Los genomas de las plantas injertadas pueden comunicarse entre sí

Los genomas de las plantas injertadas pueden comunicarse entre sí

Los científicos de Salk encuentran que las moléculas diminutas impulsan el silenciamiento de genes en los brotes injertados

LA JOLLA—Los injertos agrícolas se remontan a casi 3,000 años. Por prueba y error, la gente desde la antigua China hasta la antigua Grecia se dio cuenta de que unir una rama cortada de una planta al tallo de otra podría mejorar la calidad de los cultivos.

Ahora, investigadores del Instituto Salk y la Universidad de Cambridge han utilizado esta antigua práctica, combinada con la investigación genética moderna, para demostrar que las plantas injertadas pueden compartir rasgos epigenéticos, según un nuevo artículo publicado la semana del 18 de enero de 2016 en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

"El injerto es algo que se hace a menudo en el mundo comercial y, sin embargo, no entendemos completamente las consecuencias para las dos plantas", dice José Ecker, uno de los autores principales del artículo y director del Laboratorio de Análisis Genómico de Salk. “Nuestro estudio mostró que la información genética en realidad fluye de una planta a otra. Esa es la sorpresa para mí”.

Esa información genética compartida entre plantas no es ADN (las dos plantas injertadas conservan sus genomas originales), sino que la información epigenética se comunica dentro de la planta.

En epigenética, los marcadores químicos actúan sobre genes existentes en el ADN de una planta o animal para activar o desactivar genes. La epigenética puede determinar si una célula se convierte en célula muscular o en célula de la piel y determinar cómo reacciona una planta a diferentes suelos, climas y enfermedades.

“En el futuro, esta investigación podría permitir a los productores explotar la información epigenética para mejorar los cultivos y los rendimientos”, dice Mathew Lewsey, uno de los primeros autores del artículo e investigador asociado de Salk.

Para rastrear el flujo de información epigenética, los equipos de Salk y Cambridge se centraron en moléculas diminutas llamadas ARN pequeños o ARNs. Hay varios tipos de procesos epigenéticos, pero los sRNA contribuyen a un proceso de silenciamiento de genes llamado metilación del ADN. En la metilación del ADN, los marcadores moleculares se unen a lo largo de la parte superior del ADN para impedir que la maquinaria de la célula lea o exprese los genes bajo los marcadores moleculares.

Estudios previos realizados por los miembros de Cambridge de este grupo de investigación han demostrado que los sRNA pueden moverse a través de las plantas injertadas desde los brotes hasta las raíces. Así que los investigadores diseñaron un experimento de injerto con tres variaciones de la planta. Arabidopsis thaliana (berro de thale). Dos variedades eran berros thale de tipo salvaje, mientras que la tercera variedad era una mutante criada para carecer de sRNA de cualquier tipo.

Después de realizar cada injerto, los investigadores analizaron el tejido de brotes y raíces para buscar cambios en la metilación del ADN a lo largo de los diferentes genomas de las plantas. También confirmaron si los sRNA se estaban moviendo de las plantas de tipo salvaje a la variedad mutante que carecía de sRNA.

"Esta configuración nos permitió observar algo bastante único: en realidad estaban transmitiendo el equivalente epigenético de los alelos, llamados epialelos", dice Lewsey.

Un alelo es un gen que se comparte dentro de una especie, pero puede diferir de un individuo a otro, como el alelo para desarrollar la enfermedad de Huntington. En este caso, los investigadores buscaban sitios a lo largo del epigenoma de las plantas que tuvieran alelos alterados por el proceso epigenético. En otras palabras: epialelos.

"Debido a que las dos plantas de tipo salvaje variaron en su epigenética a lo largo de sus genomas, pudimos observar cómo injertar un brote en las raíces puede transmitir epialelos de una planta a otra", dice Lewsey.

David Baulcombe, autor principal del artículo, reconoce que los nuevos hallazgos no fueron totalmente inesperados. El trabajo anterior a menor escala había indicado que los sRNA podían moverse y mediar en el cambio epigenético en el tejido receptor.

"Sin embargo, lo inesperado fue la escala de los cambios debido al ARN móvil", dice Baulcombe, del Departamento de Ciencias de las Plantas de la Universidad de Cambridge.

Miles de sitios a lo largo del genoma del berro thale fueron silenciados por sRNA. Al examinar la ubicación de estos epialelos, los investigadores podrían comenzar a encontrar pistas sobre su propósito. Los epialelos observados en el experimento a menudo silenciaban áreas del genoma llamadas elementos transponibles o transposones.

Los transposones forman parte del llamado ADN oscuro, o la gran porción de un genoma que no codifica genes. Originalmente llamados "genes saltadores", los transposones pueden moverse hacia arriba y hacia abajo del genoma para influir en la expresión de los genes cercanos. Muchos de los transposones a los que se dirigieron los sRNA en el experimento estaban muy cerca de la ubicación de los genes activos.

A pesar de este silenciamiento de los transposones, solo hubo pequeños cambios en la expresión génica entre las plantas de tipo salvaje y la planta mutante que carecía de sRNA.

“Creemos que esto se debe a la naturaleza compacta del a. thaliana genoma”, dice Lewsey. "Es probable que pasar a una especie con un genoma más grande y transposones que sean más activos muestre una mayor diferencia".

Gracias a las nuevas herramientas de edición de genes, será posible realizar experimentos de injerto similares con los genomas más complicados de cultivos populares.

“En otras plantas con genomas más complejos, estos efectos se magnificarán cientos de veces”, dice Ecker, quien también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y de la Fundación Gordon y Betty Moore.

Baulcombe está de acuerdo en que es probable que los efectos epigenéticos del ARN móvil sean mucho mayores en las plantas de cultivo que en las especies modelo utilizadas en el presente trabajo. Los dos grupos de investigación ahora están planeando una colaboración extendida para explorar estos efectos en los tomates y otros cultivos.

“Ya existen miles de otras diferencias epigenéticas entre las raíces y los brotes de una sola planta, y dos plantas injertadas también son genéticamente diferentes”, dice Ecker. “Entonces, crear esa diferencia epialélica en las raíces es algo realmente nuevo para la planta”.

Lewsey y Thomas J. Hardcastle de la Universidad de Cambridge contribuyeron igualmente al artículo. Otros autores del trabajo fueron Charles Melnyk y Attila Molnar de la Universidad de Cambridge; y Adrián Valli, Mark A. Urich y Joseph R. Nery del Instituto Salk.

La financiación para el trabajo fue proporcionada por la Beca Internacional de Salida Marie Curie de la UE, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de Investigación Junior de Clare College, la Fundación Caritativa Gatsby, la Beca ANEAS para Proyectos Colaborativos de la Unión Europea y una Beca para investigadores avanzados del Consejo Europeo de Investigación.