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Jun 14, 2023

Llámalo un regreso: el proceso pionero de Warnell Lab que le da a las castañas una oportunidad de luchar

En un terreno en el centro de Nueva York el año pasado, los investigadores recolectaron más

En un terreno en el centro de Nueva York el año pasado, los investigadores recolectaron más de 11,000 castañas.

Pero estas nueces no se asarán en absoluto sobre un fuego abierto. En cambio, serán replantados y evaluados para detectar la presencia de un gen específico, oxalato oxidasa u OxO, que les da a los árboles resistencia al tizón del castaño.

Todavía es un largo viaje para volver a plantar los miles de millones de castaños perdidos en los últimos 100 años, cuando el hongo llegó a América del Norte con un castaño asiático. Pero es más progreso del que se ha logrado en generaciones gracias a la tecnología a nivel celular, las asociaciones de investigación y una técnica para reproducir embriones de castaño genéticamente idénticos desarrollado por científicos de la Escuela Warnell de Silvicultura y Recursos Naturales de la Universidad de Georgia.

Resulta que los castaños son un grupo quisquilloso.

Cuando comenzaron a sucumbir a la plaga a principios del siglo XX, los científicos primero intentaron atacar al patógeno Cryphonectria parasitica. Los científicos también intentaron cruzar castaños autóctonos con variedades asiáticas, pero estos árboles, aunque mostraron cierta resistencia al tizón, nunca sobrevivieron en el bosque.

A medida que la tecnología evolucionó, los científicos exploraron nuevas formas de cultivar castañas. En Warnell, en la década de 1980, el profesor Scott Merkle comenzó a investigar la embriogénesis somática para clonar muestras tomadas de árboles sobrevivientes descubiertos en la naturaleza. Estos árboles vivieron lo suficiente para producir nueces, que fueron cosechadas y utilizadas para iniciar cultivos. Alrededor de 1989 afinó el proceso: la embriogénesis somática comienza con un embrión de semilla de una nuez. Se clona para producir miles de embriones nuevos, genéticamente idénticos, que proliferan hasta que reciben una señal para completar su desarrollo en embriones maduros. Son estos embriones somáticos los que germinan en plántulas.

En ese momento, los científicos no sabían qué genes podrían usarse para ayudar a las castañas a combatir el tizón. Merkle pensó que los cultivos de tejidos, si se perfeccionaban en estos árboles quisquillosos, podrían ayudar en el futuro.

"Lo vio como una herramienta para hacer dos cosas", dijo Dayton Wilde, profesor de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales de la UGA que trabajó en el laboratorio de Merkle como asociado postdoctoral. "Un objetivo para la transformación genética, sin siquiera saber qué genes podrían estar ahí afuera, pero sabiendo que podría haber un gen de resistencia que podría estar disponible y que tenía que haber una manera de colocarlo, y segundo, una vez que obtienes un árbol con genética mejorada, necesitas hacer muchas copias de ella. Puedes hacer una propagación masiva a través de la embriogénesis".

Casi al mismo tiempo, los científicos de la Facultad de Ciencias Ambientales y Forestales de la Universidad Estatal de Nueva York (SUNY-ESF) intentaban insertar genes en nuevos brotes. Era como si los laboratorios tuvieran piezas del mismo rompecabezas. Mientras Merkle trabajaba para que los embriones somáticos se convirtieran en plántulas como vehículo para nuevos genes, los investigadores de SUNY-ESF, Bill Powell y Chuck Maynard, estaban experimentando con nuevos genes, pero no pudieron lograr que arraigaran en las plantas.

"En ese momento, teníamos un buen sistema de transformación genética para trabajar con cultivos embriogénicos de álamos amarillos y lo adaptamos para el castaño. Scott realmente fue el primero en desarrollar un sistema de embriogénesis somática para el castaño", dijo Wilde. "En ese momento, SUNY-ESF también estaba interesado en la restauración de castaños y quería colaborar con Scott en esto".

Maynard había contratado al investigador postdoctoral Zizhuo Xing, quien ayudó a unir las piezas del rompecabezas: aplicó el protocolo somático de Merkle para trabajar con cultivos embriogénicos.

En una entrevista de 2019 que Powell de SUNY-ESF dio para Templeton World Charity Foundation, describió la conexión que hizo entre el ácido oxálico y el tizón del castaño: el hongo usa ácido oxálico para atacar al árbol, pero si puede cultivar un árbol que descomponga el oxálico ácido, en teoría, ya no es susceptible al tizón.

Utilizando un proceso bacteriano natural para insertar el gen OxO en células cultivadas en un laboratorio, pudieron cultivar castañas con un nivel de resistencia similar al de las castañas asiáticas.

"Una vez que las bacterias mueven el ADN a las células de la planta, propagamos esas células y, en última instancia, cultivamos árboles a partir de esas células. El trabajo de Scott realmente ha sido clave para ese proceso de pasar de una sola célula a una planta completa, especialmente para la castaña", dijo Andy. Newhouse, codirector del Proyecto de Investigación y Restauración del Castaño Americano en SUNY-ESF. "Parte de la razón por la que todo este esfuerzo de restauración de castañas con ingeniería genética ha llevado más de 30 años es que se debe considerar cada paso del proceso. Pero el trabajo de Scott y el trabajo superpuesto en nuestros laboratorios nos ha permitido hacerlo realidad".

Durante décadas, la competencia amistosa entre los laboratorios ayudó a impulsar nuevos descubrimientos. La empresa de plántulas ArborGen y, más recientemente, Forest Health Initiative también proporcionaron fondos para que ambos laboratorios trabajaran en embriogénesis somática y sistemas de transferencia de genes.

La American Chestnut Foundation también ha sido un socio clave en este trabajo. Ha ayudado a financiar investigaciones, formalizar procesos y crear una red de viveros dispuestos a ayudar en el proceso de restauración.

Los avances en las últimas dos décadas han sido asombrosos, dijo Sara Fitzsimmons, directora de conservación de The American Chestnut Foundation.

"Hasta mediados de la década de 2010, había mucha gente trabajando en varios aspectos de la restauración de castaños, y había colaboración a través de un grupo llamado NE-1333: nos reuníamos y veíamos dónde había colaboración cruzada", dijo Fitzsimmons. "Scott se ha centrado principalmente en el cultivo de tejidos y la criopreservación, descubriendo los mecanismos para mejorar la tubería transgénica. El laboratorio de Bill en ESF ha estado haciendo eso con una gran cantidad de información sobre lo que ha estado sucediendo en el laboratorio de Scott".

Sin embargo, todavía hay un obstáculo más antes de que las castañas en el centro de Nueva York se puedan encontrar en un vivero cerca de usted. Y eso tiene que ver con genes y regulaciones.

Cuando el laboratorio de Powell transformó con éxito un castaño americano de Nueva York con el gen OxO, creó una nueva línea llamada Darling 58. Luego produjeron embriones somáticos a partir de esta línea, enraizando los brotes para producir árboles transgénicos Darling 58.

Cuando se utilizan árboles transgénicos en la investigación, se requiere un permiso de prueba de campo de USDA-APHIS. Si bien este es un proceso complejo, no es tan complicado como el "estado no regulado" requerido para distribuir un árbol transgénico al público. Esto requiere la aprobación del USDA-APHIS, la EPA y la FDA. Han pasado años, pero se espera una decisión en los próximos meses.

Si se aprueba, es un paso importante para los árboles transgénicos. Hasta ahora, el proceso ha sido utilizado por el sector agrícola para la aprobación de cultivos transgénicos. Las empresas contratan equipos para completar y supervisar las solicitudes.

"Nos dijeron que no era factible", agregó Newhouse, quien ha visto la solicitud federal hasta sus etapas finales. "Y tomó años de reuniones y resolver las cosas, pero aquí estamos. Tenemos el compromiso de las tres agencias y esperamos una decisión pronto".

Merkle suspira cuando recuerda el papeleo requerido para cultivar castaños transgénicos en Whitehall Forest o incluso para polinizar castaños en UGA Horticultural Farm hace un par de años. Usó polen de SUNY-ESF; los árboles produjeron nueces, que luego se enviaron a SUNY-ESF, Penn State University y la granja de investigación TACF en Meadowview para que se probaran en cuanto a resistencia al tizón.

En cuanto a su propia cosecha de árboles transgénicos, Merkle dijo que ha terminado con las pruebas de campo. Pero está perfectamente feliz de trabajar en su laboratorio cultivando plántulas transgénicas para que otros las prueben en el campo. Y así es exactamente como Merkle está ayudando con la siguiente etapa del desarrollo de la castaña.

Mientras que las castañas crecían desde Maine hasta Georgia, los diferentes climas y ubicaciones crearon diferentes genotipos en todo el rango, genéticas ligeramente diferentes en respuesta a las condiciones locales. Debido a que las futuras castañas se seleccionan para el gen OxO, significa que es probable que un bloque de genes adyacentes al gen OxO en el cromosoma de Darling 58 se transmita con cada generación, en lugar de diluirse con el tiempo. "Entonces, hay un trozo de tamaño desconocido de ese árbol de Nueva York que se producirá en todos los árboles OxO que producimos aquí en Georgia usando polen Darling 58", dijo Merkle.

Ahora está trabajando para insertar directamente el gen OxO en variedades regionales de castañas, que luego se pueden cultivar en sus climas nativos si Darling 58 recibe la aprobación federal. Este trabajo, apoyado por la American Chestnut Foundation y la Foundation for the Carolinas, está siendo realizado en el laboratorio de Merkle por el investigador profesional Ryan Tull y la asociada postdoctoral Heather Gladfelter. El investigador profesional Paul Montello supervisa el crioalmacenamiento de copias de los cultivos para uso futuro.

Este trabajo continuará fortaleciendo el futuro de las castañas americanas, dijo Jared Westbrook, director científico de la American Chestnut Foundation.

"Scott ha estado trabajando con nosotros durante los últimos años para poner el gen OxO en otros árboles, no solo en árboles de Nueva York, para que no tengamos un cuello de botella (de genes)", dijo Westbrook. "Scott es el pionero en el desarrollo de estos métodos para cultivar embriones de castaños y en hacer parte de la ingeniería genética: clonar castaños de manera que pudiéramos introducir diferentes genes en el genoma del árbol".

El objetivo, dijo, es reproducir el gen OxO en 200 árboles de todo el rango. Cada año, los científicos polinizan a mano unos pocos miles de árboles. Con la desregulación, podrían expandirse hasta plantar 10.000 árboles al año.

Las estimaciones aproximadas sitúan la población original de castañas en 4 mil millones. Son muchos árboles para reemplazar y un problema logístico a gran escala para Fitzsimmons, quien está a cargo de devolver los árboles al bosque.

Pero trabajar con viveros, anticipándose a la posible distribución de plántulas a finales de este año, la tiene esperanzada. Es un cambio radical desde donde estaban las castañas hace solo un par de décadas.

"Las castañas son lo que llamamos una especie recalcitrante: la semilla solo se puede almacenar durante un año, y hay todas estas cosas que hacen que sea una especie difícil de trabajar", dijo. "Pero esos son algunos de los pasos agigantados que han dado los laboratorios de Scott y Bill. Han encontrado formas de superar algunos de estos desafíos".

Esta historia fue publicada por primera vez por Warnell School of Forestry & Natural Resources y se vuelve a publicar con permiso.