La comparación de células individuales en maíz, sorgo y mijo revela diferencias evolutivas entre estos importantes cultivos de cereales, según un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Nueva York.
por la Universidad de Nueva York
Los hallazgos, publicados en Nature , acercan a los investigadores a identificar qué genes controlan rasgos agrícolas importantes, como la tolerancia a la sequía, lo que ayudará a los científicos que se enfrentan a un clima cambiante a adaptar los cultivos a entornos más secos.
El maíz, el sorgo y el mijo proporcionan alimento para humanos y animales en todo el mundo. El maíz y el sorgo son parientes antiguos que se convirtieron en dos especies diferentes hace aproximadamente 12 millones de años, y el mijo es un pariente más lejano.
A pesar de su ascendencia compartida, los cultivos tienen diferencias sustanciales en rasgos clave; por ejemplo, el sorgo es mucho más tolerante a la sequía que el maíz, y las plantas liberan sustancias pegajosas únicas de sus raíces para dar forma a cómo interactúan con el suelo circundante. Estas diferencias se pueden remontar a que el maíz experimentó una duplicación del genoma completo después de su separación del sorgo.
«La importancia de estos cultivos, su proximidad evolutiva y sus diferencias funcionales presentan una oportunidad emocionante para comparar patrones de expresión génica a nivel celular», dijo
Bruno Guillotin, asociado postdoctoral en el Departamento de Biología de la Universidad de Nueva York y primer autor del estudio. «Si bien estos tres cultivos son similares, la forma en que se diferencian entre sí es importante porque tienen características que podemos querer transferir de uno a otro, como la tolerancia a la sequía».
Los investigadores realizaron perfiles de ARNm de una sola célula de las raíces de maíz, sorgo y mijo, diseccionando las raíces para observar las células individualmente y observando con precisión dónde se expresan los genes en una célula en particular. Luego compararon las mismas células especializadas en los tres cultivos.
«Las raíces son la primera línea de defensa contra la sequía y el calor. Puede pensar en la raíz como una máquina con muchas partes activas, en este caso, tipos de células, así que saber cómo funciona la máquina para recolectar agua y lidiar con la sequía y el calor es realmente importante», dijo Kenneth Birnbaum, profesor del Departamento de Biología y Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la NYU y autor principal del estudio. «Comparar las diferentes especies nos ayuda a descifrar qué genes conducen a rasgos agrícolas clave».
Al examinar cómo las células han evolucionado y divergido en las diferentes especies, los investigadores identificaron varias tendencias que apuntan a «retoques», o la reorganización de los elementos existentes, de las células a lo largo del tiempo. Primero, observaron que las células a menudo intercambian módulos de expresión génica, o grupos de 10 o 50 genes con funciones coordinadas, entre tipos de células a lo largo de la evolución.
«Este intercambio de módulos genéticos se ha demostrado en sistemas animales, pero los datos que generamos son la primera vez que se ilustran a gran escala en plantas», agregó Birnbaum.
Este intercambio de módulos se demostró en un descubrimiento sobre el limo de la raíz, la sustancia pegajosa llena de nutrientes que las raíces emiten al suelo. El limo es útil para lubricar el suelo para que las raíces puedan pasar y atraer bacterias beneficiosas que protegen la planta o proporcionan nutrientes difíciles de obtener.
Los investigadores encontraron que los genes que ayudan a producir baba de raíz estaban ubicados en diferentes partes de la raíz de maíz, sorgo y mijo. En el sorgo, los genes del limo se encontraron en el tejido externo de la raíz, mientras que en el maíz se intercambiaron en un nuevo tipo de célula en la cubierta de la raíz, un cambio evolutivo que puede permitir que el maíz atraiga bacterias que ayudan a la planta a obtener nitrógeno.
También identificaron otros reguladores de genes que se cambiaron en diferentes tipos de células según el cultivo, lo que proporcionó a los investigadores candidatos principales para probar genes que transmiten rasgos específicos.
Además, los investigadores encontraron que la duplicación del genoma completo en el maíz después de su separación del sorgo hace 12 millones de años afectó a tipos específicos de células, lo que permitió que las células del maíz se especializaran rápidamente. También observaron que ciertos tipos de células actuaban como donantes de nuevos genes, mientras que otras parecían recolectar nuevos genes duplicados, lo que puede sugerir que la duplicación de genes aceleró la evolución de ciertas células.
Los avances recientes en las técnicas de secuenciación de células individuales hicieron posible esta investigación y abren nuevos métodos para explorar la conexión entre los genes y los rasgos celulares en los cultivos.
«Hace una década, solo podíamos analizar una docena o unas pocas docenas de células con las primeras técnicas de secuenciación de una sola célula. Ahora podemos perfilar decenas de miles de células en un experimento bastante rutinario», dijo Birnbaum.
Los estudios futuros compararán cómo las células individuales de estos tres cultivos responden al estrés, como la sequía.
«Es esa respuesta la que puede ser la clave para encontrar ese conjunto de genes que son realmente importantes para la tolerancia a la sequía», dijo Birnbaum.
Más información: Kenneth Birnbaum, Un transcriptoma pan-grass revela patrones de divergencia celular en cultivos, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06053-0 . www.nature.com/articles/s41586-023-06053-0
