Proyecto H2020 ExpoSEED: Explorando el control molecular del rendimiento de semillas en cultivos.
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2016 -2019
- Presupuesto asignado 486.000,00 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto Proyecto ExpoSEED
Descripción
ExpoSEED busca integrar enfoques genéticos directos e inversos para analizar los mecanismos moleculares que controlan el rendimiento de semillas/granos (en adelante, "semilla") en especies modelo y transferir el conocimiento adquirido a cultivos seleccionados, como leguminosas y cereales. La identificación de "centros moleculares" que determinan el número y tamaño de las semillas sentará las bases para el desarrollo de herramientas de mejoramiento que mejoren la producción de semillas en las primeras etapas del mercado.
La investigación en especies modelo ha permitido recientemente identificar factores de transcripción clave que regulan la reproducción vegetal, además de explorar la conservación de los mecanismos moleculares que, en última instancia, controlan la aptitud vegetal en especies distantes. El próximo reto consiste en analizar en profundidad las redes moleculares controladas por estos factores clave para, finalmente, manipular las características agronómicas.
Los socios de ExpoSEED identificarán las dianas de los factores de transcripción clave en especies modelo como Arabidopsis y arroz, y transferirán este conocimiento a cultivos como la soja, el trigo y la cebada. Los genes diana candidatos se caracterizarán con mayor profundidad mediante herramientas genéticas y de biología celular, junto con la búsqueda de nuevos alelos en un amplio panel de germoplasma silvestre y cultivado. Como enfoque paralelo, se utilizarán colecciones de germoplasma y poblaciones segregantes para estudios de mapeo que identifiquen nuevos factores que controlan el rendimiento de semillas en leguminosas y cereales.
ExpoSEED busca crear sinergias para abordar eficazmente cuestiones científicas y sociales. Desde una perspectiva científica, este es el momento oportuno: diversas secuencias completas del genoma de cultivos y nuevas herramientas genéticas y de biología celular respaldarán los enfoques de biología comparativa que se buscan en este proyecto. Considerando el problema social, la seguridad alimentaria es una prioridad mundial: en el contexto del crecimiento poblacional y la reducción de tierras cultivables, aumentar la producción de alimentos es uno de los desafíos de este siglo.
Descripción de actividades
ExpoSEED se compone de seis paquetes de trabajo: los paquetes de trabajo 2, 3, 4 y 5 se centran en los aspectos científicos. El paquete de trabajo 1 se dedica íntegramente a la coordinación y gestión de la Acción, mientras que el paquete de trabajo 6 desarrolla actividades de formación y difusión. Todas las actividades científicas convergen en el paquete de trabajo 4, como se representa en las imágenes adjuntas.
El paquete de trabajo 2 aprovechó un enfoque de genética inversa (del gen candidato al fenotipo) para identificar los factores clave que controlan el rendimiento, en términos de número y tamaño de las semillas, en especies modelo como Arabidopsis y arroz. La información obtenida en las especies modelo se ha probado y transferido a cereales como el trigo y la cebada, así como a otras especies lejanamente relacionadas pertenecientes a las familias de la amapola, el tomate y el café. Durante el proyecto, los socios identificaron factores clave que actúan como reguladores maestros en el control de la ramificación, el carpelo y la diferenciación de las semillas. La caracterización funcional (Paquete de trabajo 4) de un subconjunto de factores seleccionados condujo a una descripción más detallada de las vías moleculares que controlan etapas específicas del desarrollo con efectos determinantes en el rendimiento. Curiosamente, se han descrito fuertes interconexiones con el metabolismo de auxinas y citoquininas. Parte de la información obtenida en especies modelo, junto con la identificación de nuevas vías que controlan la formación del grano, se ha transferido a especies de cultivos para identificar genes clave que pueden manipularse para aumentar el rendimiento en el futuro próximo.
WP3 está fuertemente interconectado con WP2 y se basa en la observación de que la variabilidad genética puede explotarse para buscar nuevos alelos funcionales en los genes candidatos seleccionados. Este enfoque se ha explotado principalmente en cereales, trigo y cebada, lo que ha llevado a la identificación de nuevos alelos prometedores.
WP5 utiliza un enfoque complementario, denominado genética directa (del fenotipo a los genes causales), que se espera que conduzca a la identificación de nuevos factores que se caracterizarán dentro de WP4. Esta estrategia solo se realiza en cultivos como trigo y cebada y se basa en la observación de fenotipos específicos. Una vez detectado un fenotipo, por ejemplo, de alto rendimiento, en colecciones de germoplasma o en poblaciones, se realiza un análisis estadístico para identificar el locus genético correlacionado con dicho fenotipo. Se analizaron colecciones de cebada, trigo duro y trigo harinero en diferentes condiciones de cultivo para identificar genotipos específicamente adaptados al entorno seleccionado. Se realizaron análisis de QTL o GWAS para identificar la combinación de locus genéticos que confiere un mejor rendimiento a la planta (se identificaron nuevos locus que influyen en el rendimiento y el contenido de gluten).
Finalmente, el paquete de trabajo 4 recopiló la información de los demás paquetes de trabajo, incluyendo genes candidatos prometedores (Paquete de trabajo 2), alelos (Paquete de trabajo 3) y loci genéticos (Paquete de trabajo 5) para continuar con la caracterización funcional. Para ello, los socios emplearon diversas técnicas (estudios detallados de perfiles de expresión, experimentos de interacción proteína-proteína y proteína-ADN, desarrollo de líneas mutantes y análisis microscópico) para describir la función precisa de los genes seleccionados.
En conjunto, los paquetes de trabajo de ExpoSEED y la colaboración entre los socios ampliaron el conocimiento sobre los mecanismos que controlan diferentes aspectos, todos ellos relacionados con la determinación del rendimiento en especies modelo y de cultivo. Las cesiones temporales de personal han aportado un valor añadido a la Acción, lo que ha permitido ampliar los conocimientos y las técnicas utilizadas en cada laboratorio para alcanzar objetivos específicos.
Descripción contextual
ExpoSEED representa un consorcio internacional e intersectorial compuesto por nueve socios a nivel mundial: México, Argentina, Colombia, Italia, España, Países Bajos, Alemania, Japón y Australia. Estos socios comparten el interés científico de abordar la seguridad alimentaria con base científica; dentro de la Acción, se planean actividades de investigación, adscripciones de personal y eventos de difusión.
ExpoSEED busca integrar enfoques genéticos directos e inversos para analizar los mecanismos moleculares que controlan el rendimiento en especies modelo y transferir el conocimiento adquirido a cereales seleccionados como el trigo y la cebada. Además, se estudia la conservación evolutiva de los mecanismos moleculares que controlan los órganos reproductivos desde una perspectiva evo-devo.
La identificación de "centros moleculares" que determinan el número y tamaño de las semillas sienta las bases para el desarrollo de herramientas de mejoramiento que mejoren la producción de semillas al inicio de su comercialización. La investigación en especies modelo ha permitido recientemente identificar factores clave que regulan la reproducción vegetal, así como explorar la conservación de los mecanismos moleculares que, en última instancia, controlan la aptitud vegetal en especies lejanamente relacionadas. El próximo reto ahora es analizar en profundidad las redes moleculares controladas por estos factores clave para, finalmente, manipular las características agronómicas. Los socios de ExpoSEED identificaron algunos de los factores clave que controlan el rendimiento.
Los genes candidatos se caracterizaron con mayor profundidad mediante herramientas genéticas y de biología celular, junto con la búsqueda de nuevos alelos en un amplio panel de germoplasma silvestre y cultivado. Como enfoque paralelo, se utilizaron colecciones de germoplasma y poblaciones segregantes para estudios de mapeo que identificaron nuevos factores que controlan el rendimiento de semillas de cereales. ExpoSEED creó sinergias para abordar eficazmente cuestiones científicas y sociales. Desde una perspectiva científica, este es el momento oportuno: numerosas secuencias completas del genoma de cultivos y nuevas herramientas genéticas y de biología celular respaldaron los enfoques de biología comparativa de este proyecto. Considerando el problema social, la seguridad alimentaria es una prioridad mundial: en el contexto del crecimiento poblacional y la reducción de tierras cultivables, aumentar la producción de alimentos es uno de los desafíos de este siglo.
Objetivos
ExpoSEED tiene como objetivo integrar enfoques genéticos directos e inversos para analizar los mecanismos moleculares que controlan el rendimiento de semillas/granos (en adelante, semillas) en especies modelo y transferir el conocimiento adquirido a cultivos seleccionados como leguminosas y cereales. La identificación de “centros moleculares” que determinan el número y el tamaño de las semillas sentará las bases para el desarrollo de herramientas de mejoramiento para mejorar la producción de semillas al comienzo del mercado de semillas. La investigación sobre especies modelo ha permitido recientemente identificar factores de transcripción clave que regulan la reproducción de las plantas junto con la exploración de la conservación de los mecanismos moleculares que finalmente controlan la aptitud de las plantas en especies lejanamente relacionadas. El próximo desafío ahora es diseccionar más profundamente las redes moleculares controladas por estos factores clave para finalmente manipular los rasgos agronómicos. Los socios de ExpoSEED identificarán los objetivos de factores de transcripción clave en especies modelo como Arabidopsis y arroz y transferirán este conocimiento a cultivos como la soja, el trigo y la cebada. Los genes diana candidatos se caracterizarán aún más utilizando herramientas genéticas y de biología celular junto con la búsqueda de nuevos alelos en un gran panel de germoplasma silvestre y cultivado. Como enfoque paralelo, se utilizarán colecciones de germoplasma y poblaciones segregantes para estudios cartográficos destinados a identificar nuevos factores que controlan el rendimiento de semillas en leguminosas y cereales. ExpoSEED tiene como objetivo crear sinergias para abordar de manera eficiente cuestiones científicas y sociales. Desde la perspectiva científica, ahora es el momento adecuado: una serie de secuencias completas del genoma de cultivos y nuevas herramientas genéticas y de biología celular respaldarán los enfoques de biología comparada previstos en este proyecto. Teniendo en cuenta la cuestión social, la seguridad alimentaria es una prioridad mundial: en el contexto de crecimiento demográfico y menos tierras cultivables, aumentar la producción de alimentos es uno de los desafíos de este siglo.
Resultados
Una iniciativa internacional financiada por la UE ha investigado cómo los estudios sobre el control molecular del desarrollo y maduración de las semillas en la especie modelo Arabidopsis thaliana pueden aplicarse a los cereales y otros cultivos.
La seguridad alimentaria es una prioridad mundial. Ante el crecimiento demográfico y la reducción de la tierra cultivable disponible debido al cambio climático, aumentar la producción de alimentos es uno de los mayores retos a los que se enfrenta la humanidad en este siglo. El proyecto ExpoSEED , financiado con fondos europeos , abordó este reto aplicando diferentes enfoques novedosos a especies modelo y de cultivo para comprender cómo aumentar el rendimiento de las especies cultivadas. «Identificamos factores clave que controlan la formación de inflorescencias y el desarrollo de semillas en especies lejanamente relacionadas para contribuir a la seguridad nutricional», explica Raffaella Battaglia, coordinadora del proyecto. El proyecto representó un consorcio internacional e intersectorial compuesto por nueve socios de Alemania, España, Italia, Países Bajos, Argentina, Australia, Colombia, Japón y México. Incluía científicos tanto del mundo académico como de empresas de semillas, que trabajaban juntos con diferentes especies de plantas. «Estas incluían especies modelo (A. thaliana), cereales como el arroz, la cebada, el trigo panificable y el trigo duro, y especies pertenecientes a las familias de la amapola, el tomate y el café», explica Battaglia.
Avance a través de la colaboración
ExpoSEED aprovechó esta experiencia complementaria para transferir conocimiento de diferentes especies y acelerar el descubrimiento de la función génica. "Este aspecto del proyecto fue crucial", comenta Battaglia. "Acelerará el descubrimiento de la función génica en aquellas especies donde la redundancia genética y la falta de herramientas moleculares dificultan la identificación exitosa de genes que pueden manipularse para mejorar el rendimiento del cultivo". Un resultado importante logrado por ExpoSEED fue una visión más completa del control molecular de la formación de frutos y semillas, gracias a la colaboración de los socios. "Identificar los centros moleculares que conectan diferentes vías fue muy significativo, ya que es crucial para comprender qué se puede manipular para mejorar el rendimiento y limitar el desequilibrio entre sus componentes", señala Battaglia. El estudio de A. thaliana proporcionó información detallada sobre las redes moleculares que controlan la formación de carpelos, la determinación de óvulos, el tamaño del fruto y la producción de semillas. "Curiosamente, hemos podido aclarar la interacción entre genes clave que controlan la diferenciación de carpelos y el metabolismo hormonal", señala Battaglia. Además, los socios del proyecto aplicaron una perspectiva evolutiva, lo que condujo a una comprensión detallada de las redes moleculares que rigen la formación de flores en especies pertenecientes a las familias de la amapola, el tomate y el café.
Múltiples beneficios
Además de publicar sus resultados en importantes revistas científicas de alto impacto y arbitraje, ExpoSEED también facilitó una colaboración fructífera entre la ciencia y la industria. "Fue emocionante construir una red donde se debatió y evaluó el conocimiento adquirido sobre una especie modelo como A. thaliana en cultivos. El reto actual de la fitociencia es profundizar en los detalles de la función genética para superar cualquier posible estancamiento que pueda obstaculizar la mejora del rendimiento", observa Battaglia. El proyecto, una iniciativa del Intercambio de Personal de Investigación e Innovación Marie Sk?odowska-Curie (MSCA-RISE), brindó a investigadores, tanto experimentados como noveles, la oportunidad de trabajar en laboratorios de primer nivel, ampliar sus habilidades y transferir los conocimientos adquiridos a sus instituciones de origen, impulsando a la vez su desarrollo profesional. ExpoSEED también beneficiará a la comunidad investigadora en general mediante la generación de conocimiento científico e hipótesis novedosas que actualmente se encuentran en estudio. "A largo plazo, el conocimiento generado por ExpoSEED supone un paso adelante hacia la seguridad alimentaria", concluye Battaglia.
Información adicional
Los principales avances más allá del estado del arte son i) el conocimiento científico que los socios produjeron, ii) el desarrollo de nuevas tuberías para analizar datos genotípicos buscando nuevos alelos y iii) marcadores moleculares para ser explotados como herramientas de pre-mejoramiento.
Durante el período del informe, la cooperación entre los socios produjo información más detallada (es decir, identificación de genes y descripción de redes) que permiten seleccionar factores críticos que controlan i) la ramificación en el arroz, ii) la diferenciación del carpelo y la formación del óvulo en Arabidopsis iii) la interacción hormonal en Arabidopsis y el trigo y iv) el metabolismo del azúcar en la cebada y el trigo.
Ampliando la mirada más allá de los resultados científicos; la palabra clave dentro de la Acción es la seguridad alimentaria. Los resultados obtenidos están agregando información novedosa para ser explotada para finalmente alcanzar la seguridad alimentaria. Se han producido datos novedosos para la investigación básica y las herramientas de pre-mejoramiento.
Coordinadores
- CONSIGLIO PER LA RICERCA IN AGRICOLTURA E L'ANALISI DELL'ECONOMIA AGRARIA (CREA)
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