Un equipo internacional de 80 científicos de 12 países diferentes, dirigido por el Instituto Leibniz de Genética Vegetal e Investigación de Cultivos Vegetales (IPK), ha publicado un pangenoma de la cebada que aporta información sobre la resistencia a las enfermedades, la arquitectura, la movilización del almidón y la vellosidad de un apéndice rudimentario del grano. Los resultados se publicaron en la revista Nature.
Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) / 13 de noviembre, 2024.- Los pangenomas son colecciones de secuencias genómicas anotadas de varios individuos de una especie. Las variantes estructurales descubiertas por estos conjuntos de datos son un recurso importante para el análisis genético en plantas de cultivo. Un equipo de investigación internacional dirigido por el Instituto Leibniz IPK informa sobre un pangenoma de la cebada que comprende conjuntos de secuencias de lectura larga de 76 genomas silvestres y domesticados y datos de secuencias de lectura corta de 1.315 genotipos. Un catálogo ampliado de variación de secuencias en el cultivo incluye loci estructuralmente complejos que son ricos en variación del número de copias de genes y que controlan ciertos rasgos. Los resultados se publicaron en la revista «Nature».
Los rendimientos confiables de los cultivos impulsaron el surgimiento de las civilizaciones humanas. A medida que las personas adoptaron una nueva forma de vida, las plantas cultivadas también tuvieron que adaptarse a las necesidades de sus domesticadores. Existen diferentes requisitos de adaptación en un hábitat silvestre en comparación con uno cultivable. Las plantas cultivadas y sus progenitores silvestres difieren, por ejemplo, en la cantidad de ramas vegetativas que inician o en la cantidad de semillas o frutos que producen y cuándo.
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Una preocupación común entre los conservacionistas de cultivos es la peligrosa reducción de la diversidad genética en las plantas cultivadas. Pero la evolución de los cultivos no tiene por qué ser una pérdida unidireccional de diversidad. “Nuestro panel de 1.000 recursos genéticos de plantas y 315 variedades de élite nos permitió comparar la complejidad del pangenoma en el cultivo y su progenitor silvestre”, explica el Dr. Murukarthick Jayakodi, coautor principal del estudio. “Y hemos demostrado que puede surgir una diversidad valiosa después de la domesticación”.
El borrador del pangenoma humano publicado recientemente demostró cómo las secuencias de lectura larga contiguas ayudan a dar sentido a grandes cantidades de datos de secuencias. Este estudio actual sobre el pangenoma de la cebada arroja luz sobre la evolución y el mejoramiento de los cultivos. Las deficiencias de los ensamblajes de lectura corta anteriores hicieron que fuera casi imposible ver los patrones que ahora surgen de sus contrapartes de lectura larga. “Por primera vez hemos podido estudiar la evolución de loci estructuralmente complejos y hemos detectado 173 de ellos con repeticiones en tándem y genes casi idénticos”, explica el Dr. Martin Mascher, director del grupo de investigación “Domestication Genomics” del IPK.
Para demostrar la utilidad del pangenoma, los investigadores se centraron en unos pocos loci (Mla, HvTB1, amy1_1, HvSRH1) y en los caracteres que controlan: la resistencia a las enfermedades, la arquitectura de la planta, la movilización del almidón y la vellosidad de un apéndice rudimentario del grano. Y si tomamos una visión más amplia del entorno como un conjunto de factores exógenos que impulsan la selección natural, la cebada ofrece un ejemplo fascinante y económicamente importante.
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El proceso de malteado implica la germinación de los granos húmedos de cebada, lo que impulsa la liberación de enzimas que descomponen el almidón en azúcares fermentables. Sólo el pangenoma de alta calidad basado en lecturas largas reveló las diferencias en el número de copias y la diversidad de haplotipos de la familia de genes alfa-amilasa 1_1 que degradan el almidón y hace que esta información sea accesible para el mejoramiento. «La nueva variación alélica es ilustrativa del poder de la pangenómica», enfatiza el Prof. Dr. Nils Stein, jefe del departamento «Genebank» del IPK. «Nuestros hallazgos indican que gran parte de la diversidad alélica que vemos en loci estructuralmente complejos en el pangenoma puede haber ayudado a las plantas de cultivo a adaptarse a nuevos regímenes selectivos en los ecosistemas agrícolas».
La cebada se encuentra entre los cinco principales cultivos a nivel mundial en la actualidad. Su importancia puede aumentar en el futuro porque la cebada tolera entornos duros y marginales y puede adaptarse a climas secos. La diversidad alélica en loci estructuralmente complejos puede ayudar a satisfacer las necesidades tanto de los agricultores como de los fitomejoradores. “La diversidad de los pangenomas de los cultivos nos ayudará a entender cómo las fuerzas que contrarrestan los obstáculos de la domesticación pasada y las variantes estructurales que han surgido recientemente influyen en la mejora futura de los cultivos en climas cambiantes”, afirma el Prof. Dr. Nils Stein.
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Con este estudio, el IPK pone de relieve su papel como institución líder en el área de la genómica de cultivos y bancos de genes, con un papel coordinador en la secuenciación genómica y estudios anteriores de pangenomas de cebada, trigo, centeno y avena y sus parientes silvestres. El proyecto de pangenoma de la cebada reunió a 80 científicos de 12 países diferentes y fue iniciado y coordinado por el IPK.