El enfoque de la investigación chileno-estadounidense en genómica evolutiva identifica genes que permiten que las plantas vivan en el desierto de Atacama, ofreciendo pistas para diseñar cultivos más resistentes para enfrentar el cambio climático.
New York University / 1 de noviembre, 2021.- Un equipo internacional de investigadores ha identificado genes asociados con la supervivencia de las plantas en uno de los entornos más duros de la Tierra: el desierto de Atacama en Chile. Sus hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), pueden ayudar a los científicos a generar cultivos resistentes que puedan prosperar en climas cada vez más secos.
«En una era de cambio climático acelerado, es fundamental descubrir la base genética para mejorar la producción de cultivos y la resiliencia en condiciones secas y pobres en nutrientes», dijo Gloria Coruzzi, profesora en el Departamento de Biología y Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York (NYU), quien codirigió el estudio con Rodrigo Gutiérrez.
El estudio fue una colaboración internacional entre botánicos, microbiólogos, ecologistas, científicos evolutivos y genómicos. Esta combinación única de experiencia permitió al equipo identificar las plantas, los microbios asociados y los genes que permiten que las plantas de Atacama se adapten y florezcan en condiciones desérticas extremas, lo que en última instancia podría ayudar a mejorar el crecimiento de los cultivos y reducir la inseguridad alimentaria.
“Nuestro estudio de las plantas en el desierto de Atacama es directamente relevante para las regiones del mundo que se están volviendo cada vez más áridas, con factores como la sequía, las temperaturas extremas y la sal en el agua y el suelo que representan una amenaza significativa para la producción mundial de alimentos”, dijo Gutiérrez, profesor del Departamento de Genética Molecular y Microbiología de la Pontificia Universidad Católica de Chile.
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Establecimiento de un «laboratorio natural» en uno de los lugares más secos de la Tierra
El desierto de Atacama en el norte de Chile, entre el Océano Pacífico y la Cordillera de los Andes, es el lugar más seco del planeta (excluyendo los polos). Sin embargo, allí crecen docenas de plantas, incluidas hierbas, plantas anuales y arbustos perennes. Además de la escasez de agua, las plantas de Atacama deben hacer frente a la gran altitud, la baja disponibilidad de nutrientes en el suelo y la radiación extremadamente alta de la luz solar.
El equipo de investigación chileno estableció un inigualable «laboratorio natural» en el desierto de Atacama durante un período de 10 años, en el que recolectaron y caracterizaron el clima, el suelo y las plantas en 22 sitios en diferentes áreas de vegetación y elevaciones (cada 100 metros de altitud). ) a lo largo del Transecto Talabre-Lejía. Midiendo una variedad de factores, registraron temperaturas que fluctuaban más de 50 grados de día a noche, niveles de radiación muy altos, suelo que era en gran parte arena y carecía de nutrientes, y lluvia mínima, con la mayor parte de la lluvia anual cayendo durante unos pocos días.
Uso de la genómica para explorar la evolución de plantas resilientes
Los investigadores chilenos llevaron las muestras de plantas y suelo, conservadas en nitrógeno líquido, 1.000 millas al laboratorio para secuenciar los genes expresados en las 32 especies de plantas dominantes en Atacama y evaluar los microbios del suelo asociados a las plantas en función de las secuencias de ADN. Descubrieron que algunas especies de plantas desarrollaron bacterias promotoras del crecimiento cerca de sus raíces, una estrategia de adaptación para optimizar la ingesta de nitrógeno, un nutriente crítico para el crecimiento de las plantas, en los suelos pobres en nitrógeno de Atacama.
Para identificar los genes cuyas secuencias de proteínas se adaptaron en la especie de Atacama, los investigadores de la NYU luego realizaron un análisis utilizando un enfoque llamado filogenómica, que tiene como objetivo reconstruir la historia evolutiva utilizando datos genómicos. En consulta con colegas del Jardín Botánico de Nueva York, compararon los genomas de las 32 plantas de Atacama con 32 especies “hermanas” no adaptadas pero genéticamente similares, así como varias especies modelo.
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“El objetivo era utilizar este árbol evolutivo basado en secuencias del genoma para identificar los cambios en las secuencias de aminoácidos codificadas en los genes que apoyan la evolución de la adaptación de la planta de Atacama a las condiciones del desierto”, dijo Coruzzi.
“Este análisis genómico computacionalmente intenso implicó la comparación de 1.686.950 secuencias de proteínas en más de 70 especies. Usamos la supermatriz resultante de 8.599.764 aminoácidos para la reconstrucción filogenómica de la historia evolutiva de las especies de Atacama ”, dijo Gil Eshel, quien realizó este análisis utilizando el Grupo de Computación de Alto Rendimiento en NYU.
El estudio identificó 265 genes candidatos cuyos cambios en la secuencia de proteínas fueron seleccionados por fuerzas evolutivas en múltiples especies de Atacama. Estas mutaciones adaptativas ocurrieron en genes que podrían ser la base de la adaptación de las plantas a las condiciones del desierto, incluidos los genes involucrados en la respuesta a la luz y la fotosíntesis, que pueden permitir que las plantas se adapten a la radiación extrema de luz alta en Atacama. De manera similar, los investigadores descubrieron genes involucrados en la regulación de la respuesta al estrés, la sal, la desintoxicación y los iones metálicos, que podrían estar relacionados con la adaptación de estas plantas de Atacama a su entorno estresante y pobre en nutrientes.
Qué podemos aprender de esta «mina de oro genética»
La mayor parte del conocimiento científico sobre las respuestas al estrés y la tolerancia de las plantas se ha generado a través de estudios de laboratorio tradicionales que utilizan algunas especies modelo. Si bien estos estudios moleculares son beneficiosos, probablemente pierdan el contexto ecológico en el que han evolucionado las plantas.
“Al estudiar un ecosistema en su ambiente natural, pudimos identificar genes adaptativos y procesos moleculares entre especies que enfrentan un ambiente hostil común”, dijo Viviana Araus de la Pontificia Universidad Católica de Chile en el laboratorio de Gutiérrez y ex asociada postdoctoral en el Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la NYU.
“La mayoría de las especies de plantas que caracterizamos en esta investigación no se han estudiado antes. Como algunas plantas de Atacama están estrechamente relacionadas con cultivos básicos, incluidos granos, legumbres y papas, los genes candidatos que identificamos representan una mina de oro genética para diseñar cultivos más resistentes, una necesidad dada la creciente desertificación de nuestro planeta”, dijo Gutiérrez.
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Además de Gutiérrez y Araus, sus colaboradores en Chile incluyeron a Claudio Latorre de la Pontificia Universidad Católica de Chile y Mauricio González de la Universidad de Chile. Coruzzi y Eshel en NYU trabajaron en la tubería filogenómica y el análisis con colaboradores en los EE. UU., incluidos Kranthi Varala de la Universidad de Purdue, Dennis Stevenson del Jardín Botánico de Nueva York, Rob DeSalle del Museo Americano de Historia Natural, así como miembros de su equipos de investigación.
Este trabajo fue apoyado por el Centro de Regulación del Genoma del Fondo de Desarrollo de Áreas Prioritarias (FONDAP) (15090007) en Chile, y en los Estados Unidos por la Zegar Family Foundation (A160051), y por una beca del Departamento de Investigación Biológica y Ambiental Energética (DE -SC0014377).