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Secuencian genoma de enigmática planta parásito: ha perdido y robado genes en su evolución

Rafflesiaceae

Los investigadores han descubierto que Sapria ha sufrido un grado asombroso de pérdida y robo de genes en su evolución.

Científicos dirigidos por la Universidad Harvard publicaron el genoma más completo hasta ahora de Sapria himalayana, perteneciente a una familia de plantas endoparásitas que no tienen raíces, tallos ni hojas propias, dependiendo completamente de otra planta huesped. El análisis genético revela una gran pérdida de genes y cantidades sorprendentes de robo de genes de sus huéspedes antiguos y modernos.

Harvard University / 22 de enero, 2021.- Cuando se trata de parásitos, estas plantas son el tema de las pesadillas. Llamadas Rafflesiaceae, no tienen raíces, tallos ni hojas propias. Durante la mayor parte de su vida, son invisibles y viven solo como un pequeño collar de células dentro de las enredaderas leñosas de su anfitrión. Luego, sin previo aviso, como la criatura de la película «Alien», estallan para florecer algunas de las flores más grandes del mundo. Su olor a carne descompuesta o fruta podrida atrae a las moscas carroñeras que ayudan a polinizar estas plantas, permitiéndoles sembrar y propagarse a otro huésped desprevenido, reiniciando todo el ciclo.

Las rafflesiaceae representan la forma más extrema de parasitismo, conocido como endoparasitismo, en el que el organismo depende completamente de su huésped para obtener todos los nutrientes. Para quienes estudian estas plantas, es una de las muchas cosas que las hace tan notables.

“Estas son fácilmente las más carismáticas y extrañas de todas las plantas con flores”, dijo Charles Davis, profesor de biología orgánica y evolutiva en la Facultad de Artes y Ciencias y curador de plantas vasculares en los Herbarios de la Universidad de Harvard. «Son muy extrañas».

También son un misterio genético.

Debido a que las plantas carecen de un cuerpo tradicional, pasan la mayor parte de su vida dentro de sus huéspedes y no tienen la maquinaria para realizar la fotosíntesis (que mantiene vivas a la mayoría de las plantas), se desconoce gran parte de su historia evolutiva y genómica. De hecho, los genomas de los endoparásitos son esencialmente un agujero negro. Pero gracias a los avances recientes en la tecnología del análisis genético, los científicos finalmente están comenzando a comprender muchas de esas dinámicas clave.

El 22 de enero en Current Biology, un equipo de investigadores dirigidos por Harvard presentó el genoma más completo hasta ahora ensamblado de uno de los principales linajes de Rafflesiaceae, Sapria himalayana.

La especie se encuentra en el sudeste asiático y su flor moteada roja y blanca es aproximadamente del tamaño de un plato. (Su prima más famosa, Rafflesia arnoldii, produce flores de casi un metro de diámetro, las más grandes del mundo).

El análisis genético reveló un asombroso grado de pérdida de genes y cantidades sorprendentes de robo de genes de sus huéspedes antiguos y modernos. Estos hallazgos brindan perspectivas únicas sobre la cantidad y el tipo de genes que se necesitan para ser un endoparásito (un organismo que depende completamente de su huésped para obtener todos los nutrientes), además de ofrecer nuevos conocimientos sobre hasta qué punto se pueden alterar y modificar los genomas de las plantas con flores y seguir siendo funcionales.

El análisis arroja luz sobre una especie de flores cuya historia evolutiva y genómica es en gran parte desconocida porque carecen de un cuerpo tradicional, pasan la mayor parte de su vida dentro de sus anfitriones y carecen de la maquinaria para realizar la fotosíntesis (que mantiene vivas a la mayoría de las plantas).

Lo que sorprendió al grupo de inmediato fue el sorprendente grado de pérdida de genes que experimentó Sapria cuando abandonaron sus cuerpos y se adaptaron para convertirse en endoparásitos. Casi la mitad de todos los genes que se encuentran en la mayoría de las plantas con flores están ausentes en el genoma de Sapria. Ese grado de pérdida de genes es más de cuatro veces el grado de pérdida en otros parásitos de plantas. Muchos de los genes perdidos incluyen los que se consideran los genes clave responsables de la fotosíntesis, que convierte la luz en energía.

«En muchos sentidos, es un milagro que estas plantas existan hoy, y mucho menos que parezcan haber persistido durante decenas de millones de años», dijo Charles Davis, quien dirigió el proyecto. «Realmente han desechado muchas cosas que identificamos como una planta típica, pero están profundamente arraigadas en el árbol de la vida de la planta».

Al mismo tiempo, los datos demostraron una convergencia evolutiva subyacente para convertirse en parásito porque Sapria y las plantas parásitas con que los investigadores las compararon, perdieron muchos de los mismos tipos de genes a pesar de evolucionar por separado.

«Concluimos que existe una hoja de ruta genómica o genética común sobre cómo evolucionan los parásitos de las plantas», dijo Cai Liming ’20, Ph.D., investigadora de la Universidad de California en Riverside, quien ayudó a dirigir el estudio como estudiante de posgrado en Davis Lab mientras estaba en la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias de Harvard.

Los científicos también identificaron docenas de genes que ingresaron al genoma de Sapria a través de un proceso llamado transferencia genética horizontal (o lateral) en lugar de la transmisión tradicional de padres a hijos. Básicamente, significa que Sapria robó este ADN de su anfitrión en lugar de transmitirlo a ellos.

Luego, los investigadores reconstruyeron las transferencias de genes laterales que detectaron para armar una historia oculta de antiguos huéspedes que se remonta a millones de años.

Calculan que han secuenciado alrededor del 40% del genoma, creyendo que este es el núcleo y que las porciones restantes probablemente sean regiones repetidas.

La colaboración de investigación incluyó a científicos de todo el país y de todo el mundo, incluidos exalumnos del laboratorio de Davis y colaboradores en Tailandia y Malasia. Junto con Cai, los investigadores de Harvard incluyeron a Timothy Sackton, director de bioinformática del FAS Informatics Group; Brian Arnold, ex biocientífico del grupo; Danielle Khost, biocientífica actual del grupo; y Claire Hartmann, directora de Bauer Core Facility.

«[El proyecto] fue realmente una ilustración de cómo estas nuevas tecnologías de secuenciación están abriendo la posibilidad de abordar cuestiones que antes no eran factibles de abordar, particularmente en plantas que tienen una diversidad realmente amplia de este tipo de genomas extraños», agregó. Dijo Sackton.

El proyecto se remonta a 2004. Implicó un extenso trabajo de campo en Tailandia y Malasia y una cuidadosa logística para transportar las plantas. En el laboratorio, los investigadores diseccionaron las plantas y extrajeron su material genético. Esto involucró su propia serie de protocolos sensibles, como asegurarse de no contaminar genes del parásito con los del huésped. Los investigadores dijeron que armar el genoma era como armar un rompecabezas que tenía millones de piezas.

«Fue un desafío, pero lo logramos», dijo Davis. «Siento que ahora estoy respirando un suspiro de alivio».

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