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Plantas parásitas roban genes de planta huésped para conseguir más nutrientes

Una planta cóleos infectada por Cuscuta reflexa. Marco rojo: lados del desarrollo haustorial. Flecha azul: ramificación de cuscuta. | Imagen: https://doi.org/10.21769/BioProtoc.2243

Algunas plantas parásitas roban material genético de sus plantas anfitrionas y usan los genes robados para extraer de manera más efectiva los nutrientes de la planta huésped, e incluso, para enviar “armas genéticas” contra las defensas de esta última. Un nuevo estudio revela que las plantas parásitas Cuscuta han robado una gran cantidad de material genético de sus anfitriones, incluidos más de 100 genes funcionales a través de un proceso conocido como “transferencia horizontal de genes”.

PennState / 22 de julio de 2019.- “La transferencia horizontal de genes (THG), el movimiento de material genético de un organismo al genoma de otra especie, es muy común en los microbios y es una forma importante en que las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos”, dijo Claude dePamphilis, profesor de biología en la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State) y autor senior del estudio. “No vemos muchos ejemplos de transferencia horizontal de genes en organismos complejos como las plantas, y cuando lo vemos, el material genético transferido generalmente no se usa. En este estudio presentamos el caso más dramático conocido transferencia horizontal de genes funcionales jamás encontrado en organismos complejos “. El estudio en cuestión fue publicado online el 22 de julio en Nature Plants.

Las plantas parasitarias, como la Cuscuta, no pueden vivir solas generando energía a través de la fotosíntesis. En su lugar, utilizan estructuras llamadas haustorio para aprovechar el suministro de agua y nutrientes de una planta huésped. La cuscuta se envuelve alrededor de su planta huésped, creciendo en su tejido vascular, y con frecuencia se alimenta de múltiples plantas al mismo tiempo. Puede parasitar muchas especies diferentes, plantas silvestres, así como las de importancia agrícola y hortícola.

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“Las plantas parasitarias viven muy íntimamente en relación con su huésped, extrayendo nutrientes”, dijo DePamphilis. “Pero también obtienen material genético en el proceso, y a veces incorporan ese material en su genoma. Estudios previos se centraron en genes únicos transferidos. Aquí, usamos conjuntos de datos a escala genómica sobre la expresión de genes para determinar si la gran cantidad de material genético que proviene de la transferencia horizontal de genes se está utilizando “.

El equipo de investigación identificó 108 genes que se han agregado al genoma de Cuscuta mediante transferencia horizontal de genes y ahora parecen ser funcionales en el parásito, lo que contribuye a la estructura de la haustoria, las respuestas de defensa y el metabolismo de los aminoácidos. Un gen robado incluso produce pequeños segmentos de ARN conocidos como microARN que se envían de vuelta a la planta huésped, actuando como armas que pueden desempeñar un papel en el silenciamiento de los genes de defensa del huésped.

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La planta parásita Cuscuta aprovecha el suministro de agua y nutrientes de una planta hospedadora y crece en el tejido de su hospedero. Crédito: Joel McNeal, Universidad Estatal de Kennesaw

El equipo utilizó criterios rigurosos para determinar si era probable que el material genético robado fuera funcional: los genes tenían que ser de longitud completa, debían contener todas las partes necesarias de un gen, tenían que transcribirse en una secuencia de ARN que luego construye las proteínas, y tenían que ser expresadas en estructuras relevantes. El equipo también exploró la evolución de estos genes transferidos como soporte adicional para la funcionalidad.

“Comparamos la secuencia genética de un gen con genes estrechamente relacionados, y buscamos una firma especial en la forma en que esa secuencia evoluciona para determinar si es probable que sea funcional”, dijo DePamphilis. “Ciertos tipos de mutaciones en un gen no afectan la proteína que el gen codifica y, por lo tanto, no afectan la función del gen. Cuando vemos grandes cantidades de este tipo de mutaciones, a diferencia de las mutaciones que podrían cambiar o interrumpir la función del gen, es una fuerte evidencia de que la selección natural está actuando para mantener las proteínas intactas y útiles”.

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Dieciocho de los 108 genes aparecen en todas las especies de Cuscutas, lo que sugiere que estos genes fueron robados originalmente por la forma ancestral de estas plantas y se mantienen en las especies modernas.

“Esta es la primera vez que un estudio ha visto evidencia de que las transferencias horizontales de genes ocurrieron en una etapa temprana de la evolución de un grupo parasitario”, dijo DePamphilis. “En este caso, 18 de estos genes estaban presentes en el antepasado común de todas las especies de Cuscuta vivientes, lo que puede haber contribuido a la propagación exitosa de estos parásitos”.

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El equipo también identificó 42 regiones en el genoma de Cuscuta que parecen resultar de la transferencia horizontal de genes, pero no tienen ningún gen funcional.

“Debido a que una cantidad tan enorme de material genético ha llegado a través de la transferencia horizontal de genes, sospechamos que las plantas parásitas no pueden filtrar lo que está llegando”, dijo DePamphilis. “Pero la selección natural está ayudando a mantener los genes útiles y filtrar los segmentos menos útiles“.

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Los científicos están investigando cómo se transfiere exactamente el material genético del huésped al parásito. También les gustaría explorar si esta transferencia es de una sola vía, o si el huésped puede obtener material genético de su parásito.

“Nos encantaría saber cuán extensa es realmente la transferencia horizontal de genes”, dijo DePamphilis. “Observamos solo una de las especies de Cuscuta, que es solo una de las más de 4000 especies de plantas parasitarias. ¿La transferencia horizontal de genes funcionales tiene lugar en otras especies? ¿Es posible en plantas no parasitarias? ¿En otros organismos complejos? Esta puede ser la punta del iceberg”.

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Este trabajo fue financiado en parte por la National Science Foundation y el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA). El Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura, el Departamento de Biología de PennState y los Institutos Huck de Ciencias de la Vida de Penn State proporcionaron apoyo adicional.

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