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La secuenciación del genoma de un pariente de la planta de tabaco podría acelerar la investigación en plantas

Nicotiana benthamiana

Investigadores descifran el 95,6% del genoma de Nicotiana benthamiana (planta del tabaco). Crédito: Grupo Notaguchi, Laboratorio de Bioindustria.

Científicos japoneses de la Universidad de Nagoya han secuenciado el 95.6% del complejo genoma de Nicotiana benthamiana, un pariente de la planta de tabaco y uno de los modelos experimentales más utilizados en las investigaciones con plantas. Un avance que podría permitir un avance significativo el desarrollo de métodos experimentales más efectivos en plantas.

Nagoya University / 10 de febrero, 2023.- La planta Nicotiana benthamiana, de la familia de las solanáceas, es uno de los modelos experimentales más utilizados en la ciencia de las plantas. En 2020, un grupo de investigación de la Universidad de Nagoya (Japón) informó de que N. benthamiana podía injertarse con plantas de diferentes familias, demostrando una capacidad poco común que muchos investigadores creían imposible. Ahora, el mismo grupo de investigación ha utilizado la tecnología de secuenciación de nueva generación para descifrar todos los genes del genoma de la planta de tabaco N. benthamiana. Sus hallazgos permiten comprender cómo las plantas son capaces de realizar este injerto. Los resultados se han publicado en Plant and Cell Physiology.

La estructura del genoma de N. benthamiana ha sido durante mucho tiempo un misterio. Su complejo genoma surgió debido a la hibridación, lo que significa que sus cromosomas proceden de dos especies de plantas. La hibridación se produjo hace unos 10 millones de años entre dos especies de plantas estrechamente emparentadas: la N. Sylvestres (paterna) y la N. Tomentosae (materna). Para complicar aún más las cosas, siguió evolucionando a través de varios eventos de hibridación.

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Dado que el genoma de las plantas, como N. benthamiana, es tan grande, los investigadores tienen dificultades para analizarlo en su totalidad con la tecnología actual. Por ello, para estudiarlo con mayor eficacia, los científicos lo cortan en fragmentos más pequeños para secuenciarlos, creando lo que se conoce como una biblioteca de ADN. Las secuencias cortas obtenidas tras la secuenciación de nueva generación de bibliotecas de ADN fragmentadas se denominan cóntigos (contigs). A continuación, estas secuencias se ensamblan utilizando sus regiones solapadas para crear secuencias mayores, denominadas contigs. Dado que se conoce el orden de las bases en los contigs, esta información puede utilizarse para conectar los contigs y crear secuencias más largas denominadas andamiajes (scaffolds).

Aunque se ha intentado analizar el genoma de N. benthamiana fragmentándolo en 141.000 scaffolds, su compleja estructura de duplicación hace que la estructura cromosómica sea poco clara y que el análisis genético molecular resulte difícil. Como en un rompecabezas, es más fácil visualizar la imagen de un puzzle completo formado por un puñado de piezas que la de uno compuesto por 141.000 piezas.

«N. benthamiana tiene una estructura genómica compleja. Debido a su complejidad, sólo se conocía información fragmentaria del ADN, lo que suponía un obstáculo para la investigación genética», explica el profesor asociado Michitaka Notaguchi, autor principal del estudio. «Se desconocían muchas cosas, como el estado entre los genes y la información de la secuencia sobre las regiones reguladoras de la expresión génica, lo que suponía una barrera para los análisis genéticos posteriores».

El grupo de investigación dirigido por Kenichi Kurotani, profesor especialmente designado, y Notaguchi en el Centro de Investigación de Biociencia y Biotecnología de la Universidad de Nagoya, en colaboración con el Laboratorio de Información Genética Masiva, el Instituto Nacional de Genética y el Instituto de Investigación del ADN Kazusa, ha secuenciado la mayor parte del genoma de N. benthamiana. Utilizando la última tecnología de secuenciación de nueva generación, los investigadores examinaron con el mayor detalle posible el nivel cromosómico. Esto les permitió retroceder más que nunca en la historia genética de la especie.

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Los investigadores consiguieron secuenciar el 95,6% del genoma total y lograron 1.668 andamios, muchos menos que en estudios anteriores, lo que facilitó mucho la construcción del «rompecabezas». De estos andamiajes, 21 de los más grandes tenían el tamaño de un cromosoma entero.

Se descubrió que N. benthamiana tenía una compleja mezcla de secuencias genómicas de especies parentales entrecruzadas. Las secuencias genómicas estaban tan entrelazadas que era imposible distinguirlas claramente, lo que indicaba el origen antiguo de la hibridación. Estimaron que N. benthamiana y la emparentada N. tabacum probablemente se separaron hace entre 3 y 7 millones de años.

«Esta investigación ha facilitado enormemente el análisis genético de N. benthamiana al proporcionar información actualizada sobre las secuencias de las regiones reguladoras de la expresión génica, el ligamiento en el cromosoma y el número de genes. Esta información había estado ausente», explica Kurotani. «Esta descodificación del genoma facilitará la aplicación de la tecnología de edición del genoma, que se espera que se utilice en la investigación de plantas en el futuro. Debería acelerar la investigación científica de las plantas, así como el desarrollo de métodos de utilización más eficaces para N. benthamiana y sus capacidades únicas de injerto. Ahora que toda la información ha sido revelada a través de la secuenciación del genoma, es más fácil tratar a N. benthamiana como objeto de investigación».

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