La capa oculta del genoma revela cómo las plantas pueden adaptarse a los entornos de todo el mundo

La capa oculta del genoma revela cómo las plantas pueden adaptarse a los entornos de todo el mundo

Los hallazgos epigenéticos de Salk pueden ayudar en la producción de cultivos

LA JOLLA, CA—Los científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos han identificado patrones de diversidad epigenómica que no solo permiten que las plantas se adapten a diversos entornos, sino que también podrían beneficiar la producción de cultivos y el estudio de enfermedades humanas.

Publicado el 6 de marzo en Naturaleza, los hallazgos muestran que, además de la diversidad genética que se encuentra en las plantas de todo el mundo, su composición epigenómica es tan variada como los entornos en los que se encuentran. La epigenómica es el estudio del patrón de marcadores químicos que sirven como una capa reguladora sobre la secuencia de ADN. Dependiendo de dónde crezcan, las diferencias epigenómicas de las plantas pueden permitirles adaptarse rápidamente a sus entornos.

Las modificaciones epigenómicas alteran la expresión génica sin cambiar las letras del alfabeto del ADN (ATCG), proporcionando a las células una herramienta adicional para ajustar cómo los genes controlan la maquinaria celular. Estos cambios ocurren no solo en las plantas, sino también en los humanos.

De izquierda a derecha: los investigadores de Salk, Robert J. Schmitz, Matthew D. Schultz y Joseph Ecker.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

"Observamos plantas recolectadas de todo el mundo y descubrimos que sus epigenomas son sorprendentemente diferentes", dice el autor principal. José R. Ecker, profesor en Salk's Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas y titular de la Cátedra Salk International Council en Genética. "Esta diversidad adicional puede crear una forma para que las plantas se adapten rápidamente a diversos entornos sin ningún cambio genético en su ADN, lo que lleva mucho tiempo".

Al comprender las alteraciones epigenómicas en las plantas, los científicos pueden manipularlas para varios propósitos, incluidos los biocombustibles y la creación de cultivos que puedan resistir eventos estresantes como la sequía. Ese conocimiento de los cambios epigenómicos en las plantas de cultivo podría decirles a los productores para qué criar y podría tener un gran impacto en la identificación de plantas que pueden sobrevivir a ciertas condiciones y adaptarse a los factores ambientales estresantes, dice Ecker, quien también es miembro del Instituto Médico Howard Hughes y Gordon and Betty. Investigador de la Fundación Moore.

Usando MethylC-Seq, un método para mapear los cambios epigenómicos desarrollado por Ecker, los investigadores analizaron los patrones de metilación de una población de Arabidopsis thaliana, una modesta hierba mostaza que se ha convertido para la biología vegetal en lo que los ratones de laboratorio son para la biología animal. Las plantas procedían de una variedad de climas en el hemisferio norte, desde Europa hasta Asia y desde Suecia hasta las islas de Cabo Verde. El equipo de Ecker examinó los genomas y metilomas de a. thaliana, la composición de sus códigos genéticos y epigenómicos completos, respectivamente, que es el primer paso para comprender el impacto de los cambios epigenéticos en las características físicas de las plantas y su capacidad para adaptarse a su entorno.

"Esperábamos una variación en los patrones de metilación entre grupos de plantas de todo el mundo", dice el coautor principal Robert J. Schmitz, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ecker. “Sin embargo, la cantidad fue mucho mayor de lo que habíamos anticipado”.

Este gráfico representa una colección de salvajes Arabidopsis thaliana de todo el mundo que se han adaptado a su entorno local. Esta colección de plantas se utilizó para comprender los patrones de diversidad epigenómica de la población dentro de una especie.

Las fotografías fueron aportadas por Patrick Gooden, Kathleen Donohue y @2011 Google. El gráfico fue diseñado por Jamie Simon, Salk Institute for Biological Studies

Al analizar estos patrones, el equipo de Ecker pudo trazar sus efectos sobre la actividad de los genes en el genoma de las plantas. Los científicos saben que la metilación puede inactivar genes, pero a diferencia de las mutaciones del ADN, los patrones de metilación son reversibles, lo que les da a las plantas la capacidad de activar genes temporalmente. La identificación de genes que están regulados epigenéticamente ha reducido en gran medida los posibles candidatos importantes para la adaptación ambiental.

El silenciamiento de la metilación también ocurre en humanos, y eso tiene implicaciones para el tratamiento del cáncer, cuyo sello distintivo es el silenciamiento de los genes supresores de tumores. "Si el epigenoma desactiva estos genes, podrían volver a activarse eliminando la metilación del ADN", dice el coautor principal del estudio, Matthew Schultz, estudiante graduado en el laboratorio de Ecker. Comprender cómo se forman estas variantes de metilación en la naturaleza ayudará a mejorar la ingeniería de los epigenomas.

El equipo de Ecker estudiará a continuación cómo las variaciones de metilación afectan los rasgos de las plantas. Examinarán los cambios epigenómicos inducidos por el estrés y cómo podrían proporcionar pistas sobre qué alteraciones son las más importantes para las plantas.

Otros investigadores del estudio fueron Mark A. Urich, Joseph R. Nery, Mattia Pelizzola, Andrew Alix, Richard B. McCosh y Huaming Chen, del Instituto Salk; y Ondrej Libiger y Nicholas J. Schork del Instituto de Investigación Scripps.

El trabajo fue apoyado por el , la Los Institutos Nacionales de Salud, la Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Nacional de Ciencias (Subvenciones MCB-0929402 y MCB-1122246) y la Fundación Gordon y Betty Moore (Concesión GBMF3034).

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.