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Investigadores aragoneses diseñan una herramienta para identificar subgenomas vegetales "fantasma"

Este nuevo avance ayudará a conocer la diversidad genómica y las propiedades de plantas silvestres y de cultivos poliploides. Han participado el grupo Bioflora de la Politécnica de Huesca y científicos del CSIC.

Los investigadores Rubén Sancho y Pilar Catalán, en el invernadero de la Escuela Politécnica Superior del Campus de Huesca.
Los investigadores Rubén Sancho y Pilar Catalán, en el invernadero de la Escuela Politécnica Superior del Campus de Huesca.
Campus de Huesca

Investigadores del grupo Bioflora de la Escuela Politécnica Superior del Campus de Huesca (Universidad de Zaragoza), junto con colegas de la Estación Experimental de Aula Dei de Zaragoza (EEAD-CSIC), miembros del BIFI-Unidad Asociada CSIC y del IA2, han diseñado una nueva herramienta informática PhyloSD (Phylogenomic Subgenome Detection) para la identificación de subgenomas “fantasma” en plantas poliploides, hasta ahora difícilmente reconocibles con las metodologías disponibles. Esto posibilitará avanzar en un conocimiento cada vez más profundo de la diversidad genómica de los vegetales, tanto en sus propiedades y adaptaciones así como en el ámbito de su regulación genómica, tanto en plantas silvestres como en cultivos poliploides habituales.

Identificar esos subgenomas “fantasma” constituye una labor ardua, que ha fracasado en muchos casos. Incluso algunos cultivos poliploides profusamente analizados genómicamente, como la fresa octoploide, poseen algunos subgenomas “fantasma” que han sido erróneamente identificados, ha destacado Pilar Catalán, catedrática de Ciencias Agrarias y del Medio Natural en la Escuela Politécnica del Campus de Huesca y miembro del Instituto Universitario de Investigación de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) de la Universidad de Zaragoza.

La poliploidía es un fenómeno muy común entre las plantas actuales; en algunas familias botánicas el porcentaje de especies poliploides puede alcanzar el 70% del total de sus especies (siendo el resto diploides). Constituye una fuerza evolutiva que consiste en el incremento del tamaño del genoma causado por la presencia de tres o más juegos de cromosomas dentro de las células somáticas. Además, permite moldear la aparición y distribución de cientos de especies de plantas.

Hay incluso algunos géneros que contienen exclusivamente especies poliploides, habiéndose extinguido todas las especies diploides que los originaron. Existen plantas poliploides tanto silvestres como cultivadas y, de hecho, algunos de los cultivos más importantes son poliploides (trigos, patata, café, soja, caña de azúcar, fresa, algodón, colza, etc.). El conocimiento de los subgenomas de las plantas poliploides es esencial ya que ciertos subgenomas poseen genes (o alelos) que no poseen los otros subgenomas (o que están silenciados en ellos), o que se expresan en mayor o menos proporción, y dichas expresiones le confieren propiedades especiales a la planta.

La importancia de esta contribución científica radica en el avance que supone la caracterización subgenómica de las plantas poliploides, dado el amplio desconocimiento actual sobre la identidad de los subgenomas progenitores de la mayoría de ellas. La tubería informática PhyloSD ha logrado identificar con alta precisión los subgenomas divergentes de especies poliploides del género modelo de gramíneas Brachypodium, y complementariamente al desarrollo de análisis cariotípicos comparados, han logrado caracterizarlos por sus alelos y sus códigos de barras FISH (barcodes) cromosómicos.

El procedimiento ha sido empleado en el estudio de seis especies poliploides de Brachypodium (B. boissieri, B. hybridum, B. mexicanum, B. phoenicoides, B. retusum, B. rupestre) entre las que se han detectado y caracterizado siete subgenomas, tres derivados de especies diploides conocidas y cuatro derivados de progenitores diploides desconocidos (subgenomas “fantasma”).

La nueva herramienta PhyloSD aplica tres algoritmos secuenciales (Nearest Diploid Species Node, Bootstrapping Refinement, Subgenome Assignment) a datos génicos de secuenciaciones genómicas y transcriptómicas, empleando análisis filogenómicos congruentes con el árbol-de-especie coalescente y análisis estadísticos (tubería disponible en https://github.com/eead-csic-compbio/allopolyploids).

La metodología, ensayada con genes homeólogos de los subgenomas conocidos de los trigos poliploides, ha sido posteriormente corroborada exitosamente con transcritos y genes de especies poliploides de Brachypodium, identificando en ellas tanto subgenomas conocidos, procedentes de especies progenitoras diploides existentes, como subgenomas “fantasmas” procedentes de especies progenitoras diploides presumiblemente extintas.

Estas identidades subgenómicas han sido verificadas ulteriormente mediante el análisis comparado de patrones de hibridaciones-in-situ cromosómicas (Comparative Chromosome Barcoding, CCB) que han permitido caracterizar a los cariotipos únicos de cada genoma progenitor en las especies diploides y poliploides estudiadas. El trabajo ha sido publicado en la revista The Plant Journal (“Tracking the ancestry of known and “ghost” homeologous subgenomes in model grass Brachypodium polyploids”; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15650).

El estudio ha sido desarrollado por los investigadores Rubén Sancho, Antonio Díaz-Pérez, Luis A. Inda, Bruno Contreras-Moreira y Pilar Catalán del Campus de Huesca de Unizar y la EEAD-CSIC, miembros del BIFI y del IA2, quienes han diseñado la tubería informática PhyloSD y han llevado a cabo los estudios genómicos, cariológicos y evolutivos de los poliploides.

Han contado con la colaboración de Joanna Lusinska y Robert Hasterok, de la Universidad de Silesia, quienes han ejecutado los análisis citogenéticos CCB, y de David Des Marais (MIT) y Sean Gordon y John Vogel (JGI) quienes han contribuido con datos transcriptómicos y genómicos a la investigación.

El trabajo ha sido financiado por los proyectos CGL2016-79790-P-MINECO, PID2019-108195GB-I00-MICINN, Z2016_TEC02-Unizar, y A01-17R y A01-20R del grupo Bioflora (Gobierno de Aragón y Fondo Social Europeo) y su publicación en abierto (Open Access) por el Vicerrectorado de Política Científica de Unizar.

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