Evolución de teocintle hacia maíz mediada por cobre

    El maíz es la planta más domesticada y evolucionada del reino vegetal. El origen y la evolución del maíz han sido un misterio porque el maíz ha llegado a nosotros altamente evolucionado, sin conocerse formas intermedias. A pesar de extensivas búsquedas de las formas silvestres de esta planta, no ha sido encontrada alguna.

    Mientras que los cereales del Viejo Mundo tienen variedades silvestres que se preservan en la naturaleza, el maíz es conocido solamente por la especie cultivada (Zea mays). Desde el siglo pasado diversas teorías han sido expuestas para explicar el origen y la evolución del maíz, la más popular de ellas acepta al teocintle de Chalco (Zea mays ssp mexicana) como el antecesor directo del maíz.

    En los años 80, Iltis propone una teoría en la cual establece que el teocintle se convirtió en maíz en un solo paso macroevolutivo (saltacionista). Recientes estudios genéticos de recombinación efectuados por Doebley parecen descartar la hipótesis de Iltis y reforzar la teoría tripartita de Mangeldroff. En el presente trabajo deseamos exponer los experimentos realizados por nosotros en los últimos 5 años que refuerzan la hipótesis de Iltis de un solo paso evolutivo de teocintle a maíz.

Mito Huichol sobre el maíz

    Existe un mito huichol que habla sobre la selección antropogénica realizada por esta nación indígena con el maíz:

...la Madre del Maíz cambió su forma de paloma y adoptó la humana; le presento al muchacho sus cinco hijas, que simbolizan los cinco colores sagrados del maíz: blanco, rojo, amarillo, moteado y azul. Como el joven tenía hambre, la Madre del Maíz le dio una olla llena de tortillas y una jícara llena de atole; él no creía que eso pudiera saciar su hambre, pero las tortillas y el atole se renovaban mágicamente, de manera que no podía acabárselos. La Madre del Maíz le pidió que escogiera a una de sus hijas y él tomó a la Muchacha del Maíz Azul, la más bella y sagrada de todas...

    Esta leyenda habla sobre la influencia de la síntesis de antocianinas (moléculas que dan el color característico al grano de maíz) en la selección del maíz. Al decir que La Madre del Maíz, encuentra a un huichol al cual lleva a su casa y ofrece en matrimonio a sus hijas donde cada una de ellas representa un color característico de las semillas de este alimento, se nos está indicando los principales colores de granos de maíz de donde se realizará la selección, así pues tiene una hija maíz blanco, otra rojo, amarillo, moteado y azul, de esta manera el huichol escoge a la Muchacha del Maíz Azul por ser la más sagrada de todas.

    En este relato se puede entrever la importancia que se concede a los Elementos Genéticos Transponibles, como es bien sabido un incremento en la síntesis de antocianinas en la aleurona implica la acción del elemento Activator (Ac), de aquí que el personaje principal escoja a la Muchacha del Maíz Azul, cuya aleurona muestra un fuerte incremento en la producción de estos pigmentos, y deja a las demás muchachas que poseen el elemento Ac en off o pinto [Ds (desactivator) expresado] o el rojo que implica la presencia de pelargonidina en la aleurona con la consecuente inhibición de la 3'-flavonol-hidroxilasa, o sea que solo la Muchacha  del Maíz Azul contenía la carga genética necesaria para satisfacer las necesidades de Los Huicholes (!las tortillas azules son mas deliciosas!).

La relación de los metales pesados con este trabajo.

    Las observaciones realizadas en un estudio de impacto ecológico en Angangueo Mich. nos llevó a detectar algunos cambios fenotípicos interesantes en la flora de la zona asociados a la concentración de plata en el suelo.

    Se sabe que los metales pesados tienen la capacidad de producir radicales libres, y estos pueden realizar escisiones en el material genético, entonces se concluyó que los metales pesados (Ag en ese caso) pueden provocar cambios fenotípicos importantes en los seres vivos.

    Así, durante el verano de 1991 semillas de Zea mays ssp mexicana (teocintle) libres de intrusión de maíz fueron tratadas con concentraciones crecientes de sulfato cúprico en el mismo instante de la germinación. Subsecuentes cultivos de esta línea nos han permitido obtener mazorcas de maíz prehistórico. Este salto macroevolutivo de teocintle a maíz apoya a la teoría de Iltis de la Transmutación Sexual Catastrófica del origen del maíz.

    ¿Por qué se decidió usar cobre para provocar mutaciones en el maíz?: debido a que el Cu es de los metales que mejor tienen una bioquímica estudiada, es un metal pesado y a que participa estructuralmente en varias enzimas.

Síntesis de antocianinas.

    La síntesis de antocianinas aumenta cuando una planta se encuentra bajo condiciones de estrés.

    Uno de los primeros cambios morfológicos observados fue que los hipocotilos de las semillas tratadas con cobre a partir de 50 ppm, mostraban una clara coloración rojiza (ver foto adjunta) indicativa del aumento en la síntesis de antocianinas; esta fue identificada como cianidina, este aumento fue función de la cantidad de cobre añadida. Otra característica que se observó en algunas plantas fue la aparición del gen Agravitopic que inhibe la respuesta de la planta a la gravedad.

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Precipitados de cobre

    En este experimento el cobre se usó en forma de sulfato de cobre para producir condiciones de estrés y cortes genéticos en el teocintle.

    Se notó a partir del 5º día de germinación que apareció sobre el algodón en el que se encontraban las semillas tratadas, manchas de color rojo ladrillo, características de la precipitación de cobre, estas manchas analizaron  para Cu por el método del cupferrón.

    Esto nos indica que la planta de teocintle en germinación presentó adaptación al medio a pesar del estrés.

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Sistema Redox

    Pudimos observar que a partir de  50 ppm de cobre aplicado a semillas de teocintle, las radículas de estas semillas adquirían un tono verde en la punta con clara fluorescencia. En el microscopio óptico pudimos ver lo que parece sugerir un sistema redox de cobre, (obsérvense los cambios de tonalidades azul-verde, verde, rojo); también puede notarse en la fotografía adjunta que la zona fluorescente (luciferina) inicia en la zona "verde", la coloración verdosa es característica del cobre en su forma cuprosa, esta coloración no apareció en las radículas de las semillas control.

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Cambios en el germoplasma

    Las semillas de maíz y teocintle tienen muchas características que sirven para diferenciarlas, una de ellas es la forma en que está constituido su germoplasma.

    E l efecto más notorio en cuanto a cambios en el germoplasma, fue la pérdida de la cubierta durable de la gluma de teocintle (a) en las semillas de un transgenote (Cu-200-5) obtenido en este experimento (b, c, d). Como también un aumento en la síntesis de antocianinas en la aleurona, en la fotografía adjunta podemos ver claramente semillas con pigmentación roja (b) (pelargonidina en la aleurona) púrpura (c) (cianidina) y amarilla (d) (aleurona no pigmentada), estas semillas poseen mucho más almidón que las semillas de teocintle normales (a).

    Estos cambios morfológicos son claros pasos evolutivos hacia maíz debido a que el maíz NO posee cubierta durable.

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Gen Pith Abscission

    Durante este experimento sobre el origen y evolución del maíz, fue interesante la aparición de semillas fusionadas relacionadas con el gen ph1 de la familia de genes que diferencían al teocintle del maíz, estos resultados muestran una clara represión del gen por el aumento de semillas fusionadas, este efecto aumentó como una función de la concentración de cobre aplicada.

    Esto se considera como un criterio de evolución de teocintle hacia maíz debido a que la fusión de semillas finalmente producirá el olote característico del maíz.

    En la siguiente fotografía se observa que conforme la cantidad de cobre aplicado en el momento de la germinación aumenta, aumentó también el número de semillas fusionadas observándose en 400 ppm una fusión de 4 hileras de semillas, y muy importante es también la espiga en la punta.

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Mazorca de Iltis y la evolución del maíz

    Iltis dijo que el teocintle para evolucionar hacia maíz tenía que llevar a cabo ciertas modificaciones estructurales, como el acortamiento de las ramificaciones laterales, y la aparición de una espiga en la punta de una mazorca de teocintle, así lo detectamos en esta investigación sobre origen y evolución del maíz, dándonos así, otra pista para sostener la teoría propuesta para explicar el origen y la evolución del maíz.

    El número de plantas pigmentadas, también  fue una función de la concentración de cobre aplicada al momento de la germinación, esta coloración fue dada por las antocianinas las cuales son moléculas que sirven para proteger a las plantas del estrés oxidativo, así que las plantas con más pigmentación fueron las que provenían de las semillas de teocintle que más estrés sufrieron.

     Una de estas plantas pigmentadas, mostró un notable acortamiento en las ramificaciones laterales y se pudo observar la mazorca de Iltis con una espiga en la punta, tal y como fue predicho por Iltis.

     Estas observaciones indican que efectivamente el teocintle tiene que sobrellevar varios cambios en su estructura como los anteriores para que exista una evolución hacia maíz.

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Síntesis de almidón

    Las semillas de cada planta de teocintle sometida a estrés con cobre durante su germinación, fueron  analizadas para detectar la cantidad de almidón. Se encontró un aumento de este polímero, que al igual  que todas las demás observaciones, alcanzó su  máximo en la concentración de 200 ppm de cobre  aplicado en la germinación.

    En las fotografías (abajo) se presentan granos teñidos con Lugol y en ellas podemos apreciar como fue el comportamiento del Locus waxy durante el experimento: En la fotografía A se ve como el grano de teocintle control tiene más amilopectina (color rojo) que almidón (color azul oscuro, casi negro), la fotografía B es un grano al que le fue aplicado 50 ppm de Cu y presenta un aumento en concentración de la amilopectina y la consecuente disminución de almidón (tiene más zonas rojas), en la fotografía C se ve un grano al que le fue aplicado 200 ppm de Cu y presenta el mencionado aumento en la síntesis de almidón pues están teñidas más zonas en azul oscuro que en rojo.

    Este hecho nos hace proponer que el locus Wx1 el cual modula la hidrólisis de amilopectina a amilosa, es un gen importante en el proceso evolutivo de teocintle a maíz, puesto que durante el proceso de selección antropogénica uno de los factores mas importantes sería el organoléptico, es decir, serían escogidas las mazorcas con mayor cantidad de almidón, las cuales son las más adecuadas para producir tortillas.

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Teocinte Glume Architecture (TGA)

    Recientemente Doebley propone al gen Teocinte Glume Architecture como (QTL) Quantitative Train Locus, es decir, uno de los genes que controla la evolución del teocintle al maíz.   

    En la foto (a) podemos ver una microfotografía de una semilla de teocintle; en (b) podemos apreciar la misma zona en un transgenote obtenido en el curso de esta investigación (Cu-200-5), a la izquierda en la misma foto (c) se presenta la misma zona para un híbrido natural entre maíz y teocintle colectado en una zona de alta intrusión de teocintle (Moroleón Guanajuato). En las figuras puede observarse el retraimiento de la cubierta durable del grano tal como lo describe Doebley este retraimiento esta acompañado por un aumento en la síntesis de almidón.

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Gen Mutator

    En el maíz, los elementos transponibles del tipo Mutator son sólo activos durante el desarrollo terminal de las divisiones celulares en tejido, resultando esto en escisiones de pequeños sectores del ADN.   

    Con un gen reportero de antocianinas (Bz2) estos sectores son rápidamente visualizados fenotipicamente gracias a las distintas coloraciones que son producidas por la aglomeración de las antocianinas en ciertas zonas de la aleurona, Bz2 es responsable del transporte de las antocianinas. También se notó que es una característica hereditaria.  

    En la foto izquierda está la aleurona de un grano que presenta la actividad Bz2::Mutator, en la derecha una foto con un grano que presenta la misma actividad pero en la segunda generación. Esta actividad se nota por las distintas coloraciones en la aleurona.   

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Laboratorio Químico de Productos Naturales 1991

Publcado en "La importancia biológica de los iones inorgánicos" editado por la Universidad Michoacana.