Una nueva aplicación web podría ayudar a los científicos a mejorar más rápidamente cultivos alimentarios básicos
Los cultivos de cereales como el trigo, el maíz, el arroz, la cebada y el sorgo son alimentos básicos en casi todas las dietas regionales del mundo. El crecimiento de la población mundial, el cambio climático y la demanda de alimentos de calidad continúan ejerciendo presión para mejorar estos cultivos. Las condiciones climáticas cambiantes, las plagas y enfermedades emergentes y el uso de pesticidas y herbicidas pueden limitar la producción o afectar los rasgos deseados por los agricultores y consumidores, como el rendimiento, el sabor, el tamaño, la vida útil y los componentes nutricionales.
Si bien el mejoramiento genético de nuevos cultivares puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de mayores rendimientos y mejor calidad, el proceso requiere mucho tiempo; Puede llevar años o incluso décadas mejorar un solo rasgo. Uno de los obstáculos es identificar los alelos beneficiosos que subyacen a los rasgos deseados, de modo que estos alelos puedan incorporarse para generar cultivares de élite. Un alelo es una versión alternativa de un gen específico.
Los avances recientes en las tecnologías de secuenciación tienen el potencial de acelerar significativamente este proceso al superar este cuello de botella. El ensamblaje de múltiples genomas de calidad de referencia para la misma especie de cultivo, llamado pangenoma, permite a los investigadores catalogar un espectro completo de polimorfismos de ADN (cambios en el código genético del ADN) presentes en el germoplasma natural, incluidas variantes tanto pequeñas como grandes.
«A partir de una base de datos de polimorfismos catalogada, los científicos pueden identificar rápidamente grandes polimorfismos de ADN indel (inserción o eliminación en el genoma de un organismo) que alteran la expresión o estructura genética y seleccionan los alelos beneficiosos para desarrollar nuevos cultivares con un conjunto de rasgos deseados», dijo Xianran Li, biólogo investigador de la Unidad de Investigación de Trigo, Salud, Genética y Calidad del ARS en Pullman, WA. «La integración del pangenoma y otras tecnologías como la edición de genes y la selección genómica presenta una oportunidad prometedora para acelerar el proceso de mejora de cultivos mediante el mejoramiento para satisfacer la demanda cada vez mayor de cultivos de alta calidad de manera más eficiente y efectiva».
Para utilizar estos avances en las tecnologías de secuenciación, los investigadores deben estar bien versados en el campo de la bioinformática, que son herramientas complejas de cálculo y análisis que se utilizan para interpretar datos biológicos. Sin embargo, el desarrollo de herramientas bioinformáticas no ha seguido el ritmo de la secuenciación pangenómica. Como resultado, los pangenomas disponibles públicamente siguen siendo en gran medida inaccesibles para los científicos.
Para abordar este desafío, Li y su equipo coordinaron con los equipos de la Asociación para la Innovación de Datos y SCINet del ARS para desarrollar la aplicación web » BRIDGEcereal » basada en novedosos algoritmos de aprendizaje automático. La interfaz gráfica de usuario interactiva permite a los científicos extraer de manera eficiente el pangenoma disponible públicamente para los cinco principales cultivos de cereales. Para identificar posibles indeles grandes para genes de interés, el único requisito es la identificación del modelo genético.
Li y su equipo demostraron el potencial de BRIDGEcereal para descubrir grandes polimorfismos indel causales prometedores para genes del trigo que subyacen a tres tipos diferentes de rasgos.
«Esperamos que esta aplicación web pueda ayudar a cerrar la brecha entre genoma y fenómeno y acelerar el descubrimiento y la caracterización de genes para mejorar los cultivos», dijo Bosen Zhang, investigador asociado postdoctoral que lidera el proyecto.
Al aprovechar BRIDGEcereal, los científicos pueden cultivar cultivos de cereales de manera más eficiente y efectiva para adaptarse a las condiciones climáticas cambiantes, hacer que los cultivos sean más resistentes a las plagas y enfermedades y desarrollar características más atractivas para los agricultores y consumidores. Lo más importante es que estas nuevas tecnologías pueden garantizar que las comunidades de todo el mundo tengan acceso sostenible a sus cultivos alimentarios más importantes. Por Todd Silver, Oficina de Comunicaciones del ARS
