Un nuevo estudio identifica eventos de duplicación del genoma completo en una familia de plantas que incluye al arroz, maíz, trigo y bambú; el estudio explora cómo la retención o pérdida de genes duplicados ayudó a dar forma a su evolución.
Penn State / 31 de julio, 2024.- Los pastos cubren aproximadamente el 40% de la superficie terrestre de la Tierra y prosperan en una multitud de entornos. El éxito evolutivo de esta familia de plantas, que incluye arroz, maíz, trigo y bambú, probablemente sea el resultado de una historia de duplicaciones de todo el genoma, según un nuevo análisis dirigido por biólogos de Penn State.
El equipo de investigación comparó los genomas de una selección diversa de más de 350 especies de pastos, construyendo hacia atrás para formar una imagen de cómo podría haber sido el genoma ancestral del pasto. Proporcionaron información de duplicación de genes a gran escala para una duplicación conocida del genoma completo que comparten todos los pastos, un evento conocido como rho, que resultó en que las células ancestrales del pasto contuvieran dos copias de la información genética del organismo. El equipo también identificó duplicaciones adicionales y más recientes del genoma completo en linajes específicos y rastreó qué genes duplicados se retuvieron o se perdieron en especies individuales, lo que, según los investigadores, puede haber contribuido a la diversificación de los pastos.
Un artículo que describe la investigación apareció en la revista Nature Communications.
«A veces, diferentes especies de organismos pueden aparearse y producir descendencia, un proceso llamado hibridación», dijo Hong Ma, catedrático Huck de Desarrollo y Evolución Reproductiva de las Plantas y profesor de biología en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y líder del equipo de investigación. “En los animales, la descendencia suele ser estéril, como cuando los caballos y los burros se aparean para producir mulas. Esta esterilidad a menudo se debe a problemas al dividir los dos genomas al producir espermatozoides y óvulos. En las plantas, la hibridación ocurre con mucha más frecuencia y los híbridos resultantes pueden sobrevivir y reproducirse, lo que hace que las duplicaciones del genoma completo sean más comunes”.
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Cuando se produce una duplicación de todo el genoma como resultado de una hibridación, la planta resultante tendrá dos copias de todos los genes. Los genes duplicados pueden ser ligeramente diferentes, ya que provienen de dos especies diferentes que se hibridaron, pero como solo se necesita una copia, se dice que la otra copia es redundante, lo que significa que es libre de evolucionar sin mucho riesgo de impactos negativos.
«La mayoría de las veces, si un gen experimenta una mutación, afectará negativamente a su función», dijo Ma. “Pero cuando tienes genes duplicados, uno de ellos puede cambiar más libremente mientras el otro mantiene su función. De esta manera, los genes duplicados suelen ser la materia prima para la adaptación evolutiva. A veces, los mecanismos de reparación del ADN en la célula harán que las dos copias sean más similares: un proceso llamado conversión genética; a veces, una copia se perderá por completo y, a veces, una copia desarrollará una nueva función”.
En investigaciones anteriores, Ma y su equipo construyeron una filogenia o árbol genealógico más completo de los pastos. Esta mejor comprensión de la relación entre las especies de pastos les permitió seguir pares de genes duplicados en especies relacionadas, viendo dónde se perdieron, retuvieron o evolucionaron.
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«Es algo así como la paleontología molecular», dijo Ma. “Cada especie moderna ha experimentado un cambio evolutivo que puede oscurecer la historia de las duplicaciones del genoma, pero con una gran cantidad de especies podemos ver cada vez más piezas de esa historia para poder reconstruirla. Es como encontrar huesos de diferentes dinosaurios individuales para reconstruir una imagen más completa de todo el esqueleto”.
Para comprender mejor la conocida duplicación del genoma completo rho compartida en todas las gramíneas, el equipo de investigación identificó genes implicados en adaptaciones ambientales que se retenían de manera diferencial entre las subfamilias de gramíneas. Esto incluye un gen para la adaptación a ambientes acuáticos en el arroz; un gen de adaptación al frío en la subfamilia que incluye trigo, cebada, avena y centeno; un gen para el rápido crecimiento celular en el bambú; y un gen para la respuesta a la sequía en el maíz.
El equipo también identificó nueve eventos de duplicación del genoma completo previamente desconocidos entre linajes individuales de pastos.
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«Los pastos han tenido un gran éxito en la colonización de una amplia variedad de entornos en todo el mundo», dijo Ma. “Con nuestra mejor comprensión de las relaciones entre las gramíneas, podemos ver cuán importantes fueron los eventos de duplicación del genoma completo para este éxito y comenzar a identificar los genes que se retuvieron o se perdieron en especies individuales que permitieron esta diversificación. Esta información también podría ayudar a guiar los esfuerzos de reproducción selectiva en plantas de cultivo para aprovechar las adaptaciones naturales que permiten que los pastos prosperen en ambientes tan variados”.
Además de Ma, el equipo de investigación incluye al investigador postdoctoral Taikui Zhang y al estudiante graduado Weichen Huang en Penn State, Lin Zhang y Ji Qi en la Universidad Fudan en China, y De-Zhu Li en la Academia China de Ciencias en Kunming.
Esta investigación recibió financiación de la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China.