Durante siglos, la caña de azúcar ha suministrado a las sociedades humanas alcohol, biocombustibles, materiales de construcción y tejidos, y la fuente de azúcar más confiable del mundo. Ahora, los investigadores han extraído un dulce premio científico de la caña de azúcar: su secuencia genómica masiva y compleja,lo que puede conducir al desarrollo de cultivares más resistentes y productivos.
La producción de la secuencia integral requirió un esfuerzo concertado de más de 100 científicos de 16 instituciones; el trabajo tomó cinco años y culminó en una publicación en Nature Genetics. Pero la motivación para abordar el proyecto surgió mucho antes.
"Personalmente, esperé durante 20 años para secuenciar este genoma", dijo Ray Ming, profesor de biología vegetal de la Universidad de Illinois que instigó y dirigió el esfuerzo de secuenciación. "Soñé con tener un genoma de referencia para la caña de azúcar cuando trabajaba enmapeo del genoma de la caña de azúcar a fines de la década de 1990. "Ming es miembro del Instituto de Biología Genómica Carl R. Woese, uno de un grupo de investigadores interesados en desarrollar caña de azúcar y cultivos relacionados para impulsar la producción de alimentos y biocombustibles".
La secuencia completa del genoma valió la pena la espera y el esfuerzo debido a su potencial para ayudar al esfuerzo de mejorar la caña de azúcar. La caña de azúcar cultivada por la mayoría de los agricultores es un híbrido de dos especies: Saccharum officinarum , que cultiva plantas grandes con alto contenido de azúcar, y Saccharum spontaneum , cuyo menor tamaño y dulzura se ve compensado por una mayor resistencia a las enfermedades y tolerancia al estrés ambiental. Al carecer de una secuencia completa del genoma, los fitomejoradores han hecho cepas robustas y de alto rendimiento a través de generaciones de cruces y selección, pero este es un proceso arduo que dependea tiempo y suerte.
"La caña de azúcar es el quinto cultivo más valioso, y la falta de un genoma de referencia obstaculizó la investigación genómica y la mejora molecular para la mejora de la caña de azúcar", dijo Ming..... La tecnología de secuenciación no estaba lista para manejar genomas de autopoliploides grandes hasta 2015, cuando elel rendimiento, la longitud de lectura y el costo de la tecnología de secuenciación de tercera generación [por ejemplo, la desarrollada por la empresa de biotecnología Pacific Biosciences] se volvió lo suficientemente competitiva ".
¿Por qué era tan difícil secuenciar el genoma de la caña de azúcar? Un fenómeno natural común en las plantas creó una barrera técnica significativa. En algún momento durante la historia evolutiva de la caña de azúcar, su genoma se había duplicado dos veces, lo que resultó en cuatro versiones ligeramente diferentes de cada par de cromosomastodos apiñados en el mismo núcleo juntos.
Estos eventos no solo cuadruplicaron el tamaño del genoma y, por lo tanto, el gran volumen de la secuencia de ADN, sino que también hicieron que las secuencias muy similares de la duplicación amplia del genoma sean mucho más difíciles de ensamblar en cromosomas distintos. El ADN genómico generalmente se secuencia oleer, en pequeños fragmentos superpuestos, y los datos de secuencia de esos fragmentos se convierten en piezas superpuestas de un enorme rompecabezas lineal. A medida que el tamaño del genoma de la caña de azúcar se duplicó, luego se duplicó nuevamente, este rompecabezas no solo se hizo más grande, sino que se repitió pero noelementos muy idénticos en los que esas piezas pequeñas eran difíciles de encajar correctamente.
Para superar este desafío, el equipo de secuenciación usó una técnica llamada captura de conformación de cromatina de alto rendimiento o Hi-C. Este método permite a los investigadores descubrir qué partes de las hebras largas y enredadas de ADN cromosómico se encuentran en contacto dentro delCuando se analizó usando un algoritmo personalizado llamado ALLHIC desarrollado por el equipo, los datos resultantes sirvieron para el propósito de la imagen en la tapa de una caja de rompecabezas, proporcionando un mapa aproximado de qué secciones de secuencia pertenecían probablemente a qué cromosoma.
"La mayor sorpresa fue que al combinar lecturas de secuencia largas y el mapa físico Hi-C, ensamblamos un genoma autotetraploide [cuadruplicado] en 32 cromosomas y nos dimos cuenta de nuestro objetivo de anotación específica de alelos entre cromosomas homólogos", dijo Ming.En otras palabras, los investigadores ahora sabían qué secuencias de genes pertenecían a cada una de las cuatro variaciones en el genoma original previo a las duplicaciones, un nivel de detalle mucho mayor del que esperaban alcanzar.
Con esta información, los investigadores podrían formar mejores hipótesis sobre los misterios de la historia evolutiva del genoma de la caña de azúcar.
A través de la comparación con los genomas de especies relacionadas, los investigadores sabían que en algún momento el número de cromosomas únicos se había reducido de 10 a ocho. Para sorpresa del equipo, los nuevos datos de secuencia revelaron que dos cromosomas diferentes se habían separado y los cuatrolas mitades se habían fusionado con diferentes cromosomas existentes, un conjunto de eventos más complejo que el que hipotetizaron.
¿Cómo ayuda la comprensión de estos cambios físicos? Junto con estos grandes reordenamientos físicos dentro del genoma vienen los cambios en los genes en las regiones afectadas. Por ejemplo, Ming y sus colegas descubrieron que los grandes fragmentos de cromosomas que se habían trasladado a nuevas ubicacionescontenía muchos más genes que ayudan a las plantas a resistir enfermedades que los que se encontraron en otros lugares.
"Resolvió un misterio por qué S. spontaneum es una fuente tan superior de resistencia a las enfermedades y genes de tolerancia al estrés", dijo Ming. "Los reordenamientos cromosómicos son probablemente la causa, no la consecuencia de este enriquecimiento, aunque el mecanismo subyacente de estoel enriquecimiento aún no se ha investigado. Este descubrimiento acelerará la extracción de alelos efectivos de genes resistentes a enfermedades que se han incorporado en cultivares híbridos de caña de azúcar modernos de élite y, posteriormente, la implementación del mejoramiento molecular [de la caña de azúcar] ".
La alta calidad de la secuencia del genoma también permitió a los investigadores identificar los posibles orígenes de la increíble dulzura de la caña de azúcar moderna: incluso en el S. spontaneum menos dulce, se han acumulado mutaciones que produjeron múltiples copias de genes para proteínas transportadoras de azúcar.para observar que en la hibridación entre S. officinarum y S. spontaneum, la secuencia de ADN derivada de S. spontaneum se dispersa al azar por todo el genoma híbrido.
"El método ALLHIC ya ha demostrado ser efectivo para la construcción del genoma de la caña de azúcar autopoliploide", dijo Ming. Anticipa que las técnicas utilizadas con éxito para el genoma de la caña de azúcar también ayudarán a los investigadores a secuenciar otros genomas complejos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :