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La “Ruta de la Seda” provee recursos genómicos para mejorar la manzana moderna

Ejemplos de diferentes colores, tamaños y formas de manzanas, un reflejo de la diversidad de los recursos genéticos o germoplasma de la manzana conservados en ARS Ginebra. Imagen: Thomas Chao, USDA-ARS

La legendaria Ruta de la Seda, ese tramo de 4.000 millas entre China y Europa Occidental donde floreció el comercio desde el siglo II a. C. hasta el siglo XIV d.C, es responsable de una de nuestras frutas favoritas y más valiosas: la manzana domesticada. Los investigadores ahora han reunido genomas y pangenomas completos de referencia para la manzana y sus dos principales progenitores silvestres, proporcionando información genética detallada sobre la domesticación de la manzana y características importantes de la fruta que podrían ayudar a los fitomejoradores a mejorar el sabor, la textura y la resistencia del cultivo al estrés y las enfermedades.

Boyce Thompson Institute / 2 de noviembre, 2020.- Los viajeros que empacaban refrigerios recogían manzanas en un lugar, se las comían y tiraban sus núcleos a mucho kilómetros de distancia. Las semillas se convirtieron en árboles en sus nuevas ubicaciones, se cruzaron con las especies silvestres y crearon más de 7.000 variedades de manzanas que existen en la actualidad.

Las hibridaciones con especies silvestres han hecho que el genoma de la manzana sea muy complejo y difícil de estudiar. Un equipo global de investigadores multidisciplinarios, codirigido por Zhangjun Fei, miembro de la facultad del Instituto Boyce Thompson (BTI), y Gan-Yuan Zhong, científico del Servicio de Investigación Agrícola del USDA (ARS) en Ginebra, Nueva York, abordó resolver este problema mediante la aplicación de tecnologías de secuenciación de vanguardia y algoritmos bioinformáticos para ensamblar conjuntos completos de ambos cromosomas para la manzana moderna domesticada y sus dos principales ancestros silvestres.

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Los investigadores descubrieron que la historia de domesticación única de la manzana ha dado lugar a fuentes de genes sin explotar que podrían usarse para mejorar los cultivos, como mejorar el tamaño, el sabor, la dulzura y la textura.

“Los fitomejoradores podrían usar esta información detallada para mejorar los rasgos que más importan a los consumidores, que hoy en día son principalmente el sabor”, dice Fei, también profesor asociado adjunto en la Escuela de Ciencia Integral de las Plantas (SIPS) de la Universidad de Cornell.

“Quizás lo más importante”, agregó, “la información ayudará a los mejoradores a producir manzanas que sean más resistentes al estrés y las enfermedades”.

La investigación se describe en un estudio publicado en Nature Genetics el 2 de noviembre, con autores de BTI, Cornell University, Cornell AgriTech, el Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) y la Academia de Ciencias Agrícolas de Shandong.

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Desde la Ruta de la Seda a Ginebra, N.Y.

Según Fei, el nuevo estudio fue el resultado de una colaboración anterior, publicada en Nature Communications en 2017, que trazó la historia de la domesticación y evolución de las manzanas a lo largo de la Ruta de la Seda.

Las discusiones de seguimiento entre Fei, Zhong y otros colegas de Cornell, los inspiraron a construir mejores y nuevos genomas de referencia de manzana aplicando nuevas tecnologías de secuenciación y ensamblaje al material en el Repositorio Clonal de Ginebra del USDA. El repositorio, que se encuentra en Cornell AgriTech, contiene la mayor colección de accesiones de manzanas del mundo. Muchas de estas accesiones se remontan a la Ruta de la Seda.

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En el trabajo actual, los investigadores secuenciaron, ensamblaron y compararon los genomas de referencia completos para tres especies: Gala, un cultivar comercial superior de M. domestica; y los dos principales progenitores silvestres de la manzana, el manzano silvestre europeo (M. sylvestris) y el manzano silvestre de Asia central (M. sieversii), que juntos representan aproximadamente el 90% del genoma de la manzana domesticada.

Los resultados proporcionan a los mejoradores de manzanas mapas de ruta genómicos detallados que podrían ayudarlos a construir una mejor manzana.

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“Queríamos desarrollar nuevos genomas, especialmente los progenitores silvestres, debido al tremendo impacto que podrían tener en la comprensión de la diversidad genética de la manzana y la identificación de rasgos útiles para el mejoramiento de nuevos cultivares”, dijo Zhong, quien también es profesor asociado adjunto en SIPS.

Haz clic para abrir el mapa que muestra el antiguo viaje de la manzana. Imagen: BTI

Al comparar los tres genomas, los investigadores pudieron identificar qué especies progenitoras contribuyeron con los genes responsables de muchos rasgos en la manzana domesticada. Por ejemplo, el equipo descubrió que el gen que le da a la manzana su textura crujiente se encuentra cerca del gen que la hace susceptible al moho azul.

“Ahora que sabemos exactamente dónde están esas dos regiones del genoma”, dijo Fei, “los criadores podrían encontrar una manera de mantener el gen de la textura y reproducir o editar el gen del moho azul para producir una variedad más resistente a las enfermedades”.

Descubriendo lo que falta

El equipo también reunió pangenomas para las tres especies. Un pangenoma captura toda la información genética de una especie, a diferencia de un genoma de referencia que captura un organismo individual. Los pangenomas son especialmente importantes para especies muy diversas como la manzana.

El equipo identificó alrededor de 50.000 genes en el pangenoma de la manzana domesticada, incluidos unos 2.000 que no estaban presentes en genomas de referencia publicados anteriormente para especies de manzanas. “Estos ‘genes faltantes’ resultan ser realmente importantes, porque muchos de ellos determinan los rasgos de mayor interés para los mejoradores de manzanas”, dijo Fei.

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Utilizando ARN extraído de diferentes etapas de las frutas Gala, también identificaron genes relacionados con la textura, el aroma y otras características de la fruta que se expresaban preferentemente entre las dos copias de los genes.

“Eso nos brinda a nosotros y a los mejoradores una comprensión aún más profunda de la diversidad genética que subyace a un rasgo en particular”, dijo Zhong. “Los hallazgos ayudarán a nuestro grupo a administrar y conservar mejor más de 6.000 accesiones de manzanas en el repositorio clonal de USDA en Ginebra”, agrega Zhong , “además de permitirnos proporcionar información genética y genómica crítica asociada con las accesiones a los mejoradores y otros investigadores”.

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