Biofortificación de cultivos alimenticios : estrategias para el aumento de hierro y zinc en el tubérculo de Spunta

• Autores: Cortelezzi, Juan Ignacio
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Capiati, Daniela Andrea; Muñiz García, María Noelia
• Materia: BIOFORTIFICACION; FERRITINA; NICOTIANAMINA; SOLANUM TUBEROSUM; INGENIERIA GENETICA; BIOFORTIFICATION; FERRITIN; NICOTIANAMINE; SOLANUM TUBEROSUM; GENETIC ENGINEERING
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La deficiencia de hierro es una de las carencias nutricionales más extendidas a nivel mundial, afectando a unos dos mil millones de personas, principalmente niños y mujeres de países en desarrollo. La anemia por deficiencia de hierro impacta negativamente en la salud y calidad de vida de la población. Aumentar el contenido de hierro en cultivos de alto consumo representa una estrategia clave para abordar esta problemática global. La papa, el tercer cultivo alimentario más importante a nivel mundial y con una notable adaptación a distintos climas y suelos, es un excelente candidato para la biofortificación con micronutrientes como el hierro y el zinc. Si bien el hierro es un nutriente esencial para las plantas, su exceso puede ser tóxico y su acumulación disparar una respuesta de estrés que limite tanto su capacidad de almacenamiento como la productividad y/o supervivencia de la planta. Para optimizar la acumulación de hierro, no sólo es importante su absorción por las raíces, sino también su transporte en asociación con moléculas estabilizadoras como la nicotianamina y su almacenamiento de forma segura asociado a proteínas como la ferritina. Esta proteína forma estructuras esféricas de 24 subunidades, protegiendo el hierro y evitando el estrés oxidativo asociado a su acumulación. En este trabajo, se desarrollaron vectores binarios para la expresión heteróloga en papa del gen AtNAS1 (Nicotianamina Sintasa 1 de Arabidopsis thaliana) bajo un promotor constitutivo, y del gen PvFER (Ferritina de Phaseolus vulgaris) bajo la regulación de un promotor específico de tubérculo. Además, se generó una construcción combinada que permite la coexpresión de ambos genes (AtNAS1 y PvFER). Las transformaciones se realizaron en plantas de papa de la variedad Spunta, que representa el 90% del mercado de consumo fresco en Argentina. Mediante la transformación de papas con Rhizobium radiobacter, se obtuvieron dos líneas transgénicas para PvFer (F1 y F2), una para AtNAS1 (N1) y cinco líneas transgénicas dobles (FN1 a FN5). Las plantas fueron caracterizadas en invernadero, evaluando parámetros morfo-fisiológicos como altura, número de hojas, densidad estomática, pérdida de agua, contenido de clorofila y rendimiento productivo, con especial énfasis en la cantidad, tamaño y forma de los tubérculos. Las líneas N1, F1 y F2 resultaron indistinguibles de las plantas control (wild type, wt), mientras que 4 de las 5 líneas transgénicas dobles (FN1, FN2, FN3 y FN5) exhibieron efectos adversos en el crecimiento vegetativo y el rendimiento. Sin embargo, la línea FN4 no presentó diferencias significativas en crecimiento vegetativo ni en rendimiento respecto de las plantas wt. El objetivo principal de este trabajo fue obtener líneas transgénicas de papa con niveles aumentados de hierro y zinc en los tubérculos. Con la estrategia de coexpresión se obtuvo un incremento significativo de zinc del 40-90% en las líneas dobles y un aumento del 53-80% en el contenido de hierro en los tubérculos al cultivar las plantas en un sustrato de baja riqueza mineral. En un sustrato con mayor riqueza mineral, la línea FN4 mostró un aumento del 110% en el contenido de hierro y del 80% en zinc, sin afectar la productividad ni la calidad de procesamiento, lo que indica una mejora sustancial en la calidad nutricional sin efectos negativos asociados. FN4 demostró una mayor capacidad de acumulación de hierro a medida que se incrementa su disponibilidad en el sustrato sin una penalización en el rendimiento. Estos resultados resaltan el potencial de esta estrategia para la biofortificación de papa, y el desarrollo de nuevas variedades que contribuyan a la mejora de la salud y calidad de vida de la población.
Iron deficiency is one of the most widespread nutritional deficiencies worldwide, affecting approximately two billion people, primarily children and women in developing countries. Iron deficiency anemia has severe consequences on public health and quality of life. Increasing iron content in widely consumed crops represents a key strategy to address this global issue. Potato, the third most important food crop worldwide, with remarkable adaptability to different climates and soils, is an excellent candidate for biofortification with micronutrients such as iron and zinc. Although iron is an essential nutrient for plants, its excess can be toxic, triggering a stress response that limits both its storage capacity and the plant’s productivity and/or survival. To optimize iron accumulation, not only its uptake by roots is important, but also its transport in association with stabilizing molecules such as nicotianamine and its safe storage bound to proteins like ferritin. This protein can form spherical structures composed of 24 subunits, protecting iron and preventing oxidative stress associated with its accumulation. In this study, binary vectors were developed for the heterologous expression in potato of the AtNAS1 gene (Nicotianamine Synthase 1 from Arabidopsis thaliana) under a constitutive promoter and the PvFER gene (Ferritin from Phaseolus vulgaris) under the regulation of a tuber-specific promoter. Additionally, a combined construct was generated to allow the co-expression of both genes (AtNAS1 and PvFER). Transformations were performed in Spunta potato plants, a variety that accounts for 90% of the fresh consumption market in Argentina. Through Rhizobium radiobacter-mediated transformation, two transgenic lines were obtained for PvFER (F1 and F2), one for AtNAS1 (N1), and five double transgenic lines (FN1 to FN5). The plants were characterized in a greenhouse, evaluating morpho-physiological parameters such as height, number of leaves, stomatal density, water loss, chlorophyll content, and productivity, with special emphasis on the number, size, and shape of the tubers. The N1, F1, and F2 lines were indistinguishable from wild-type (wt) plants, whereas four of the five double transgenic lines (FN1, FN2, FN3, and FN5) exhibited adverse effects on vegetative growth and yield. However, the FN4 line showed no significant differences in vegetative growth or yield compared to wt plants. The main objective of this study was to obtain transgenic potato lines with increased iron and zinc levels in tubers. With the coexpression strategy, a significant increase in zinc content (40–90%) was obtained in the double transgenic lines, accompanied by a 53–80% increase in iron content in tubers when plants were grown in a low-mineral substrate. In a higher-mineral substrate, the FN4 line exhibited a 110% increase in iron content and an 80% increase in zinc, without affecting productivity or processing quality, indicating a substantial improvement in nutritional quality without associated negative effects. FN4 demonstrated a greater capacity for iron accumulation as its availability in the substrate increased, without a yield penalty. These results highlight the potential of this strategy for potato biofortification and the development of new varieties that contribute to improving public health and quality of life.
Fil: Cortelezzi, Juan Ignacio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.