Un consorcio liderado por el Instituto Leibniz IPK ensambló los siete centrómeros del cereal y reveló diversidad genética todavía poco utilizada en los programas de fitomejoramiento.
Redactor: Camila Herrera R.
Editor: Eduardo Schmitz
Un equipo científico internacional dirigido por el Instituto Leibniz de Genética Vegetal e Investigación de Plantas Cultivadas (IPK), en Alemania, produjo una nueva secuencia de referencia del genoma del centeno que mejora sustancialmente la representación de sus cromosomas. El recurso permitirá estudiar con mayor precisión genes y regiones genómicas aprovechables en el mejoramiento del propio cereal y del trigo.
La versión, denominada Lo7_V3, incluye por primera vez los centrómeros completos de los siete cromosomas que conforman el genoma haploide del centeno. Estas regiones intervienen en la distribución correcta de la información genética durante la división celular, pero su abundancia de secuencias repetitivas había dificultado reconstruirlas con las tecnologías anteriores.
Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications. El ensamblaje alcanza 6,76 gigabases y corresponde a la línea endogámica Lo7, utilizada habitualmente como genotipo de referencia en la investigación genética de Secale cereale.
Un genoma dominado por secuencias repetitivas
Descifrar el ADN del centeno representa un desafío técnico considerable. Su genoma tiene un tamaño cercano a siete gigabases y aproximadamente el 90 % está compuesto por secuencias repetitivas. Esas repeticiones pueden provocar que los programas informáticos confundan fragmentos semejantes, los coloquen en una orientación incorrecta o los fusionen artificialmente.
El ensamblaje de referencia publicado en 2021 había supuesto un avance importante, pero todavía contenía vacíos, regiones colapsadas y errores estructurales. Los centrómeros, en particular, permanecían incompletos debido a la dificultad de establecer el orden exacto de grandes bloques de ADN casi idénticos.
La situación del centeno ilustra por qué disponer de un genoma de referencia de alta calidad resulta decisivo para vincular rasgos observados en el campo con sus bases moleculares. Esa misma capacidad está impulsando trabajos como la secuenciación de cultivos tradicionales para localizar genes agronómicos y conservar su diversidad genética.
Cuatro tecnologías permitieron reconstruir los cromosomas
Los investigadores combinaron lecturas de alta fidelidad PacBio HiFi, secuencias largas obtenidas mediante Oxford Nanopore, información de contacto cromosómico Hi-C y mapas ópticos BioNano. Los datos fueron integrados mediante el sistema de ensamblaje TRITEX y verificados con métodos independientes.
Las lecturas largas permitieron atravesar bloques repetitivos que antes interrumpían la reconstrucción. La información Hi-C ayudó a ordenar y orientar los fragmentos a escala cromosómica, mientras que el mapeo óptico sirvió para revisar la estructura obtenida y corregir errores.
El ensamblaje resultante presenta un valor N50 de los contigs de 128 megabases, una medida que refleja su elevada continuidad. Los siete cromosomas reconstruidos tienen longitudes comprendidas entre 776 megabases y 1,1 gigabases. El equipo también anotó 75.850 genes codificadores de proteínas, de los cuales 43.754 fueron clasificados como modelos de alta confianza.
La combinación de plataformas muestra cómo las nuevas herramientas genómicas pueden resolver estructuras que anteriormente quedaban fuera de los mapas de referencia. Estos recursos complementan otras estrategias, como los cromosomas sintéticos diseñados para incorporar conjuntos de características agrícolas, aunque el nuevo estudio se concentra en describir con precisión la arquitectura natural del centeno.
Los centrómeros muestran una evolución propia del centeno
La resolución completa de los centrómeros permitió analizar los elementos móviles de ADN acumulados en estas regiones. Los científicos identificaron una presencia abundante y una actividad evolutivamente reciente de retrotransposones de las familias RLG_Abia y RLG_Abigail.
Estos elementos no aparecen con el mismo patrón en el trigo, lo que indica que la arquitectura de los centrómeros puede evolucionar de manera diferente incluso entre cereales estrechamente emparentados. La variación generada por los transposones contribuye a explicar parte de la complejidad estructural del genoma del centeno.
El ensamblaje también corrigió orientaciones equivocadas y recuperó regiones repetidas que en versiones anteriores aparecían comprimidas. No obstante, los autores aclaran que Lo7_V3 es un genoma casi completo y no un ensamblaje absoluto de telómero a telómero: todavía persisten vacíos en ciertas áreas subteloméricas y falta resolver parte de las secuencias altamente repetitivas.
El brazo cromosómico 1RS ofrece diversidad para el trigo
Uno de los hallazgos de mayor interés productivo se concentra en el brazo corto del cromosoma 1R del centeno, conocido como 1RS. Esta porción cromosómica ha sido transferida mediante cruzamiento a numerosas variedades de trigo para incorporar resistencia a enfermedades, tolerancia frente a factores ambientales adversos y mejoras de rendimiento.
Entre los genes procedentes del centeno empleados en el trigo se encuentran Sr31, Lr26 y Yr9, relacionados con la resistencia a distintas royas, además de Pm8, utilizado frente al oídio. La búsqueda de defensas genéticas más precisas también sustenta investigaciones como la caracterización genómica de la roya del tallo para prolongar la resistencia del trigo.
Al comparar aproximadamente 300 megabases de secuencias 1RS y 1BS, el equipo detectó escasa diversidad entre las variedades de trigo portadoras de la translocación 1BL/1RS. Los investigadores atribuyen esa homogeneidad al uso extendido de un grupo limitado de líneas iniciales en los programas de mejoramiento.
Las accesiones de centeno examinadas, en cambio, mostraron una diversidad considerablemente mayor en esa región. El resultado indica que el reservorio genético disponible en Secale cereale es más amplio que la fracción incorporada hasta ahora al trigo y que podrían explorarse nuevas variantes para ampliar su base genética.
Una referencia para seleccionar genes útiles
El nuevo mapa no produce de manera inmediata una variedad comercial, pero mejora la capacidad para localizar genes, diseñar marcadores moleculares y seguir segmentos de centeno durante los cruzamientos. Una referencia más exacta también reduce el riesgo de transferir junto con un rasgo favorable otras regiones que afecten negativamente la calidad o el comportamiento agronómico.
La anotación actualizada de genes de resistencia con dominios NLR ofrece una visión más clara del paisaje genético de 1RS. Estos genes participan en el reconocimiento de patógenos, una función comparable con el mecanismo recientemente descrito para el gen H13 que activa las defensas del trigo frente a la mosca de Hesse.
El recurso también facilitará comparaciones evolutivas entre centeno, trigo y cebada, así como el estudio de familias genéticas vinculadas con floración, vernalización, tolerancia a factores abióticos y resistencia a enfermedades. Los autores proponen incorporar en etapas posteriores más información transcriptómica y secuencias ultralargas para completar las regiones que todavía no pudieron ensamblarse.
La principal oportunidad para el fitomejoramiento consiste en diversificar los segmentos de centeno incorporados al trigo y al triticale, evitando depender repetidamente de las mismas fuentes genéticas. El aprovechamiento práctico requerirá evaluar cada variante en cruzamientos y ensayos de campo antes de determinar su utilidad productiva.
Fuentes referenciales:
Phys.org
Nature Communications
