Secuencian el genoma de 26 líneas de maíz, mostrando su gran diversidad y potencial de mejoramiento

Profesor Kelly Dawe de la UGA.

Los genomas recién ensamblados de 26 líneas genéticas diferentes de maíz ilustran la rica diversidad genética del cultivo y sientan las bases para una mejor comprensión de los mecanismos genéticos que explican los rasgos de los cultivos apreciados por los agricultores.

Universidad de Georgia / 5 de agosto, 2021.- El mapeo de los 26 genomas, publicado recientemente en la revista Science, fue un esfuerzo de equipo codirigido por Kelly Dawe de la Universidad de Georgia (UGA) que ayudará a los científicos a armar el rompecabezas de la genética del maíz. Utilizando estos nuevos genomas como referencias, los científicos de plantas pueden seleccionar mejor los genes que probablemente conduzcan a mejores rendimientos de los cultivos o tolerancia al estrés.

“Durante gran parte de la era genética moderna, nos basamos en un solo genoma y comparamos todo lo demás con él. Sin embargo, hemos aprendido que un genoma no tiene todos los genes ”, dijo Dawe, profesor de genética vegetal de la UGA. “Es como tener un palo de golf, una llave de tubo o un conjunto de ropa. Nosotros, como comunidad, hemos estado tratando lentamente de cambiar nuestro enfoque para incluir múltiples referencias. Nuestro objetivo aquí era cambiar toda la genómica del maíz en un gran salto desde una referencia a 26 «.

Dawe trabajó en el proyecto con un equipo que incluía a Matthew Hufford, primer autor del estudio y profesor asociado de ecología, evolución y biología de organismos en la Universidad Estatal de Iowa, donde se realizó el análisis.

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Comenzó con una línea genética

El primer genoma de maíz que se mapeó fue la línea genética conocida como B73, una línea desarrollada en el estado de Iowa y completada en 2009. Desde entonces, B73 ha servido como el genoma de referencia principal para el maíz, con un puñado de conjuntos de genomas adicionales disponibles solo en los últimos años. Eso significa que los científicos tienen un conocimiento limitado de las secuencias genéticas en otros genomas de maíz que no están presentes en B73.

Pero los 26 genomas mapeados en el nuevo estudio abarcan una amplia gama de diversidad genética, que abarca desde palomitas de maíz hasta maíz dulce y maíz de campo de diversas condiciones geográficas y ambientales. Esto proporciona muchos más datos de referencia para los científicos que buscan objetivos genéticos que podrían conducir a un mejor rendimiento de los cultivos.

Hufford dijo que la gran diversidad genética presente en el maíz creó importantes obstáculos para el ensamblaje de los nuevos genomas. Dijo que el 85% del genoma del maíz está compuesto por elementos transponibles o patrones que se repiten en todo el genoma. Hufford comparó esos elementos transponibles con un rompecabezas en el que la gran mayoría de las piezas son de un solo color. Toda esa repetición hace que sea difícil descubrir cómo encajan las partes.

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«Si no puede encontrar un color o una forma únicos que le indiquen dónde colocar la pieza del rompecabezas, está en un mundo de dolor», dijo Hufford. «Pero si obtienes piezas de rompecabezas un poco más grandes con características únicas, eso simplifica el proceso».

Los socios adicionales involucrados en el análisis incluyeron Cold Spring Harbor Laboratory y Corteva Agriscience.

Esta mazorca de maíz fue cultivada y analizada por la genetista Barbara McClintock, ganadora del Premio Nobel del Laboratorio Cold Spring Harbor (CSHL), hace décadas. A partir de sus observaciones, supuso que partes del genoma del maíz saltaban de un lugar a otro, generando una gran diversidad genética, en este caso muchos colores diferentes de granos. Los investigadores de CSHL ampliaron su trabajo secuenciando los genomas de múltiples cepas de maíz, mapeando incluso las porciones móviles del genoma. Crédito: CSHL Library

Una gran cantidad de datos del genoma para procesar

“El primer genoma fue invaluable, proporcionando una lista de piezas inicial y un diagrama de cableado parcial. Pero sabíamos que no estaba completo ”, dijo Doreen Ware, profesora asociada adjunta y científica investigadora en el Centro de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE. UU., ubicado en Cold Spring Harbor, Nueva York. «Fue fundamental desarrollar otras referencias genómicas para comprender la arquitectura genética y otros rasgos agrícolas importantes».

El principal desafío del proyecto, según Dawe, fue la enormidad de los datos y la dificultad de integrarlos todos en un solo recurso en el marco de tiempo asignado de dos años entre la financiación en enero de 2018 y el lanzamiento inicial en enero de 2020. La tecnología de secuenciación «Long-Read» desarrollada en 2018 fue la “salsa especial” que permitió al equipo ensamblar los genomas con una precisión que excedía con creces a todos los demás ensamblajes del genoma del maíz.

El esfuerzo masivo de secuenciación requirió los esfuerzos simultáneos de cuatro instalaciones públicas de secuenciación en cuatro estados”, dijo. «Trabajamos con la industria privada para llevar a cabo gran parte del trabajo computacional«.

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El laboratorio de Dawe proporcionó experiencia en las regiones del genoma que se encuentran entre los genes. Interpretaron las secuencias de los centrómeros, dominios de unión que mueven los cromosomas durante la división celular. Liderados por Jonathan Gent, investigador asociado principal, los investigadores de la UGA también fueron responsables del análisis y la anotación de metilación del ADN, donde identificaron todas las partes del genoma que activan y desactivan los genes.

Una referencia pangenómica

“Todas las actividades de mejoramiento de maíz requieren genomas completos. Cada rasgo útil está directamente referenciado a genes, como un número de página o una entrada de Wikipedia ”, dijo Dawe. “El proceso es mucho más preciso cuando hay más genomas disponibles. Hemos creado una referencia pangenómica que ha más que duplicado la cantidad de genes referenciables».

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Todos los datos se han integrado en el recurso maizeGDB, financiado por el USDA, por lo que los resultados serán accesibles para todos los investigadores de maíz en las próximas décadas.

«El efecto sobre el maíz será inmediato y el efecto sobre otros cultivos será evidente en los próximos años», dijo Dawe, «a medida que otras comunidades de genética de cultivos importantes se esfuercen por cumplir con el nuevo estándar que hemos establecido para el maíz».

Los coautores de la UGA incluyen a Gent, Dong won Kim, Jianing Liu, Alexandre P. Marand, Rebecca D. Piri, William A. Ricci, Robert J. Schmitz, Na Wang y Yibing Zeng. Los coautores adicionales incluyen 37 investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor; Corteva Agriscience; Universidad del Estado de Iowa; Universidad de Arizona; Universidad de California, Berkeley; Universidad de California, Davis; Universidad de Minnesota; Centro Nacional de Enfermedades Animales del USDA ARS; y el Centro de Agricultura y Salud Robert W. Holley del Área del Atlántico Norte del USDA ARS.

La investigación fue financiada por el Programa de Investigación del Genoma Vegetal de la Fundación Nacional de Ciencias.

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