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Estudio del genoma abre camino hacia algas comestibles sostenibles


Desde la década de 1980, en granjas de algas salpicadas a lo largo de la costa de las islas subtropicales de Okinawa, los agricultores han cultivado el alga marrón comestible Okinawa mozuku (Cladosiphon okamuranus). 


por Dani Ellenby, Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa


Popular en la cocina japonesa, este superalimento produce altos niveles de fucoidan, una sustancia viscosa que tiene una gran cantidad de beneficios para la salud, incluida la supresión de coágulos sanguíneos y tumores.

Cada año, los agricultores cosechan más de 15,000 toneladas de este cultivo de algas pardas, contribuyendo miles de millones de yenes japoneses a la economía local. Sin embargo, este rendimiento una vez abundante ahora está sufriendo debido a las aguas cada vez más cálidas, ácidas y contaminadas.

En 2016, investigadores de la Unidad de Genómica Marina de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) descifraron el genoma de la cepa S, la primera cepa de Okinawa mozuku que se desarrolló, arrojando luz sobre las bases moleculares de este marrón algas marinas. Ahora, los investigadores de OIST han descifrado los genomas de tres cepas más: la cepa O, la cepa C y la cepa K. Sus hallazgos, publicados en BMC Genomics , podrían ayudar a la industria de cultivo de algas marinas de Okinawa a adaptarse a las crecientes tensiones ambientales, así como proporcionar nuevas ideas sobre la biología subyacente de las algas pardas.

«A pesar de la importancia ecológica y económica de las algas pardas, hasta ahora se ha realizado muy poca investigación genética, con investigadores que se centran más en su morfología, taxonomía o capacidad de regeneración», dijo el Dr. Nishitsuji, primer autor y científico del personal de Marine Genomics. Unidad. «Esto se debe en parte a las dificultades para extraer ADN y ARN de las células de algas debido a la acumulación de polisacáridos (largas cadenas de carbohidratos) en sus paredes celulares».

Pero el Dr. Nishitsuji cree que obtener información genómica básica es esencial para mejorar los métodos de cultivo y caracterizar cada cepa, con la Unidad de Genómica Marina de OIST encabezando este esfuerzo. En 2019, el Dr. Nishitsuji y su colega, la Dra. Asuka Arimoto, recibieron el Premio de Fomento de la Investigación de Okinawa como reconocimiento por su contribución a Okinawa por su trabajo en descifrar los genomas de muchos cultivos de algas, incluido el mozuku de Okinawa.

«Hasta donde sabemos, solo siete genomas de algas pardas se han publicado en todo el mundo, y OIST decodificó cinco de estos genomas», dijo el Dr. Nishitsuji.

Extrayendo secretos genómicos

Los científicos recibieron muestras de las cuatro cepas del Centro de Investigación y Extensión de Pesca de la Prefectura de Okinawa. Estimaron que el proyecto de genomas de las cepas K-, 0- y C- contenía 12,511, 12,548 y 12,182 genes que codificaban proteínas, respectivamente. Para la cepa S, también modificaron su estimación previa de 13,460 genes que codifican proteínas hasta 12,999.

Después de decodificar los genomas, los investigadores utilizaron secuencias de ADN nuclear y mitocondrial para investigar cómo evolucionó cada cepa de Okinawa mozuku. Descubrieron que las cuatro cepas probablemente divergieron en diferentes momentos, con la cepa S divergente primero, seguida de la cepa K. Los investigadores creen que la cepa O y la cepa C evolucionaron más recientemente. Durante la diversificación, cada cepa desarrolló su propia morfología única.

Estudio del genoma abre camino hacia algas comestibles sostenibles
El árbol filogenético (evolutivo) se construyó comparando 200 genes nucleares. La unidad de la barra de escala es la sustitución por sitio. Las cuatro cepas forman su propio grupo único dentro de las algas pardas y otra alga comestible, ito-mozuku (Nemacystus decipiens) es su pariente más cercano. Las cuatro cepas de Okinawa mozuku difieren en tamaño, textura y nivel de ramificación. Mientras que la cepa S tiene un cuerpo suave y alcanza un tamaño grande con ramas largas, la cepa K tiene ramas más gruesas y resistentes, y alcanza un tamaño medio. La cepa O tiene una textura aún más dura y es de menor tamaño con ramificaciones más densas. Finalmente, la cepa C es similar en textura a la cepa K, con un tamaño intermedio y ramas más delgadas. Crédito: OIST

Cuando los científicos compararon los genomas completos, descubrieron que cada cepa era más genéticamente distinta de lo esperado, con alrededor del 2-3,5% de los genes que eran únicos para cada cepa.

«Para poner esto en contexto, solo alrededor del 0,79% de los genes en Arabidopsis thaliana, la planta terrestre mejor estudiada, son exclusivos de cada cepa», dijo el Dr. Nishitsuji. «El nivel de diferencia genética que vemos en Okinawa mozuku es mucho más alto, lo que podría proporcionar un caso para clasificar cada cepa como su propia subespecie. Esto podría tener interesantes beneficios económicos, ya que podría permitir a los agricultores comercializar sus propias marcas genéticamente distintas. de Okinawa mozuku «.

Debido a la falta de datos genéticos sobre algas pardas, los investigadores aún no han precisado las funciones de estos genes únicos. Sin embargo, esperan que un estudio adicional pueda ayudar a identificar si algunos de estos genes únicos están involucrados en la variación morfológica o cambios en la fisiología, lo que podría proporcionar diferentes niveles de tolerancia al estrés ambiental, como el calor o la acidez.

Combatir las amenazas del cambio climático.

La amenaza del cambio climático y los crecientes niveles de contaminación y acidificación de los océanos son la principal fuerza impulsora detrás de las investigaciones de la unidad sobre la genética de Okinawa mozuku.

«La información genómica y genómica que hemos adquirido podría ayudarnos a identificar las cepas de Okinawa mozuku que son más tolerantes al calor y qué genes subyacentes proporcionan esta valiosa propiedad», explicó el Dr. Nishitsuji.

En última instancia, la unidad tiene como objetivo desarrollar nuevas cepas que sean tolerantes a los efectos del cambio climático al cruzar las cepas existentes . Si bien el cruce es común para las plantas terrestres, hasta ahora no ha tenido éxito en las algas. Para lograr esta hazaña, el equipo primero planea desarrollar marcadores genéticos para distinguir tanto el sexo como la tensión de las células de algas involucradas en la reproducción.

«Esta investigación no solo podría ayudar a mejorar el cultivo de mozuku en Okinawa, sino que también tiene implicaciones globales, contribuyendo a una serie de objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas», agregó el Dr. Nishitsuji. Por ejemplo, como cultivo negativo en carbono, el cultivo de algas tiene el potencial de ayudar a mitigar el cambio climático y, en el futuro, podría ser un importante recurso marino para cultivar alimentos de manera sostenible.

«Mantener la producción y mejorar el cultivo de Okinawa mozuku, junto con otras algas comestibles es, por lo tanto, una prioridad principal», dijo el Dr. Nishitsuji.


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