El algodón es la principal fuente de fibra natural en la Tierra, pero solo cuatro de las 50 especies conocidas son adecuadas para la producción textil.
Científicos informáticos de la Universidad DePaul aplicaron un flujo de trabajo de bioinformática para reconstruir uno de los genomas más completos de una de las principales especies de algodón, el cultivar Wagad de Gossypium herbaceum domesticado en África. Los expertos dicen que los resultados brindan a los científicos una imagen más completa de cómo se domesticó el algodón silvestre a lo largo del tiempo y pueden ayudar a fortalecer y proteger el cultivo para los agricultores en los EE. UU., África y más allá.
Los hallazgos se publican en la revista G3 Genes|Genomes|Genetics . Thiru Ramaraj, profesora asistente de ciencias de la computación en la Facultad de Computación y Medios Digitales Jarvis de DePaul, es la autora principal de la publicación. Los avances tecnológicos de la última década hicieron posible que Ramaraj analizara el genoma en su laboratorio de Chicago.
«El poder de esta tecnología es que nos permite crear genomas de alta calidad que brindan un nivel de detalle que simplemente no era posible antes», dice Ramaraj, quien se especializa en bioinformática. «Esto abre la posibilidad de que más investigadores secuencien muchos cultivos que son importantes para la economía global y para alimentar a la población».
El trabajo es parte de una colaboración que incluye a Jonathan Wendel, distinguido profesor del Departamento de Ecología, Evolución y Biología de Organismos de la Universidad Estatal de Iowa; y Joshua Udall, líder de investigación de la Unidad de Investigación de Germoplasma de Cultivos del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE. UU. Según Udall, el algodón Wagad es una cepa diploide que se cultiva predominantemente en países africanos. «Esto tiene el potencial de proporcionar un mapa genético que podría mejorar su cosecha de algodón«, dijo Udall.
Metodologías computacionales avanzadas presentan genoma
El trabajo del equipo comenzó con el procesamiento de datos de secuencias de ADN. Comenzaron a reconstruir el genoma de Wagad ensamblando datos de secuencias largas de ADN de alta calidad generados con la tecnología de secuenciación de Pacific Biosciences. Como siguiente paso, se utilizaron mapas de genoma completo de la genómica de Bionano para ordenar y orientar el ensamblaje inicial. Por último, se utilizaron los datos de la secuencia Hi-C de Phase genomics para construir el genoma a nivel cromosómico.
Luego, Ramaraj recurrió a Azalea Mendoza, una estudiante de posgrado en informática que también tiene una licenciatura en estudios ambientales de DePaul. «Azalea tenía la formación y el conocimiento en biología para sumergirse en esta investigación», dijo Ramaraj.
Mendoza comenzó investigando la historia del algodón para alejarse y comprender «el panorama general». No importa dónde se cultive el algodón, se usa principalmente para fibra. Usando genómica comparativa, buscó variaciones contra su pariente más cercano y un grupo externo. Mendoza también profundizó en los genes anotados y anotó sus funciones. “Mientras estudiábamos las regiones del genoma, encontramos muchos genes que estaban relacionados con el contenido de fibra”, dice Mendoza. «Fue increíble ver la aplicación del trabajo en la vida real».
Protección de cultivos en los EE. UU. y más allá
El impacto de la genómica del algodón en la agricultura y la economía de los EE. UU. es claro para Udall, quien ha trabajado con Ramaraj desde 2015. Udall dirige la Unidad de Investigación de Germoplasma de Cultivos y examina algunas de las 10,000 accesiones de varias especies que el USDA tiene en su depósito. Su objetivo es mantener la seguridad genética de alimentos y piensos del país, y parte de eso es comprender la resiliencia y las debilidades de los cultivos de todo el mundo.
«Cuando llegan nuevas enfermedades a los EE. UU., o hay nuevas plagas invasoras, una de las primeras cosas que hacemos es analizar la diversidad genética del algodón para ver si alguna de las variedades anteriores es resistente», dice Udall. Esto puede dar a los agricultores la oportunidad de cruzar esos genes y mejorar las variedades modernas de algodón, evitando potencialmente una pérdida catastrófica de la agricultura.
Udall confía en biólogos computacionales como Ramaraj para avanzar en este trabajo. Si bien el costo de la secuenciación de los genomas se ha reducido, este estudio tomó casi dos años de trabajo en todas las disciplinas. «Este es un buen paso para identificar futuros genomas de algodón para secuenciar», dice Udall.
Ramaraj espera que el proyecto inspire a otros profesores y estudiantes colaboradores a abordar el CDM con ideas para proyectos de bioinformática. Para Mendoza, ahora una exalumna que trabaja como analista de datos, la experiencia de trabajar en bioinformática en DePaul está inspirando sus metas profesionales.
«Me encanta la investigación y el trabajo que me ayuda a crecer en múltiples niveles», dice Mendoza. «Este es el tipo de trabajo que afectará a los humanos y la sostenibilidad en el futuro».
Más información: Thiruvarangan Ramaraj et al, El genoma de Gossypium herbaceum L. Wagad como recurso para comprender la domesticación del algodón, G3 Genes|Genomes|Genetics (2022). DOI: 10.1093/g3journal/jkac308
