EscucharEn noviembre de 1956, tras semanas de protestas y reivindicaciones de elecciones libres en Hungría, los tanques soviéticos entraron en Budapest. Más de 100.000 personas huyeron. Ahí estaba el joven genetista George Rédei, que huyó a la frontera austriaca con un pequeño frasco de semillas en su bolsillo.
Las semillas pertenecían a una hierba delgada de la familia de la mostaza llamada Arabidopsis thaliana. Hoy esa hierba es una superestrella botánica. Ha protagonizado unos 100.000 artículos científicos. Sus semillas han volado alrededor de la Luna; es la planta preferida para los experimentos en la Estación Espacial Internacional. Fue la primera planta con su genoma secuenciado.
Los descubrimientos en esta pequeña mala hierba sentaron las bases para mejorar los cultivos y la seguridad alimentaria, gestionar los ecosistemas y mitigar el cambio climático. La planta proporcionó información sobre la evolución animal y la salud humana. El genoma de Arabidopsis sigue siendo la primera referencia para estudiar los enigmas genéticos y de desarrollo de otras plantas.
La fama no surgió de la nada. Arabidopsis tardó años en demostrar su valía frente a cultivos como el maíz. Fueron Rédei y una pequeña, pero ambiciosa comunidad de científicos, quienes la llevaron al centro de atención.
Los secretos
Tras huir de Hungría, Rédei llegó a la Universidad de Misuri en Columbia en 1957. Allí plantó las semillas de Arabidopsis. Conocía el trabajo del botánico alemán Friedrich Laibach, quien se percató de que esta mala hierba podía ser una poderosa herramienta de investigación biológica, un organismo modelo similar a la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster.
Rédei se convenció del potencial de la planta. Su trabajo escapaba la línea tradicional. En aquella época, la mayor parte de la investigación se centraba en cultivos agrícolas.
El maíz fue uno de los primeros modelos de investigación genética. Pero era complicado. Para identificar cómo un gen concreto afectaba, debía observarse qué ocurría cuando no funcionaba. Se empezaba buscando versiones mutantes del organismo o se creaban mutantes. Cuando se cultivaban esas semillas, una entre miles de plantas jóvenes podía resultar extraña.
Luego se trabajaba hacia atrás para tratar de averiguar el gen o genes alterados. Nada fácil. A menudo se necesitaban generaciones de cruces genéticos y años de experimentos.
Había más retos. Se necesitaban acres de campos y maquinaria agrícola. Había que esperar una temporada de cultivo de varios meses para que las semillas maduraran. Luego, esperar hasta la primavera para plantarlas.
Rédei pensó que la Arabidopsis podría sortear esos problemas. Laibach, en Alemania, ya había detallado muchas bondades: su pequeño tamaño (se podían cultivar miles en una habitación); su corto tiempo de generación (seis semanas); sus prolíficas semillas (más de 10.000 por planta). Las observaciones de Laibach también habían revelado que la Arabidopsis solo tiene cinco pares de cromosomas, mientras que el maíz tiene 10 pares y el trigo 21. Eso facilitaría mucho la localización de un gen concreto en un punto determinado del cromosoma.
En Misuri, Rédei siguió investigando la pequeña mostaza. Una pequeña comunidad de investigadores, principalmente en Europa, también, pero fuera de ahí había poco interés. De hecho, la Fundación Nacional para la Ciencia de EE. UU. retiró su apoyo a Rédei en 1969. Pensaban que una planta —mucho menos una mala hierba— nunca generaría conocimientos útiles.
Planta prometedora para la era molecular
Rédei siguió adelante. En 1975, en el Annual Review of Genetics, defendió los méritos de la planta.
Poco después, Chris Somerville, recién doctorado en genética de E. coli, y su esposa, la fitopatóloga Shauna Somerville, leyeron el artículo de Rédei y decidieron que Arabidopsis era el organismo adecuado para introducir la ciencia vegetal en la era molecular moderna.
Ellos investigaban cómo las plantas regulan su uso del dióxido de carbono con mutantes de Arabidopsis que no podían crecer en aire normal, pero sí en aire enriquecido con dióxido de carbono. Esta investigación sentó las bases para hallar formas de hacer más eficiente la fotosíntesis en diversos cultivos. Cuando el dúo se trasladó a la Universidad Estatal de Míchigan en 1982, comenzaron otros proyectos con Arabidopsis y atrajeron a nuevos adeptos.
Entre ellos estaba Mark Estelle, que acababa de terminar un doctorado centrado en Drosophila. Estelle se pasó a la Arabidopsis y comenzó a investigar las auxinas, una clase de hormonas que coordinan el crecimiento y el desarrollo de las plantas.
“Podíamos examinar mil plantas en cada placa de Petri en busca de mutantes”, afirma Estelle.
Poco después, el laboratorio del biólogo Elliot Meyerowitz hizo un descubrimiento fascinante: el genoma de Arabidopsis era bastante pequeño. Esos cinco pares de cromosomas no tenían grandes cantidades de secuencias de ADN duplicadas una y otra vez, como ocurría en otras plantas. Esto hacía mucho más factible la búsqueda de genes en un pajar de ADN.
En 1986, la genetista molecular vegetal Caren Chang clonó y secuenció por primera vez un gen de Arabidopsis que contenía instrucciones para producir una enzima que ayuda a las células vegetales a sobrevivir cuando se ven privadas de oxígeno.
Ese mismo año se descubrió que la planta podía absorber fácil y eficientemente genes extraños con la ayuda de una bacteria portadora de ADN: se introdujo un gen de resistencia a los antibióticos en la planta.
A pesar de las críticas iniciales, la comunidad científica sabía que se necesitaba una planta modelo para que el campo avanzara.
Necesitábamos un modelo porque el desarrollo de nuevas técnicas, especialmente en biología molecular, es complejo. Es caro y lleva mucho tiempo”, afirma el biólogo molecular Marc Somssich, que trabaja en la empresa de semillas KWS Saat en Alemania y que no participó en aquellos primeros días, pero los narró en un artículo de 2019.
“En lugar de desarrollar técnicas para mil plantas diferentes, desarrollamos para una sola”. Una planta modelo significa técnicas estandarizadas y protocolos de laboratorio compartidos.
“Piensa en Arabidopsis como el Hyundai de las plantas”, cita la revista Mosaic en 1991. “Si el Hyundai representa el ‘carro’ en su forma más fundamental, Arabidopsis es la esencia, la versión simplificada, de una planta con flores. Lo que aprendamos de ella será aplicable a cualquier planta agrícola. Nos proporcionará una cantidad considerable de información sobre cómo están estructuradas todas las plantas verdes y, quizás, cómo se pueden modificar sus genomas para mejorar la productividad”.
En diciembre de 2000, la Iniciativa del Genoma de Arabidopsis, en la que participaron científicos de todo el mundo, publicó la secuencia del genoma de Arabidopsis en Nature. El genoma proporcionó un borrador de libro de recetas para la vida vegetal. Hoy se sabe de unos 27.000 genes, aproximadamente el 30% con funciones completamente desconocidas.
Florecimiento de descubrimientos
Es imposible hacer justicia a los descubrimientos realizados en la planta. Desde Charles Darwin los científicos investigaban cómo las plantas detectan la luz azul, que las impulsa a inclinarse hacia el sol. En la década de 1980, se criaron plantas mutantes de Arabidopsis que no respondían normalmente a la señal de luz azul. La identificación del gen defectuoso pronto reveló el primer detector de luz azul, llamado criptocromo.
Los criptocromos son fundamentales para que las plantas integren la luz con los relojes moleculares internos que regulan el crecimiento y el desarrollo, el tiempo de germinación y el tiempo de floración. Desde entonces, se han hallado criptocromos en moscas de la fruta, algas, hongos y ratones; también son clave en las personas.
Arabidopsis también ayudó a estudiar cómo las flores y los frutos desarrollan sus formas y tamaños. Los trabajos relacionados con las moléculas que intervienen en el control del tamaño de los frutos podrían conducir algún día a la obtención de frutos más grandes. En 2015, científicos descubrieron que una mutación natural en uno de estos genes dio lugar a los frutos gigantes y gruesos conocidos como tomates beefsteak.
La forma en que las plantas responden a otros enemigos —bacterias, insectos, hongos— también fue objeto de estudio en Arabidopsis, y algunos de los descubrimientos tuvieron repercusiones más allá del mundo vegetal.
A pesar de que los animales y las plantas tomaron caminos evolutivos separados hace unos 1.600 millones de años, muchos genes humanos que desempeñan un papel en las enfermedades tienen versiones relacionadas en Arabidopsis. Eso incluye alrededor del 70% de los genes humanos implicados en el cáncer. Genes vinculados con alzhéimer y párkinson también tienen versiones en Arabidopsis.
La lista es interminable y siguen apareciendo nuevos hallazgos. ¿Pero mantendrá su estatus como modelo preeminente del mundo vegetal? Sí y no.
Por un lado, las técnicas de biología molecular se han vuelto más rápidas y baratas: la secuenciación del genoma de Arabidopsis llevó una década y costó casi $75 millones, pero hoy se puede secuenciar un genoma en un día por unos $600. Esto facilita investigar cualquier planta.
Por otro, es poco probable que una sola planta llene el lugar de Arabidopsis.
“Muchas de las preguntas clásicas que habían planteado los botánicos encuentran respuesta a nivel molecular y mecánico gracias a la investigación en Arabidopsis”, afirma Meyerowitz. “Y esa investigación ha dado lugar a muchas preguntas que quizá nadie se había planteado”.
Todavía hay más preguntas, afirma Chris Somerville. Y la mala hierba sigue teniendo un papel importante en responderlas.
Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos. Suscríbase al boletín de Knowable en español.
