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Nuevo genoma detallado del maíz muestra que este cultivo puede adaptarse a los desafíos climáticos

Un nuevo genoma de referencia mucho más detallado para el maíz se publicó recientemente en la revista Nature. En la contabilidad de la secuencia de las letras de ADN de los 10 cromosomas de la planta, la nueva versión nos ayuda a entender como nunca antes por qué el maíz, y no otra planta, es hoy el cultivo más productivo y ampliamente sembrado en el mundo.

Entre muchas otras cosas, la nueva secuencia revela que los maíces en forma individual son mucho, mucho menos similares a nivel del genoma que los seres humanos.

“Nuestro nuevo genoma para el maíz muestra cuán increíblemente flexible es esta planta, una característica que se deriva directamente de la forma en que está organizado su genoma”, dice Doreen Ware, Ph.D., del Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) y el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), quién dirigió a los científicos de siete instituciones académicas y varias compañías de tecnología genómica en el proyecto.

Esta flexibilidad no sólo ayuda a explicar por qué el maíz ha tenido tanto éxito desde su adaptación por los agricultores hace miles de años, sino que también es un buen presagio para su capacidad de crecer en nuevos lugares a medida que cambia el clima de la tierra y para aumentar la productividad y la sostenibilidad ambiental de la planta a nivel global.

El genoma del maíz es grande, pero su tamaño no es realmente el responsable de lo que los científicos llaman la “plasticidad fenotípica” de la planta, es decir, el rango potencial en su capacidad de adaptación. Al tratar de determinar qué posibilidades están disponibles para una planta al adaptarse a condiciones nuevas o cambiantes, es tanto el contexto en el que los genes se activan (o silencian) así como la identidad de los propios genes lo que determina qué conjunto total de genes permite a una planta hacerlo, explica Ware.

Es precisamente este contexto de actividad génica (variaciones en la forma en que los genes de la planta son regulados en diferentes individuos a través de la especie)  que el nuevo genoma está sacando a la luz. Al ensamblar un genoma de referencia muy preciso y muy detallado para una importante línea de maíz llamada B73, y luego comparandolo con mapas genómicos para individuos de maíz de otras dos líneas (W22 y Ki11), cultivados en diferentes climas, el equipo de secuenciación llegó a un asombroso descubrimiento.

“Los individuos de maíz son mucho, mucho menos similares a nivel del genoma de son las personas, por una cosa”, dice Ware. Los mapas del genoma de dos personas coincidirán cada uno con el genoma humano de referencia en alrededor del 98% de las posiciones del genoma. Los seres humanos son virtualmente idénticos, en términos del genoma. “Pero hemos descubierto que dos individuos de maíz (de las líneas W22 y Ki11) se alinean cada uno con nuestro nuevo genoma de referencia para el maíz B73 solo un 35% en promedio. ¡La organización de su genoma es increíblemente diferente!”

Esta diferencia entre los individuos de maíz implica una reflexión “no sólo de los cambios en la secuencia de los genes mismos, sino también dónde y cuándo se expresan los genes, y a qué niveles”, explica Yinping Jiao, Ph.D., investigador postdoctoral en el laboratorio de  Ware y primer autor del documento que anuncia el nuevo genoma.

Es posible conocer estas variabilidades en la expresión génica con detalles sin precedentes en la nueva secuencia del genoma de referencia. El primer genoma de referencia para el maíz, completado en 2009, fue un hito importante, pero debido a la tecnología ya obsoleta, produjo un genoma final como un “texto” en versión para lectura rápida de lectura que uno ajustado para lectura detallada, dice Ware.

A la secuencia de 2009 le faltaron dos cosas. La llamada tecnología de secuenciación de primera generación no podía resolver el gran número de secuencias repetitivas en el genoma del maíz, y tendía a perder un número significativo de espacios entre genes. Debido a que tantas piezas diminutas tuvieron que ser “cosidas” juntas para formar un todo, fue particularmente difícil captar con precisión los muchos lugares en el maíz donde las letras de ADN forman secuencias repetitivas largas. Las secuencias repetidas son especialmente importantes en el maíz, debido a la particular forma en que su genoma evolucionó durante millones de años.

La nueva secuencia hace uso de lo que los biólogos llaman la secuenciación de larga lectura, que, como su nombre sugiere, reúne un genoma completo con muchas menos piezas (alrededor de 3.000 frente a las más de 100.000 piezas más pequeñas que tomó para construir el genoma de referencia del 2009). La nueva tecnología también es mucho más barata: el esfuerzo recién terminado costó alrededor de US$150,000, en comparación con más de US$35 millones para su predecesor del año 2009.

La tecnología de larga lectura, al dar a los científicos una visión granular del espacio entre los genes en el maíz, arroja luz sobre cómo se regulan esos genes, ya que los elementos reguladores a menudo están subicados físicamente en regiones situadas justo arriba o abajo de los genes.

Ayuda para los fitomejoradores

“Debido a su increíble plasticidad fenotípica”, concluye Ware, “hay muchas más combinaciones disponibles para esta planta.” ¿Qué significa esto para el fitomejoramiento? Significa que tenemos una variación muy grande en el componente regulador de la mayoría de los genes de la planta. Tienen mucha adaptabilidad más allá de lo que vemos que están haciendo ahora. Esto tiene implicaciones enormes para el cultivo de maíz a medida que aumenta la población y el clima sufre grandes cambios en el período encima nuestro”.

La nueva resolución genómica de los espacios entre los genes (regiones “intergénicas”) también hace posible leer historias detalladas de los “textos” de los genomas de diferentes individuos de maíz. “Queremos entender cómo evolucionó el genoma del maíz”, dice Ware, “para poder ver el genoma en un individuo y que nos cuente una historia. ¿Por qué cambia la expresión de un gen dado y bajo qué circunstancias?”.

Mapa que muéstralos  lugares donde se cultiva maíz en todo el mundo. Los tonos verde más osccuro indican áreas de cultivo más intenso. La producción total de maíz supera ahora la de trigo y arroz. Todos son esenciales para mantener a los 7 mil millones de personas alimentadas en el planeta. A medida que el clima se calienta, será posible cambiar las áreas de cultivo de maíz, una función de la flexibilidad que su genoma.

Considérese, por ejemplo, el impacto de los transposones  (bits de ADN que “saltan” dentro los genomas). Esto ahora se puede evaluar con una especificidad que antes no era posible. Los transposones, que están presentes en todos los genomas, fueron vistos y descritos por primera vez en el maíz en la década de 1940 por Barbara McClintock, científica del CSHL y ganadora del premio Nobel.

El nuevo genoma de referencia ayuda a los científicos a entender cómo la historia y la estructura del genoma del maíz se han determinado por la acción de transposones más que en la mayoría de las plantas. Cuando “saltan” en una posición dentro de un gen, el gen puede ser comprometido enteramente. Otras veces, si un transposón ha saltado en una posición justo antes o después de un gen puede determinar cuándo y cuánto se expresa.

Mientras que el fenómeno de los “genes saltarines” ha sido comprendido por décadas, su impacto en diferentes individuos en varias líneas de maíz proporciona precisamente el tipo de información que puede ayudar a explicar el éxito evolutivo de la planta.

La plasticidad genómica de la planta es también una bendición para los fitomejoradores. “La diversidad en maíz es el recurso base para el mejoramiento”, dice Jiao. “Es la clave para hacer un mejor maíz, y en más cantidad, en el futuro”.

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