La cebada, un grano de cereal ampliamente cultivado que se usa comúnmente para hacer cerveza y otras bebidas alcohólicas, posee un genoma grande y altamente repetitivo que es difícil de secuenciar por completo. Ahora, un equipo dirigido por científicos de la Universidad de California en Riverside ha alcanzado un nuevohito en su trabajo, iniciado en 2000, en la secuenciación del genoma de la cebada. Los investigadores han secuenciado grandes porciones del genoma que juntas contienen casi dos tercios de todos los genes de la cebada.
La nueva información, publicada en El diario de la planta , no solo ampliará el conocimiento de los genetistas sobre el ADN de la cebada, sino que también ayudará a comprender, a nivel genético, el trigo y otras fuentes de alimentos. También tiene aplicaciones en el fitomejoramiento al aumentar la precisión de los marcadores de rasgos talescomo calidad de malta u óxido del tallo.
"Lo que tenemos ahora es una resolución mucho más fina de la información genética en todo el genoma de la cebada", dijo Timothy J. Close, profesor de genética en UC Riverside y autor correspondiente en el trabajo de investigación. "Este es un recurso mejorado utilizado en todoEl mundo Antes de este trabajo, una visión de larga data era que la distribución de genes en los genomas de la cebada, el trigo y sus parientes es tal que las regiones densas en genes solo están cerca de los extremos de los cromosomas donde también hay unalta tasa de recombinación. Nuestro trabajo reveló claras excepciones, identificando regiones desviadas que son ricas en genes pero de baja recombinación ".
La recombinación se refiere a la formación de nuevas combinaciones de genes de forma natural durante la meiosis, que es una etapa del ciclo celular donde los cromosomas se emparejan y se intercambian. Close explicó que los mejoradores de plantas confían en la recombinación meiótica para introducir formas favorables de genes para la calidad de la malta, roya del tallo o cualquier número de rasgos en variedades cultivadas. Se hacen cruces y las plantas de la progenie se seleccionan para nuevas combinaciones deseables de rasgos. Cuando una forma favorable de un gen alelo se encuentra dentro de una región de baja recombinación densa en genes requiere muchomás trabajo para llevar ese alelo favorable a una variedad existente sin arrastrar también los genes vecinos que pueden existir en formas indeseables.
"Por ejemplo, un criador podría tener éxito en agregar un alelo favorable para la resistencia a la roya del tallo de una cebada silvestre, pero junto con ese gen arrastra a otro gen que causa la destrucción de la cabeza madura", dijo Close. "Ahora el criador podríatienen una planta resistente a la roya del tallo, pero todas las semillas caerían al suelo en lugar de permanecer en la planta hasta la cosecha. Por lo tanto, si un gen se encuentra dentro de una región de baja recombinación densa en genes, esto significa que un número mucho mayorde la progenie de los cruces debe examinarse para encontrar aquellos que se derivan de eventos recombinacionales raros que separan el nuevo alelo deseado de las formas indeseables de genes vecinos. Conocer la ubicación de regiones de baja recombinación densas en genes ayuda con las decisiones sobre qué genes buscar para la variedadmejora."
Close se asoció con Stefano Lonardi, profesor de ciencias de la computación e ingeniería en la UCR, para desarrollar un conjunto de innovaciones computacionales eficientes que ayudaron a secuenciar aún más el genoma de la cebada. Los nuevos algoritmos podrían manejar grandes conjuntos de datos, permitiendo a los investigadores obtener más progresode lo contrario sería posible.
"Tim y yo pudimos trabajar muy de cerca en todos los pasos del proyecto, desde el diseño experimental en el laboratorio húmedo hasta el análisis final de los resultados; el principal desafío era cómo manejar la gran cantidad de muestras de cebada ypara esto, diseñamos un enfoque novedoso para la secuenciación que explotó resultados profundos en combinatoria ", dijo Lonardi.
El trabajo es el resultado de una asociación entre la Facultad de Ciencias Naturales y Agrícolas y la Facultad de Ingeniería Bourns de la UCR que ha florecido durante más de diez años con el apoyo continuo del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias,enfocado principalmente en innovaciones en bioinformática.
"La asociación ha proporcionado un entorno en el que los estudiantes, los postdoctorales y otros tienen una experiencia altamente productiva y capacitación en genómica", dijo Close.
Las innovaciones clave en el lado computacional son :
"Cuando los obtentores hacen cruces para desarrollar nuevas variedades, buscan nuevas combinaciones de alelos que se adapten mejor al entorno agrícola o al mercado para el producto del cultivo", explicó Close. "A menudo esto significa hacer cruces con individuos algo distantes, lo quepuede llevar alelos desfavorables en muchas posiciones en el genoma. Cuando un criador puede cruzar solo los alelos favorables, entonces eso es beneficioso.
"Si los alelos desfavorables de genes vecinos siempre se llevan con los alelos favorables de los genes objetivo, entonces eso no es útil", agregó. "Cuando un alelo favorable se encuentra dentro de una región en la que la recombinación rara vez rompe el enlace con unmal alelo para un gen vecino, el obtentor tendrá que trabajar mucho más con una población más grande para encontrar los individuos raros con las combinaciones correctas. Al determinar qué regiones del genoma de la cebada son resistentes a la recombinación, los obtentores podrán estar mejor informadosdecisiones sobre qué alelos favorables perseguir y planificar de manera más eficiente ".
Hace unas dos décadas, Close estaba trabajando casi exclusivamente en deshidrinas, una familia de proteínas que todas las plantas producen en respuesta al estrés por sequía o baja temperatura. Para el año 2000, su grupo de investigación sabía que hay al menos 13 genes de deshidrina en la cebada, y Close quería estudiarlos a todos.
"Los recursos genómicos para la cebada no eran adecuados y, afortunadamente, recibí el tipo adecuado de capacitación para ayudar a desarrollar los recursos genómicos básicos", dijo. "Así que una cosa llevó a otra para mí y para mis colegas de la UCR, que se involucró en la caminata de la cebada. Ahora hemos completado la última tarea de recursos genómicos que asumimos, y todavía nos quedan algunos años para analizar nuevamente los genes de la deshidrina de la cebada.
Lo que Close y sus colegas aprendieron al trabajar con cebada ha sido fácil de transferir a caupí. El grupo de investigación ahora está muy comprometido con la investigación de caupí, que tiene una historia de 40 años en la UCR.
"Lideramos un esfuerzo internacional para mejorar los esfuerzos de cría de caupí, apuntando a muchos rasgos", dijo Close. "En cuanto a la cebada, los genes de la deshidrina parecen ser muy plásticos, algunos de ellos cambian a una alta frecuencia a través de las generaciones, y tenemos la intenciónpara analizar esta plasticidad con más detalle ahora que tenemos el conocimiento del genoma que nos faltaba antes.
Para obtener acceso a la porción del genoma de cebada que contiene genes en alta resolución, Close y su equipo identificaron y secuenciaron 15,622 BAC o cromosomas artificiales bacterianos, pequeños fragmentos del ADN de cebada unidos a otro ADN para formar una molécula circular quepuede replicarse y propagarse dentro de un E. coli célula bacteriana, que permite a los investigadores producir copias de cada BAC para la secuenciación de ADN de una pequeña pieza del genoma de cebada a la vez. Explorando estos BAC secuenciados que contienen aproximadamente dos tercios de todos los genes de cebada, Close y su equipo encontraron ese genlas áreas ricas no se encuentran solo en regiones de alta combinación.
"Hay regiones ricas en genes que se encuentran en regiones de baja recombinación, lo cual es de importancia crítica para el fitomejoramiento", dijo Close.
Debido a que la cebada es un pariente cercano al trigo, el nuevo trabajo podría ofrecer información útil que conduzca a la secuenciación completa del genoma del trigo.
Veintidós de los 49 coautores del trabajo de investigación hicieron contribuciones mientras estaban en la UCR: Maria Muñoz-Amatriain, Lonardi, Kavitha Madishetty, Jan T. Svensson, Matthew J. Moscou, Steve Wanamaker, Tao Jiang, Yaqin Ma,Edmundo Rodríguez, Prasanna R. Bhat, Pascal Condamine, Josh Resnik, Matthew Alpert, Marco Beccuti, Serdar Bozdag, Francesca Cordero, Hamid Mirebrahim, Rachid Ounit, Yonghui Wu, Jie Zheng, Denisa Duma y Close. Además, la mayoría de losLos datos de secuencia sin procesar fueron producidos en el Centro de Genómica de UCR por John Weger.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Iqbal Pittalwala. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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