Proyectos de Investigación Básica o Aplicada en Ingenierías o Biomédicas, 2019-2
Maria Rosario Elsa Valderrama Valencia; Sandro Jhonatan Condori Pacsi; Roxana Margarita Bardales Alvarez; Michell Maheba Fuentes Apaza; Marcela Pierce .; Jean Carlo Paredes Malca
Objetivo
Identificar genes clave asociados a la resistencia frente al estrés por radiación ultravioleta B (UVB) en Chenopodium quinoa willd (quinua) en la región de Arequipa.
Resumen:
La quinua (Chenopodium quinoaWilld.) es un cultivo andino genéticamente diverso que ha ganado especial atención en todo el mundo debido a sus beneficios nutricionales y para la salud y su capacidad de adaptarse a entornos contrastantes, incluidos los suelos salinos y pobres en nutrientes y los agroecosistemas marginales estresados por la sequía, sin embargo, los estudios uno de los estreses abióticos como la irradiación con luz UV-B aún es muy limitado. En las últimas décadas, la incidencia del estrés abiótico se ha acentuado por el aumento de patrones climáticos impredecibles. Se realizará colección de los diferentes cultivos de quinua en la región de Arequipa, para generar un banco con accesiones UNSA, así mismo, hará un análisis a las semillas morfo-fisiológico. Las semillas serán sembradas en macetas a condiciones de invernadero y serán sometidas a radiación ultravioleta B, bajo condiciones controladas de luz y humedad, para seleccionar variedades contrastantes (sensible y resistente a la radiación UVB), con las muestras obtenidas se realizarán análisis bioquímicos (niveles de clorofilas, carotenoides y flavonoide). Par en análisis genético se hará una extracción de el ARN total, de alta calidad para la síntesis de cDNA y con ello se armarán las bibliotecas transcriptómicas para su secuenciación en un Miseq ILUMINA, y con los datos obtenidos se realizará el análisis transcriptómica para la selección de los genes candidatos implicados en la resistencia a la radiación UVB. A partir de los datos del trasncriptoma de la quinua bajo condiciones de estrés a la radiación UVB, se obtendrán diferentes genes candidatos, ellos se analizarán a nivel bioinformático, como filogenias, estructuras primarias y secundarias, predicción de estructuras 3D, predicción de dominios conservados, modificaciones postraduccionales y predicciones físico- químicas de las proteínas, intervención en rutas metabólicos. Los análisis bioinformáticos permitirán seleccionar a los genes clave implicados en la resistencia a la radiación UVB, con estas secuencias se hará una evaluación por sobrexpresión en Arabidopsis taliana, y su posterior ubicación subcelular para comprender la función clave de los genes implicados en la resistencia a la radiación UVB. De esta forma el proyecto publicará el primer trasncriptoma de quinua y comenzará a dilucidar los mecanismos de resistencia a la radiación UVB, así como la identificación de genes clave implicados en la resistencia a la radiación UVB e identificación de variedades resistentes.
Palabras clave
Quinua, Transcriptoma, Resistencia, UVB, niveles de expresión, bioinformatica, UNSA, Arequipa
Problema central
Desde el origen de la vida en la tierra, la luz ha jugado un papel importante en la biología fundamental de los seres vivos, ya que la luz influencia procesos del desarrollo estructural, funcional y etológico de los organismos vivos. La luz está compuesta por longitudes de onda visibles al ojo humano (Luz blanca), sin embargo, existe longitudes de onda que no son visibles; entre ellas se encuentra la luz ultravioleta, que abarca ondas por debajo de los 400 nm hasta los 10 nm. Los efectos de la contaminación ambiental como el uso de los derivados de clorofluorocarbono y los fungicidas han contribuido a una disminución del grosor de la capa de ozono, y el incremento de dosis de la radiación ultravioleta (UV) en la superficie terrestre, según la última medición realizada por la NASA, el tamaño del agujero de la capa de ozono a septiembre de 2018 es de 23 millones de km2 y que al mismo tiempo a incrementado la radiación UVB, según Singh y Singh, 2014 la radiación UVB es dañina ya que causa mutación en el ADN por la formación de dímeros de timina, y estos se traducen en problemas a la salud humana como quemaduras en la piel, cáncer de piel, retinopatías, lupus eritematoso, etc. Según el SENAMHI indica que, gran parte del año, la ciudad de Arequipa y sus zonas altoandinas soportan rangos de radiación ultravioleta desde un índice fuerte de 13 (2317 J/m2) puntos, hasta un índice extremadamente fuerte de 18 (3739 J/m2) puntos, estos altos valores de radiación vienen trayendo efectos negativos sobre la seguridad alimentaria regional, nacional y mundial, ya que los estudios de González et al., 2020 demuestra que un incremento de exposición de radiación UVB disminuye la calidad de los alimentos, afectando de forma negativa los niveles y composición de vitaminas, ácidos grasos, polifenoles, flavonoides y antocianinas; modificando así los componentes nutricionales y organolépticos de los alimentos, y Lyu et al., 2019 demuestran que la alta radiación UV-B es una forma de estrés abiótico que genera daño al ADN, las proteínas y membranas citoplasmáticas, por la producción de producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), detención del ciclo celular, inhibición de la fotosíntesis y diversos procesos celulares, conllevando a la muerte de la planta. Todos estos efectos están trayendo consigo pérdidas en la producción de productos hortícolas traduciéndose en pérdidas económicas por producción, ya que Según Ballares et al. 2011, han demostrados que el crecimiento de los cultivares disminuye aproximadamente 1% por cada aumento en 3% en la radiación UV-B, el cual podría ser más dramático en los cultivares sensibles a UV-B, siendo este un drástico problema para la seguridad alimentaria. La quinua (Chenopodium quinoa Willd) es una semilla muy apreciada a nivel mundial por su alto contenido de aminoácidos esenciales, Arequipa viene siendo unos de los principales productores de este grano a nivel nacional, sin embargo su producción está atravesando serios problemas por diferentes tipos de estrés bióticos y abióticos debido a los cambios que está experimentando el clima, los cuales están causando grandes pérdidas económicas, es así que Estados Unidos de América ha devuelto 200 toneladas de quínua en el 2015 por el contenido de pesticidas en la semilla, si bien se conocen más de 16 mil variedades de quinua, sin embargo no se ha desarrollado investigaciones que detallan en concreto los sistemas genéticos implicados en la resistencia natural al estrés biotico y abiotico y uno de los sistemas mínimamente estudiados son aquellos genes implicados en la resistencia a la radiación UVB, ya que Arequipa al ser una zona con altos índices de radiación, su producción agrícola se ve afectada, ya se ha demostrado que una alta exposición genera daños en la composición nutricional de los alimentos y disminución en la producción. Por lo que existe una necesidad en comprender los mecanismos y los genes de tolerancia a la radiación UVB para desarrollar planes de mejora
Hipótesis planteada
Dado que la quinua Chenopodium quinoa Willd es una especie originaria de la región altoandina, diariamente esta, es sometida a altas dosis de radiación ultravioleta B, su alta variabilidad genética le confiere la ventaja de poder vivir en zonas con elevada radiación y producir el grano, los análisis de transcriptoma por análisis de RNAseq, la predicción de genes in silico, los análisis de expresión de los transcritos y su ubicación subcelular, permitirá comprender inicialmente los mecanismos concretos que la quinua utiliza para resistir condiciones de estrés por radiación, así mismo permitirá la identificación de genes clave implicados en la resistencia y de esta forma se podrá sintetizar marcadores moleculares para un proceso de mejoramiento genético asistido.
Resultados esperados
Como resultado del proyecto se tendrá:
- Una lista de genes implicados en la tolerancia al estrés por radiación ultravioleta y con ello proporcionar el material primario para el inicio de un plan de mejora genética para desarrollar semilla productora de grano de quinua.
Así también, con el financiamiento otorgado se tendrá:
- 02 Artículos científicos aceptados para publicación en revistas indizadas en la base Scopus o Web of Science con filiación de los docentes y alumnos de la UNSA a la “Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa”
- 02 estudiantes/egresados UNSA titulados con la opción de Tesis formato artículo, con publicación en revista indizada en bases Scopus o Web of Science.
- 02 ponencias de los resultados intermedios o finales de la investigación presentadas en eventos científicos de nivel nacional e internacional de trascendencia.
Impactos esperados
Este estudio permitirá detectar genes naturales implicados en la resistencia al estrés UVB, así como la generación de información a nivel de transcriptoma para estudios posteriores de expresión génica, permitirá el desarrollo de metodologías adaptadas para el estudio molecular de Chenopodium quinoa. El encontrar variedades con genes implicados en la resistencia al estrés por radiación UV, permitirá, el desarrollo de planes de mejora genética objetivos para la síntesis de variedades productoras de grano y resistentes y generar para generar registros de obtentor vegetal frente a las instituciones competentes. Asi mismo de la investigación resultara la publiacción de por lo menos dos artículos en revistas de alto impacto.
El encontrará los genes de resistencia natural al estrés por radiación UVB, permitirá el desarrollo de variedades resistentes y productoras del grano, el cual permitirá el uso de suelos erosionados para reconstituir la microbiota y materia orgánica, así como es material en potencia para realizar rotación de cultivo. La hojarasca que se produce después de la cosecha se convierte en materia prima para la realización de compostaje y enriquecimiento de los suelos. De esta manera se promueve un cultivo más orgánico. La producción de grano mejorado, permitirá la mantención de la seguridad alimentaria, debido a que las semillas al presentar genes naturales de resistencia a la radiación UVB, mantendrá la integridad del valor nutritivo, de tal manera, los niños y la población nacional y mundial tendrán al alcance de las manos un producto altamente nutritivo que fortalecerá el desarrollo integral de los nuevos ciudadanos, y el alto contenido de hierro de la quinua la convierte en un potente alimento para la diminución de la anemia en el Perú y el África.
La identificación de variedades que presentan los genes implicados en la resistencia a la radiación UVB permitirá el desarrollo de nuevas variedades productoras y resistentes, el cual permitirá la producción de granos con alto valor nutritivo y competitivo en el mercado nacional e internacional.