Investigadores de The Land Institute y HudsonAlpha Institute for Biotechnology, en Estados Unidos, ensamblaron los primeros genomas de referencia a escala cromosómica y con haplotipos separados de Silphium integrifolium y Silphium perfoliatum. El trabajo, publicado en Nature Communications, identificó 81 regiones genómicas asociadas con adaptación ambiental y rasgos de domesticación, proporcionando nuevas herramientas para acelerar el mejoramiento de potenciales cultivos perennes.
ChileBio / 24 de agosto, 2025.- Transformar una planta silvestre en un cultivo agrícola puede requerir generaciones de selección. Ahora, el avance de las tecnologías genómicas está ofreciendo nuevas herramientas para acelerar ese proceso y, al mismo tiempo, intentar conservar características valiosas que las plantas han adquirido durante su evolución en ambientes naturales.
Un equipo liderado por científicos de The Land Institute y HudsonAlpha Institute for Biotechnology, junto con investigadores de varias instituciones de Estados Unidos, logró ensamblar los primeros genomas de alta calidad de dos especies del género Silphium: Silphium integrifolium y Silphium perfoliatum, plantas perennes nativas de Norteamérica y pertenecientes a la familia Asteraceae, la misma del girasol.
El estudio fue publicado en la revista Nature Communications y proporciona una nueva plataforma genética para avanzar en la llamada domesticación de novo: el proceso de transformar especies silvestres con características agronómicas interesantes en nuevos cultivos.
De plantas de pradera a posibles nuevos cultivos
Silphium integrifolium, conocida en los programas de mejoramiento como silflower, está siendo domesticada principalmente como una potencial oleaginosa perenne, mientras que S. perfoliatum ha despertado interés para la producción de biomasa y fibra.
A diferencia de los principales cultivos anuales, estas plantas sobreviven durante varios años y desarrollan extensos sistemas radicales. Estudios anteriores citados por los autores indican que las raíces de especies de Silphium pueden alcanzar entre 3 y 4,5 metros de profundidad, contribuyendo a explorar agua en capas profundas del suelo, formar bioporos, favorecer la infiltración de agua y acumular carbono orgánico.
La diversificación agrícola es uno de los argumentos detrás de esta línea de investigación. Los autores recuerdan que se estima que más de la mitad de las calorías consumidas por la humanidad proviene de apenas cinco cultivos —arroz, trigo, maíz, caña de azúcar y cebada—, lo que aumenta el interés por explorar nuevas especies que puedan complementar los actuales sistemas productivos.
Genomas de más de 7.000 millones de pares de bases
Secuenciar Silphium no era una tarea sencilla.
El genoma de S. integrifolium alcanza aproximadamente 7,6 gigabases (Gb) y el de S. perfoliatum, 7,5 Gb. Como referencia, se trata de genomas más de dos veces mayores que el genoma humano.
Ambas especies poseen siete pares de cromosomas extremadamente grandes. El cromosoma 1 alcanza aproximadamente 1,81 Gb en S. integrifolium y 1,79 Gb en S. perfoliatum, y alrededor del 75% de sus genomas está compuesto por elementos transponibles.
Para resolver esta complejidad, los investigadores utilizaron un híbrido interespecífico entre ambas especies y una estrategia conocida como trio-binning, que permite clasificar las secuencias de ADN según el progenitor del que proceden. De esta manera pudieron reconstruir por separado los haplotipos parentales y generar ensamblajes de referencia a escala cromosómica.
Este nivel de resolución es particularmente útil para especies altamente heterocigotas, donde intentar representar todo el genoma mediante una sola secuencia puede ocultar diferencias importantes entre las dos copias de cada cromosoma.
Cromosomas gigantes con una organización inusual
El gran tamaño de los cromosomas también permitió observar una característica llamativa.
Los mapas tridimensionales de contacto del ADN mostraron patrones compatibles con una organización helicoidal de los cromosomas durante la interfase, con estructuras repetitivas cuya circunferencia estimada alcanza unos 43 millones de pares de bases.
Los investigadores observaron patrones similares a los descritos previamente en otra planta con cromosomas extraordinariamente grandes. Por ahora, esta organización debe interpretarse como una hipótesis estructural respaldada por los datos de interacción cromosómica y no como un mecanismo funcional completamente demostrado.
Del genoma al mejoramiento
El trabajo no se limitó a ensamblar los cromosomas.
A partir de los nuevos genomas de referencia, el equipo desarrolló estrategias de secuenciación de bajo costo y secuenciación dirigida que permitieron estudiar la diversidad genética del género, reconstruir con mayor resolución sus relaciones evolutivas y analizar poblaciones naturales y materiales sometidos a domesticación.
En total, los análisis genómicos identificaron 81 loci asociados con variables ambientales o características relacionadas con la domesticación. Algunos explicaron una proporción considerable de la variación observada entre plantas.
Por ejemplo, los investigadores encontraron nueve loci asociados con un índice de calor y regiones relacionadas con un índice de aridez. Una variante asociada con aridez explicó alrededor del 12,75% de la variación observada, mientras que otra asociada con el índice de calor explicó cerca del 12,4%.
También localizaron regiones relacionadas con características de la inflorescencia —el capítulo floral típico de las Asteraceae—, incluyendo el número de semillas por capítulo, la cantidad de flores liguladas y el diámetro del receptáculo.
Entre los genes candidatos aparecen una α/β-hidrolasa, un transportador de la familia MATE y una proteína relacionada con ACR4, todos potencialmente vinculados con diferencias en la arquitectura floral. Uno de los marcadores situado en un gen de la familia MATE llegó a explicar aproximadamente el 25% de la variación para uno de los caracteres analizados.
Los autores, sin embargo, recalcan una distinción importante: se trata de asociaciones estadísticas entre variantes genéticas y características de las plantas. Todavía son necesarios estudios funcionales para determinar exactamente cómo estas variantes influyen en la tolerancia al estrés o en la morfología de Silphium.
Mejorar el rendimiento sin perder la adaptación silvestre
Uno de los desafíos de domesticar rápidamente una especie silvestre es evitar que una selección intensa reduzca excesivamente su diversidad genética y elimine variantes que pueden resultar útiles frente al calor, la sequía u otros factores ambientales.
Los resultados sugieren que los alelos asociados a características de domesticación y aquellos vinculados con adaptación a aridez y temperatura pueden encontrarse en combinaciones independientes. Esto abre la posibilidad de seleccionar simultáneamente plantas con características agrícolas favorables y con parte de la adaptación ambiental presente en sus poblaciones silvestres.
David Van Tassel, científico líder del programa de oleaginosas perennes de The Land Institute, destacó que “las especies perennes silvestres podrían ayudar a mejorar la seguridad alimentaria”. El investigador explicó que características como las raíces profundas pueden aportar ventajas de sostenibilidad y que las nuevas herramientas genómicas permiten acelerar el desarrollo de variedades incluso en especies cuyos genomas habían sido particularmente difíciles de ensamblar.
Por su parte, Renan Souza, investigador en genómica aplicada de The Land Institute y HudsonAlpha, señaló que “existe una necesidad urgente de acelerar la domesticación y el mejoramiento” frente a condiciones climáticas cada vez más variables. Según el investigador, las herramientas desarrolladas para Silphium podrían extenderse también a otras especies silvestres con potencial agrícola.
Aceite, raíces profundas y nuevos usos agrícolas
Silphium integrifolium presenta características particularmente interesantes como candidata a oleaginosa perenne.
Investigaciones previas citadas en el nuevo estudio han encontrado contenidos de aceite de aproximadamente 11,8% a 25,3% en sus semillas. Su aceite contiene además escualeno, un compuesto utilizado, entre otras aplicaciones, en cosméticos y como componente de determinadas formulaciones de vacunas.
Estas propiedades se suman a su tolerancia a periodos de sequía, su carácter perenne y su sistema radical profundo. Sin embargo, silflower continúa siendo un cultivo en proceso de domesticación y todavía requiere avances en rendimiento, sanidad, arquitectura de la planta y manejo agronómico antes de alcanzar una adopción agrícola a gran escala.
El siguiente paso: analizar miles de plantas
Con los genomas de referencia disponibles, los investigadores buscan ahora ampliar el sistema de genotipado para poder obtener perfiles genéticos de miles de plantas cada año.
Esto podría facilitar la selección asistida por marcadores y la selección genómica, permitiendo seguir variantes favorables durante sucesivas generaciones de mejoramiento y, al mismo tiempo, monitorear la diversidad genética conservada dentro del programa.
El equipo también pretende profundizar en la peculiar organización tridimensional de estos enormes cromosomas y determinar qué consecuencias puede tener tanto para el mejoramiento como para la conservación genética.
Para los investigadores, el impacto del trabajo podría extenderse mucho más allá de Silphium: demostrar que es posible ensamblar y analizar genomas extremadamente grandes con tecnologías actualmente disponibles reduce una de las barreras que históricamente han limitado la incorporación de especies silvestres a los programas modernos de domesticación.
En lugar de depender exclusivamente de un pequeño conjunto de especies que fueron domesticadas hace miles de años, la genómica abre así la posibilidad de explorar sistemáticamente una diversidad mucho mayor de plantas para desarrollar los cultivos del futuro.