Investigadores decodifican el 95,6% del genoma de Nicotiana benthamiana

La planta Nicotiana benthamiana, de la familia Solanaceae, es uno de los modelos experimentales más utilizados en la ciencia de las plantas. En 2020, un grupo de investigación de la Universidad de Nagoya en Japón informó que se podía injertar N. benthamiana con plantas de diferentes familias, lo que demuestra una rara habilidad que muchos investigadores creían imposible.

Ahora, el mismo grupo de investigación ha utilizado tecnología de secuenciación de próxima generación para decodificar todos los genes en el genoma de la planta de tabaco N. benthamiana. Sus hallazgos brindan información sobre cómo las plantas pueden realizar este injerto. Sus resultados fueron publicados en Fisiología vegetal y celular.

La estructura del genoma de N. benthamiana ha sido durante mucho tiempo un misterio. Su complejo genoma surgió debido a la hibridación, lo que significa que sus cromosomas se derivan de dos especies de plantas. El evento de hibridación ocurrió hace aproximadamente 10 millones de años entre dos especies de plantas estrechamente relacionadas: la paterna Sylvestres y la materna Tomentosae. Para complicar aún más las cosas, continuó evolucionando a través de varios eventos de hibridación.

Dado que el genoma de plantas como N. benthamiana es tan grande, los investigadores luchan por analizarlo en su totalidad utilizando la tecnología actual. Por lo tanto, para estudiarlo de manera más efectiva, los científicos lo cortan en fragmentos más pequeños para secuenciarlos, creando lo que se conoce como una biblioteca de ADN. Las secuencias cortas obtenidas después de la secuenciación de próxima generación de bibliotecas de ADN fragmentadas se denominan lecturas. Estas secuencias luego se ensamblan utilizando sus regiones superpuestas para crear secuencias más grandes, llamadas contigs. Dado que se conoce el orden de las bases en contigs, esta información se puede usar para conectar los contigs para crear secuencias más largas llamadas andamios.

Aunque se han hecho intentos para analizar el genoma de N. benthamiana fragmentándolo en 141.000 andamios, su compleja estructura de duplicación hace que la estructura cromosómica sea poco clara y que el análisis genético molecular sea difícil. Como un rompecabezas, es más fácil visualizar la imagen de un rompecabezas completo formado por un puñado de piezas que uno formado por 141.000 piezas.

«N. benthamiana tiene una estructura genómica compleja. Debido a su complejidad, solo se conocía información fragmentaria del ADN, lo que era un obstáculo para la investigación genética», explica el profesor asociado Michitaka Notaguchi, autor principal del estudio. «Se desconocían muchas cosas, incluido el estado entre los genes y la información de la secuencia en las regiones reguladoras de la expresión génica, lo que representa una barrera para un mayor análisis genético».

El grupo de investigación dirigido por Kenichi Kurotani, un profesor especialmente designado, y Notaguchi en el Centro de Investigación de Biociencia y Biotecnología de la Universidad de Nagoya, en colaboración con el Laboratorio de Información Genética Masiva, el Instituto Nacional de Genética y el Instituto de Investigación de ADN de Kazusa, ha secuenciado la mayor parte del genoma de N. benthamiana. Utilizando la última tecnología de secuenciación de última generación, los investigadores observaron lo más de cerca posible el nivel cromosómico. Esto les permitió retroceder más que nunca en la historia genética de la especie.

Los investigadores lograron una secuenciación del 95,6% del genoma total y pudieron lograr 1.668 andamios, mucho menos que estudios anteriores, lo que hace que el «rompecabezas» sea mucho más fácil de construir. De estos andamios, 21 de los más grandes tenían el tamaño de un cromosoma completo.

Se descubrió que N. benthamiana tenía una mezcla compleja de secuencias genómicas de especies parentales entrecruzadas. Las secuencias del genoma estaban tan entrelazadas que era imposible distinguirlas claramente, lo que indica el antiguo origen de la hibridación. Estimaron que N. benthamiana y el relacionado N. tabacum probablemente se desviaron hace entre 3 y 7 millones de años.

«Esta investigación ha facilitado enormemente el análisis genético de N. benthamiana al proporcionar información actualizada sobre las secuencias de las regiones reguladoras de la expresión génica, el enlace en el cromosoma y el número de genes. Esta información faltaba», explica Kurotani.

«Esta decodificación del genoma facilitará la aplicación de la tecnología de edición del genoma, que se espera que se utilice en la investigación de plantas en el futuro. Debería acelerar la investigación científica de plantas, así como el desarrollo de métodos de utilización más efectivos para N. benthamiana y su singular habilidades de injerto Ahora que toda la información ha sido revelada a través de la secuenciación del genoma, es más fácil tratar a N. benthamiana como un tema de investigación».