La reciente identificación de un 64% del genoma de la planta del tabaco (Nicotiana tabacum) por un grupo de científicos británicos y estadounidenses podría eventualmente conducir al desarrollo de plantas que requieren menos nitrógeno y también a la reducción de ciertos compuestos tóxicos en el humo derivado del cigarrillo.
Una nueva hoja de ruta genética del tabaco se ha utilizado para identificar y clonar con éxito dos genes mutados asociados con la eficiencia con la que las plantas usan el nitrógeno, un descubrimiento que podría un día ayudar a reducir la necesidad de fertilizantes nitrogenados en los cultivos. Estos mismos genes también podrían jugar un papel en ayudar a reducir los niveles de algunos compuestos cancerígenos en el humo del cigarrillo.
El uso excesivo de fertilizantes a base de nitrógeno en los cultivos puede conducir a un exceso de nitrato en el medio ambiente, lo que a su vez puede conducir a la acidificación del agua y a la eutrofización (matando por completo ambientes acuáticos), además de la lixiviación de nutrientes del suelo. Esto puede ocasionar reducciones en la biodiversidad y la productividad de los cultivos, además de tener impactos negativos en la salud animal y humana.
En el caso del tabaco, el metabolismo ineficaz del nitrógeno de la planta puede conducir a altas concentraciones de algunos compuestos nitrogenados en la hoja, cuya presencia conduce a la formación de ciertos tóxicos específicos del tabaco en el humo.
Científicos de la British American Tobacco, la Universidad de Carolina del Norte (Raleigh, Carolina del Norte) y del Instituto Boyce Thompson perteneciente a la Universidad de Cornell (Ithaca, Nueva York) trabajaron juntos para desarrollar un nuevo mapa genético del genoma del tabaco (Nicotiana tabacum) . Esta hoja de ruta establece la posición del 64% del genoma del tabaco, en comparación con sólo el 20% en intentos anteriores.
El genoma del tabaco es aproximadamente 50% más grande que el genoma humano (de aproximadamente 4Gb). También es significativamente más complicado que el genoma humano porque es alopoliploide, es decir, surge de la hibridación de diferentes especies ancestrales (en este caso N. sylvestris y N. tomentosiformis), lo que significa que cada célula de tabaco contiene conjuntos de cromosomas procedentes de ambas especies.
Esto hace que el ensamblaje de la secuencia del genoma sea técnicamente muy difícil debido a que los genomas combinados son muy similares en secuencia, en efecto, es como tratar de armar dos rompecabezas revoltosos que contienen imágenes muy similares, pero no idénticas. La secuencia también contiene una gran cantidad de repeticiones, haciendo que el montaje de algunas áreas sea como tratar de completar un rompecabezas de un solo color.
«Generar este ensamblaje dramáticamente mejorado para el tabaco es un gran paso adelante», dice Chris Proctor, director científico de la British American Tobacco. «Se abrirán varias vías de investigación que ayudarán a los científicos a comprender mejor la evolución de la planta de tabaco hasta la identificación de los genes responsables de varios rasgos, ya sean relacionados con la mejora de la sostenibilidad de la agricultura, la reducción de los niveles de tóxicos en Los productos del tabaco o la mejora de la producción de productos farmacéuticos y biocombustibles”.
El nuevo ensanblaje ya se ha utilizado para identificar con éxito dos genes mutados que explican por qué el tabaco Burley no es muy eficaz en la utilización de nitrógeno en comparación con otros tipos de tabaco. «Diferentes cultivares de tabaco Burley comparten estas dos mutaciones genéticas, dándonos una idea de por qué difieren de otros tabacos», explica Allen Griffiths, jefe de Biotecnología de Plantas de la British American Tobacco. «Creemos que esto representa el primer descubrimiento de genes basado en un mapeo exitoso para N. tabacum y demuestra el valor de un ensamblaje genómico de alta calidad para futuras investigaciones».
El nitrógeno es esencial para el crecimiento de las plantas, y muchos agricultores agregan fertilizantes a base de nitrógeno a los cultivos para lograr buenos rendimientos. Sin embargo, el exceso de nitrógeno puede tener efectos adversos en el medio ambiente. El descubrimiento de estos genes podría, por lo tanto, ayudar a mejorar la eficiencia del uso de nitrógeno de algunos tipos de tabaco, así como otros cultivos comercialmente importantes – en última instancia, la reducción de la necesidad de fertilizantes químicos.
El impacto de la menor eficiencia del uso de nitrógeno del tabaco Burley en su metabolismo y crecimiento significa que algunas variantes de plantas contienen niveles incrementados de nicotina, otros alcaloides y nitritos, dando como resultado niveles más altos de compuestos de nitrosamina (TSNA) específicos de tabaco en su hoja. La modificación de los genes mutantes podría potencialmente también conducir al desarrollo de nuevos cultivares de tabaco que contengan niveles más bajos de TSNAs.
Para anclar el código genético, los investigadores utilizaron una nueva técnica conocida como cartografía óptica. Esto implica tomar una huella digital del genoma (marcando patrones de secuencia específicos en secuencias muy largas de ADN desconocido) para crear un código de barras de fragmentos de ADN. El código de barras se utiliza entonces como una plantilla en la que el nuevo conjunto puede ser eliminado y emparejado, un poco como completar un rompecabezas en la parte superior de un rastro de su imagen. Esto ha permitido que mucho más del genoma se ancle a los cromosomas del tabaco en comparación con los ensamblajes anteriores.