Las plantas muestran una enorme variedad de características relevantes para el mejoramiento, como la altura de la planta, el rendimiento y la resistencia a las plagas. Uno de los mayores desafíos en la investigación moderna de plantas es identificar las diferencias en la información genética que son responsables de esta variación.
por Susanne Dopheide, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Un equipo de investigación dirigido por el grupo de trabajo «Rendimiento de cultivos» del Instituto de Fisiología Molecular de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) y la Institución Carnegie de Ciencias de Stanford ha desarrollado ahora un método para identificar con precisión estas diferencias especiales en la información genética.
Usando el ejemplo del maíz, demuestran el gran potencial de su método en la revista Genome Biology y presentan regiones en el genoma del maíz que pueden ayudar a aumentar los rendimientos y la resistencia a las plagas durante el mejoramiento.
VER: Los genomas de 800 primates revelan claves de mutaciones que causan enfermedades como el cáncer
El modelo de todos los organismos está codificado en su ADN. Esto incluye los genes que codifican las proteínas y determinan las características inherentes de un organismo. Además, hay otras secciones importantes del ADN, en particular las regiones que controlan la regulación de los genes, es decir, cuándo, en qué condiciones y en qué medida se activan los genes.
Sin embargo, en comparación con los genes, estas regiones reguladoras , también conocidas como «elementos cis», son difíciles de encontrar. Los cambios precisamente en estos elementos del ADN son en gran parte responsables de las diferencias entre organismos y, por lo tanto, también entre diferentes variedades de plantas.
VER: Secuencian el genoma completo de una variedad de judía, la conocida como Judía de Egipto
En las últimas décadas, los investigadores han descubierto que las regiones reguladoras son los sitios de unión de proteínas específicas. Conocidos como factores de transcripción , determinan cuándo y durante cuánto tiempo se activan los genes.
El coautor para la correspondencia, el Dr. Thomas Hartwig, que dirige el grupo de investigación de rendimiento de cultivos en el Instituto de Fisiología Molecular de HHU y el Instituto Max Planck para la Investigación de Fitomejoramiento (MPIPZ) en Colonia, explica: «Encontrar las pocas variaciones que son clave para cambiar rasgos como ya que la resistencia a las plagas entre los millones y millones de diferencias genómicas no causales es la búsqueda definitiva de una aguja en un pajar».
«A diferencia de los genes que codifican proteínas, los sitios reguladores por lo general no se pueden identificar basándose únicamente en la secuencia. Esto los hace muy difíciles de identificar. Nuestro método utiliza plantas híbridas para medir los efectos directos de la variación en la secuencia de ADN en la unión del factor de transcripción», dice el líder. autor Profesor Dr. Zhi-Yong Wang de la Carnegie Institution for Science.
El estudio se desarrolló en cooperación con investigadores del Instituto Leibniz de Genética de Plantas e Investigación de Plantas de Cultivo (IPK) en Gatersleben, así como de la Universidad de Nebraska-Lincoln y la Universidad Estatal de Iowa, EE. UU.
VER: Uso de una herramienta de edición de genes para mejorar la productividad en cultivos de arroz
Utilizando híbridos, es decir, la primera generación de plantas creadas mediante el cruzamiento de dos variedades, el equipo de investigación puede comparar qué regiones reguladoras difieren en todo el genoma. La coautora, la Dra. Julia Engelhorn, dice: «Nuestro método analítico nos permite medir con precisión si los factores de transcripción se unen más al genoma materno o paterno». Este procedimiento también ha permitido al equipo identificar miles de diferencias asociadas con rasgos, como el rendimiento y la resistencia a plagas en el maíz.
La tecnología se demostró para un factor de transcripción en la ruta de los brasinoesteroides, una hormona relacionada con el crecimiento y la enfermedad. El director del instituto, el profesor Dr. Wolf B. Frommer, dice: «El equipo ha identificado miles de variaciones genómicas que pueden explicar por qué una variedad de maíz se comporta de manera diferente en términos de rendimiento o resistencia a las enfermedades. Además, el equipo pudo demostrar que estos las diferencias son casi igualmente genéticas y epigenéticas». Este último describe procesos que influyen en la actividad de los genes sin estar codificados en la propia secuencia de ADN.
Un resultado central del estudio es una lista de más de 6.000 regiones del genoma que pueden ser objeto de fitomejoramiento. Estos pueden incluir regiones a través de las cuales se expresan rasgos positivos en ciertas variedades de maíz de las que carecen otras plantas.
Hartwig dice: «Saber en qué parte del genoma se pueden aplicar métodos de mejoramiento modernos para transferir características de ciertas variedades a otras es de gran importancia para la biotecnología. Nuestro estudio puede servir como guía sobre cómo encontrar estas regiones interesantes del genoma » .
El profesor Frommer agrega: «Los hallazgos del estudio sientan las bases para el uso de técnicas modernas para cultivar nuevas variedades de maíz combinando hábilmente las variantes óptimas».
Más información: Thomas Hartwig et al, El análisis ChIP-seq específico de alelo híbrido identifica la variación en la unión del factor de transcripción sensible a los brasinoesteroides vinculado a rasgos en el maíz, Genome Biology (2023). DOI: 10.1186/s13059-023-02909-w
Leyenda de foto principal: Red reguladora de BZR1 en maíz y Arabidopsis . a Distribución de la unión de ZmBZR1 alrededor de los genes transcritos. Frecuencia de picos de unión de ZmBZR1 hasta 10 kb aguas arriba o aguas abajo de TSS o TTS e intragénicos, respectivamente. b ChIP-seq identificó la unión de ZmBZR1 en la proximidad de objetivos putativos reprimidos ( BR6ox2/BRD1 ), inducidos ( IAA19 ) o no controlados por BR ( CNX5 ). La línea negra muestra lecturas de ChIP BZR1 normalizadas (lecturas por cobertura de genoma, RPGC) y la línea roja representa el control negativo (hermanos no transgénicos). Los genes se representan en azul; las flechas negras indican la dirección de la transcripción. c , reMotivos de unión a ZmBZR1 significativamente sobrerrepresentados, BRRE (CGTG[C/T]G) y G-box (CACG[A/T]G) ( c ), así como motivos secundarios de coubicación significativa de BRRE para TCP TF clase I ( GG [ A/C]CCA) y clase II (GTGGGC) ( d ) determinado por GEM. e Objetivos directos e indirectos de ZmBZR1. Se muestra la superposición de BZR1 ChIP-seq y RNA-seq del mutante brd1 +/- BR deficiente en BR. f Conservación de los objetivos BZR1 entre Arabidopsis y maíz ( ortólogos de Arabidopsis ). g Conservación de genes regulados al alza y a la baja de BR de Arabidopsis y maíz ( ortólogos de Arabidopsis ). hSuperposición de genes diana (T) ortólogos de BZR1 sensibles a BR (B) y no sensibles (N) y genes no diana (N) en Arabidopsis (At) y Maíz (Zm). La codificación por colores indica el enriquecimiento de veces en comparación con la expectativa aleatoria (azul, bajo enriquecimiento a rojo, alto enriquecimiento). e Los números indican los valores p de importancia de este enriquecimiento suponiendo una distribución hipergeométrica. i Mapa de calor de genes diana de ortólogos directos de BZR1 en Arabidopsis y maíz inducido (verde) o reprimido (rojo) por BR. En general, el 65 % de los ortólogos 1:1 y el 72 % de los ortólogos de copia 1:2 de objetivos BZR1 directos entre Arabidopsis y maíz, respectivamente, mostraron la misma dirección de regulación de BR. Crédito:Biología del genoma (2023). DOI: 10.1186/s13059-023-02909-w
