Investigadores descubren repeticiones de codones clave que regulan la tolerancia al frío en el arroz

Un estudio reciente realizado por el grupo del Prof. Chong Kang del Instituto de Botánica de la Academia de Ciencias de China (CAS) ha revelado un nuevo mecanismo de reparación domesticado en frío para el daño del ADN en el arroz, proporcionando módulos de élite correspondientes para la mejora del rasgo de tolerancia al frío en arroz con el codón repeticiones en un solo sitio.

Los resultados se publicaron en línea en Avances de la ciencia.

El cambio climático global ha provocado un claro aumento de las temperaturas ambientales anormales y de los fenómenos meteorológicos extremos en los últimos años. Por lo tanto, es urgente que los cultivos tengan la capacidad de soportar temperaturas extremas para garantizar rendimientos estables. Aunque las plantas han desarrollado mecanismos de protección complicados y delicados para sobrevivir al estrés por frío, todavía se produce daño en el ADN, lo que reduce las defensas de las plantas. Además, el mecanismo regulatorio subyacente ha sido poco claro.

En este estudio, el grupo del Prof. Chong, en cooperación con el grupo del Prof. Li Qizhai de la Academia de Matemáticas y Ciencias de Sistemas de CAS, y el grupo del Prof. Cheng Zhukuan del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo de CAS, utilizó un enfoque que combina genética de poblaciones, genómica y biología celular y evolutiva para explotar el nuevo módulo de tolerancia al frío.

Los investigadores realizaron estudios de asociación de todo el genoma de fusión de datos (DM-GWAS) basados ​​en escalamiento multidimensional. GWAS identificó una serie de loci utilizando datos fenotípicos combinados. Uno de ellos fue qCTS11-1 en el cromosoma 11, que contribuye claramente a la tolerancia al frío del arroz. Su gen principal, COLD11, se identificó con un mapeo a escala fina. Las mutaciones de pérdida de función de COLD11 causaron una reducción de la tolerancia al frío, según los investigadores.

Se observaron diferentes tipos de repeticiones del codón GCG que codifican la alanina en el primer exón de COLD11 para las variedades índica sensibles al frío y las variedades japónica tolerantes al frío. Los números de repetición del codón GCG tenían una clara correlación positiva con la tolerancia al frío. Además, el análisis de la evolución del genoma de germoplasmas de arroz representativos sugirió que numerosas repeticiones de la secuencia GCG estuvieron sujetas a una fuerte selección de domesticación durante la expansión de la plantación de arroz hacia el norte.

Además, COLD11 codifica una proteína reparadora del ADN que desempeña un papel esencial en la reparación de roturas de doble cadena del ADN. El número de repeticiones de GCG en su primer exón mostró una correlación positiva con su actividad bioquímica. Este es el primer informe de un mecanismo de reparación de daños en el ADN seleccionado por domesticación y sus correspondientes módulos de élite que involucran estrés por frío.

Usando DM-GWAS de japonica e indica, dos subespecies de arroz con una divergencia sustancial en la tolerancia al frío, este estudio revela que COLD11 es un gen loci de rasgos cuantitativos importantes para la tolerancia al frío.

El descubrimiento de las repeticiones del codón clave en el primer exón de COLD11, confirmado por el análisis filogenético y de distribución geográfica, abre el camino para una regulación fina de la tolerancia al frío del arroz con un solo sitio. Es un módulo molecular potencialmente útil para mejorar el rasgo de tolerancia al frío en el arroz a través del diseño molecular.