genes relacionados con el reciclaje de nucleótidos en las raíces de estas’ continúa la investigadora.

Así, la puesta a punto de un sistema basado en las tijeras genéticas de CRISPR/Cas9 que recibió el Nobel de Química en 2020 es lo que ha permitido crear dos mutantes funcionales de dos de las copias de los genes que codifican esta enzima que recicla la adenina y caracterizar sus funciones por separado. ‘Y descubrimos que uno de ellos sí que afecta al reciclaje de la adenina, pero el otro juega un papel esencial en la regulación de las citoquininas, una de las hormonas responsables del crecimiento de las raíces y los nódulos de la planta’ señala Muñoz.

Por tanto, el análisis de la expresión génica y el análisis metabolómico revela que, aunque las dos copias de genes tienen funciones redundantes, también tienen funciones específicas diferenciadas, algo que era desconocido hasta ahora y que, debido a su similitud y a la resistencia de judía a ser transformada por otros métodos tradicionales, el uso de CRISPR/Cas9 (apenas utilizado en leguminosas) ha sido esencial.

Los análisis también revelaron que la ubicación de los genes era diferente y eso estaba implicado en la especialización de sus funciones, mientras uno se expresaba en el cloroplasto (los órganos de la célula que se encargan de hacer la fotosíntesis) el otro lo hacía en el citosol (la parte acuosa en la que están sumergidos los orgánulos y el núcleo).

Con estos avances se profundiza por primera vez en el metabolismo de la adenina en la judía y se conocen la diferenciación de funciones de dos de los genes que producen la enzima clave para el reciclaje de adenina y que afectan a la formación de los nódulos y al metabolismo del nitrógeno usando, también como novedad, el sistema CRISPR/Cas. Para las investigadoras un primer paso es caracterizar las funciones de los otros dos genes implicados y que al parecer podrían tener otras funciones como la regulación del crecimiento de la raíz, y la resistencia a la sequía, y para ello continuar aplicando esta potente herramienta.

Referencia:

Cristina Mª López, Saleh Alseekh, Félix J Martínez Rivas, Alisdair R Fernie, Pilar Prieto, Josefa M Alamillo, CRISPR/Cas9 editing of two adenine phosphoribosyl transferase coding genes reveals the functional specialization of adenine salvage proteins in common bean, Journal of Experimental Botany, Volume 76, Issue 2, 10 January 2025, Pages 346–362, https://doi.org/10.1093/jxb/erae424