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Gran estudio molecular en leguminosas revela un historial de duplicaciones del genoma en su evolución

El estudio más completo del árbol genealógico de las leguminosas, la familia de plantas que incluye los porotos, soja, maní y muchas otras plantas de cultivo económicamente importantes, revela un historial de duplicaciones del genoma completo. Se comparó la secuencia de ADN de más de 1500 genes de 463 especies de leguminosas diferentes.

Penn State / 7 de mayo, 2021.- El estudio más completo del árbol genealógico de las leguminosas, la familia de plantas que incluye los porotos, soja, maní y muchas otras plantas de cultivo económicamente importantes, revela un historial de duplicaciones del genoma completo. El estudio también ayuda a descubrir la evolución de genes involucrados en la fijación de nitrógeno, un rasgo clave probablemente importante en la expansión evolutiva y la diversificación de las leguminosas y vital para su uso como «abono verde» en la agricultura. Para reconstruir el árbol genealógico, los investigadores compararon la secuencia de ADN de más de 1500 genes de 463 especies de leguminosas diferentes, incluidas 391 especies recién secuenciadas, que abarcan la diversidad de esta gran familia de plantas.

Un artículo que describe el estudio, dirigido por el profesor de biología de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), Hong Ma, aparece en la edición de mayo de 2021 de la revista Molecular Plant.

“Las legumbres constituyen la tercera familia más grande de plantas con flores y son increíblemente diversas, desde pequeñas hierbas hasta árboles gigantes”, dijo Ma, quien es profesor distinguido e investigador de Biología Molecular Vegetal en Penn State. “Son cultivos alimentarios esenciales tanto para los seres humanos como para el ganado, se pueden utilizar como madera y tienen muchos otros usos. Quizás lo más importante es que pueden ‘fijar’ nitrógeno, extrayendo el nutriente vital de la atmósfera y almacenándolo en nódulos en sus raíces en una relación simbiótica con las bacterias del suelo, lo que los hace importantes como abono verde para mejorar la salud del suelo».

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Hay más de 19.000 especies en la familia de las leguminosas divididas en seis subfamilias y luego divididas en grupos cada vez más estrechos en función de sus relaciones evolutivas. Hay 765 géneros, que se agrupan un nivel por encima de las especies, de los cuales el equipo muestreó a miembros de 333. Para construir el árbol genealógico, el equipo analizó las secuencias de genes de los transcriptomas, la porción del genoma que se expresa como genes, de la mayoría de las 463 especies y un pequeño número de genomas completos secuenciados superficialmente de toda la diversidad de leguminosas.

“Este es el estudio más grande de este tipo para una sola familia de plantas”, dijo Ma. “Hicimos todo lo posible para muestrear tantas especies como pudimos para obtener una representación amplia de la familia de las leguminosas, pero a menudo es difícil obtener especímenes bien conservados de los que podamos extraer ADN o ARN, especialmente para las especies que se encuentran en lugares remotos. Tener esta amplia representación de

Ilustración de un árbol que representa el árbol genealógico de las leguminosas con ramas representando las seis subfamilias. En cada rama son flores o vainas de especies pertenecientes a la subfamilias. Las líneas que se extienden desde la bolsa de nutrientes en la esquina superior izquierda indican las posiciones de algunas de las duplicaciones de genoma-completo propuestas. Crédito: Yiyong Zhao, Chien-Hsun Huang y Hong Ma

especies nos permitió construir el árbol genealógico de genes nucleares más detallado para leguminosas hasta la fecha».

Además de ayudar a los investigadores a comprender la evolución y diversificación de las leguminosas, el nuevo árbol genealógico de las leguminosas ayuda a aclarar la relación entre las plantas de cultivo agrícola y sus parientes silvestres. Aunque a menudo se conocen parientes cercanos de cultivos agrícolas importantes, el estudio de primos silvestres más distantes podría revelar rasgos que podrían explotarse para ayudar a las plantas a prosperar en entornos cambiantes y resistir enfermedades o plagas de insectos.

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En todo el árbol genealógico de las leguminosas, el equipo de investigación identificó pruebas sólidas de 28 eventos separados de duplicación del genoma completo. Las duplicaciones del genoma completo, eventos evolutivos que dan como resultado la duplicación completa del genoma completo, son bastante comunes entre las plantas con flores y se cree que permiten la innovación funcional y la diversificación evolutiva. Uno de los eventos de duplicación que identificó el equipo parece haber ocurrido en el antepasado de todos los miembros de la familia de las leguminosas.

 

«Debido a que para la mayoría de las especies en nuestro estudio usamos transcriptomas y no tenemos secuencias del genoma completo, las consideramos como eventos de duplicación del genoma ‘propuestos'», dijo Ma. “Este tipo de estudios son como resolver un misterio. Si solo tienes uno o unos pocos testigos, puede ser difícil convencer a un jurado de su evidencia, pero si tiene cien testigos que tienen diferentes perspectivas y todos apuntan a lo mismo, se vuelve difícil descartar esa evidencia. En nuestro caso, las diferentes especies son como nuestros testigos. El tamaño de nuestro estudio nos permitió identificar eventos que de otro modo hubiéramos descartado».

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Las dos subfamilias más grandes cuentan con más de 17,000 especies de leguminosas e incluyen todas las especies con la capacidad de fijar nitrógeno. El nitrógeno es un nutriente importante para las plantas, la mayoría de los fertilizantes comerciales contienen una mezcla de nitrógeno, fósforo y potasio, por lo que la relación simbiótica entre algunas leguminosas y los microorganismos que les permiten asimilar el nitrógeno de la atmósfera utilizando nódulos de raíces ha estimulado su éxito al permitirles colonizar áreas con suelo menos fértil. El equipo de investigación también identificó pistas sobre la evolución de los genes responsables de este importante rasgo.

“Nuestros datos respaldan la idea de que la nodulación y la fijación de nitrógeno se originaron una sola vez al principio de la historia de las leguminosas y otras plantas fijadoras de nitrógeno relacionadas y el evento de duplicación del genoma completo en el origen de las leguminosas podría haber sido crucial para la evolución de este proceso», Dijo Ma. «Además de este evento de duplicación, también podemos ver la pérdida de genes en plantas que no tienen la capacidad de nodular y cambios evolutivos en los genes que contribuyeron a su papel en la nodulación».

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