* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.
Los tomates silvestres que crecen en América del Sur, parientes antiguos de las variedades modernas, albergan genes de numerosos rasgos deseables (sabor, aroma, resistencia a las enfermedades) que en algunos casos se han perdido en el proceso de domesticación y mejoramiento. Los criadores están investigando actualmente la posibilidad de reintroducir estos rasgos silvestres perdidos en los tomates cultivados.
Sus esfuerzos recibirán ahora un impulso de una enorme base de datos que abarca los rasgos genéticos y metabólicos de los tomates silvestres y cultivados, creada por investigadores dirigidos por el profesor Asaph Aharoni en el Instituto de Ciencias Weizmann en colaboración con científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén y otros lugares.
Los investigadores utilizaron casi 600 líneas de híbridos de tomates llamados BIL (por las siglas en inglés de “línea endogámica retrocruzada”), creadas por el equipo del profesor Dani Zamir en la Universidad Hebrea, para compilar la base de datos, a la que llamaron KILBIL. Cada línea —un cruce entre tomates silvestres peruanos Solanum pennellii y una variedad cultivada común Solanum lycopersicum— contiene diferentes partes de los genomas silvestres y cultivados, por lo que al comparar los genomas de diferentes híbridos y correlacionar las diferencias con varias cualidades, es posible averiguar qué genes son probablemente responsables de qué rasgos.
Así, los científicos crearon un perfil completo de cada línea, que incluía la expresión de unos 11.000 de sus genes, listas de hasta 1.000 ingredientes activos, llamados metabolitos, en diferentes etapas de maduración e información sobre la sensibilidad a un patógeno fúngico. Luego, los investigadores aplicaron herramientas computacionales para correlacionar diferentes porciones del genoma del tomate, o incluso genes individuales, con variaciones en el metabolismo de la planta y con otros rasgos diferentes.
La base de datos KILBIL ayudará a los investigadores y a los criadores a producir variedades mejoradas de tomates. Y los propios investigadores de Weizmann ya han utilizado su base de datos para resolver algunos enigmas relacionados con los tomates.
Dulce historia
Los tomates verdes son amargos en gran medida porque contienen cantidades sustanciales de alfa-tomatina, una sustancia tóxica que protege a los tomates de bacterias y hongos, asegurándose de que no sean comidos por los herbívoros antes de que maduren. A medida que los tomates maduran, la alfa-tomatina se convierte en metabolitos no amargos, pero se desconoce cómo se coordina este proceso con la maduración. Tampoco estaba claro por qué la alfa-tomatina tóxica no daña a la planta en sí.
La Dra. Yana Kazachkova, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Aharoni, abordó estas cuestiones con la ayuda de una especie de tomate silvestre inusual cuyos frutos siguen siendo amargos incluso después de madurar (los tomates se clasifican botánicamente como frutas, aunque los nutricionistas los cuentan entre las verduras). Los investigadores que descubrieron estos tomates en los Andes en la década de 1990 plantearon la hipótesis de que siguen siendo amargos debido a una o más mutaciones en las enzimas de biosíntesis de la alfa-tomatina.
Kazachkova, junto con sus colegas, comparó la composición genética de los tomates amargos con especies no amargas. Limitaron la diferencia a una mutación en un gen que no codificaba una enzima que afectara la conversión de amargo a dulce, sino una proteína transportadora, una que transporta sustancias dentro de la célula. Los investigadores lo llamaron GORKY, la palabra rusa para “amargo”.
Kazachkova luego necesitaba demostrar que el gen GORKY mutado era de hecho el responsable del sabor amargo de la peculiar especie de tomate silvestre. Entre una serie de experimentos, utilizó la tecnología CRISPR para inactivar este gen en algunas plantas o hacer que se sobreexpresara en otras, y analizó el metabolismo de las plantas mutantes utilizando un equipo especializado de espectrometría de masas en el laboratorio de Aharoni.
Durante los experimentos, probó de vez en cuando los tomates mutantes y se alegró mucho cuando los que no tenían GORKY sí tenían un sabor amargo. “Eran los tomates amargos más deliciosos que había probado en mi vida”, recuerda.
Resultó que cuando los tomates verdes producen alfa-tomatina en grandes cantidades, principalmente en su piel, mantienen esta sustancia tóxica dentro de compartimentos cerrados conocidos como vacuolas, lo que evita que dañe a la propia planta. Cuando el tomate madura, GORKY transporta la alfa-tomatina fuera de las vacuolas, lo que permite que se convierta en metabolitos no tóxicos en una serie de cinco reacciones bioquímicas y, de ese modo, hace que el tomate sea apetecible.
Estos descubrimientos explican cómo las plantas de tomate se protegen de sus propios compuestos tóxicos. Los hallazgos del estudio pueden utilizarse para mejorar la cría de tomates y también abren una línea de investigación para ver si el mismo mecanismo de transporte existe en otras plantas.
El dilema del tomate
Los tomates maduros se han enfrentado a un reto a lo largo de la evolución: encontrar el equilibrio entre su aspecto atractivo y su resistencia a los hongos y otros patógenos. Por un lado, el hecho de que permanezcan brillantes y enteros ayuda a la planta a propagarse, ya que este aspecto atrae a los animales y pájaros que se comen los tomates y dispersan sus semillas en sus excrementos.
Por otro lado, cuando los tomates son descompuestos por hongos al final de su vida, es la capacidad de descomponerse, más que la integridad, lo que permite a las plantas esparcir sus semillas. Aunque todavía se desconoce cómo ha resuelto la evolución este dilema del tomate (cómo se concilian exactamente estos dos procesos contrapuestos, es decir, permanecer entero para ser comido o propagarse por desintegración fúngica) dentro del genoma del tomate, los investigadores de Weizmann han descubierto varias piezas cruciales de este rompecabezas.
El investigador postdoctoral Dr. Jędrzej Szymański, del laboratorio de Aharoni, junto con sus colegas, logró identificar dos nuevos genes involucrados en la síntesis de glicoalcaloides, una clase de sustancias que desempeñan un papel en la maduración de los tomates y el cambio metabólico que la acompaña, es decir, el cambio masivo en su contenido metabólico durante la maduración de la fruta. Además, los investigadores buscaron genes y metabolitos que pudieran aumentar la resistencia a Botrytis cinerea, uno de los hongos más comunes que atacan a los tomates.
Tras realizar un análisis genómico y metabólico de las 600 líneas de tomate, los científicos relacionaron este análisis con la propagación del hongo. Para ello, introdujeron el hongo en pequeñas incisiones en los tomates de las 600 líneas y examinaron más de 25.000 infecciones de este tipo. Estos estudios les permitieron descubrir una red de seis metabolitos responsables de la resistencia de la planta al hongo. Uno de estos metabolitos, la vitamina B5, también conocida como ácido pantoténico, demostró ser eficaz por sí solo para reducir la sensibilidad al hongo. Además, los científicos identificaron genes candidatos asociados con la resistencia al hongo: cuando se silenciaron tres de estos genes, la sensibilidad de los tomates a la infección aumentó.
Esta investigación puede ayudar a desarrollar nuevos fungicidas y avanzar en la cría selectiva de variedades más resistentes. También demostró que la actividad de los genes de resistencia disminuye a medida que el tomate madura, lo que sugiere que la planta posee mecanismos cuidadosamente orquestados para conciliar sus necesidades conflictivas.
Dulce historia: Los autores del estudio incluyeron al Dr. Sayantan Panda, el Dr. Samuel Bocobza, el Dr. Andrii Vainer, la Dra. Ilana Rogachev, el Dr. Yonghui Dong, la Dra. Shifra Ben-Dor y el Dr. Simon Michaeli del Departamento de Ciencias Ambientales y Vegetales de Weizmann; el Dr. Itay Zemach y el Prof. Dani Zamir de la Universidad Hebrea de Jerusalén; la Dra. Dorottya Veres, la Dra. Christa Kanstrup, la Dra. Sophie Konstanze Lambertz, el Dr. Christoph Crocoll y el Dr. Hussam Hassan Nour-Eldin de la Universidad de Copenhague; y el Dr. Yangjie Hu y el Prof. Eilon Shani de la Universidad de Tel Aviv.
El dilema del tomate: Los autores del estudio incluyeron al Dr. Samuel Bocobza, el Dr. Sayantan Panda, el Dr. Prashant Sonawane, el Dr. Nir Shachaf, el Dr. Sagit Meir y la Dra. Ilana Rogachev, quienes entonces estaban en el Departamento de Ciencias Ambientales y Vegetales de Weizmann; Dr. Pablo D. Cárdenas de la Universidad de Copenhague; el Dr. Justin Lashbrooke de la Universidad Stellenbosch, Sudáfrica; Prof. Avinash Kamble de la Universidad Savitribai Phule Pune, India; el Dr. Arnaud Bovy, el Dr. Jules Beekwilder, el Dr. Yury Tikunov y la Dra. Irene Romero de la Fuente de Wageningen Plant Research, Países Bajos; y el Prof. Dani Zamir de la Universidad Hebrea de Jerusalén.
El Prof. Aharoni es titular de la Cátedra Peter J. Cohn; director del Centro Harry y Jeanette Weinberg para la Investigación en Genética Molecular de Plantas; director del Centro de la Familia Vera y John Schwartz para la Biología Metabólica; director del Centro Melvyn A. Dobrin para la Investigación en Nutrición y Plantas; director del Centro Charles W. y Tillie K. Lubin para la Biotecnología de Plantas.
La investigación del profesor Aharoni cuenta con el apoyo del Centro de Microbiología de la Familia Knell; el Instituto Henry Chanoch Krenter de Imágenes Biomédicas y Genómica; el Centro Canadiense de Investigación en Energías Alternativas Mary y Tom Beck; el Fondo de la Familia Laura Gurwin Flug; el Centro de Bioinformática para Ciencias Vegetales Tom y Sondra Rykoff; el Fondo de Investigación del Cannabis de la Fundación de la Familia Sklare; el Fideicomiso Benéfico de la Familia Wolfson y la Fundación Wolfson.
