Mil Millones De Años De Evolución Iluminados Por La Secuenciación Genética De 1.100 Plantas

Proyecto proporciona datos genéticos a través del árbol de la vida vegetal

La iniciativa 1KP, un esfuerzo colaborativo de casi 200 científicos, abarca desde algas verdes hasta plantas terrestres, proporcionando un marco para examinar mil millones de años de evolución de las plantas. Crédito: Eric Zamora / Florida Museum

PAGS Los lantes son campeones evolutivos, que dominan los ecosistemas de la Tierra durante más de mil millones de años y hacen que el planeta sea habitable para innumerables formas de vida, incluidos nosotros. Ahora, los científicos han completado una búsqueda genética de nueve años para arrojar luz sobre la larga y compleja historia de las plantas terrestres y las algas verdes, revelando los giros de la trama y el ritmo frenético del surgimiento de este súper grupo de organismos.

El proyecto, conocido como la Iniciativa de las Mil Transcriptomas de Plantas (1KP), reunió a casi 200 biólogos de plantas para secuenciar y analizar genes de más de 1.100 especies de plantas que abarcan el árbol verde de la vida. Un resumen de los hallazgos del equipo publicados el 23 de octubre de 2019 en Nature.

“En el árbol de la vida, todo está interrelacionado”, dijo Gane Ka-Shu Wong, investigador principal de 1KP y profesor en el departamento de ciencias biológicas de la Universidad de Alberta. “Y si queremos entender cómo funciona el árbol de la vida, necesitamos examinar las relaciones entre las especies. Ahí es donde entra en juego la secuenciación genética “.

Gran parte de la investigación de plantas se ha centrado en cultivos y algunas especies modelo, oscureciendo la historia de fondo evolutiva de un clado que tiene casi medio millón de especies.

Para obtener una vista panorámica de la evolución de las plantas, el equipo de 1KP secuenció transcriptomas, el conjunto de genes que se expresa activamente, para iluminar los fundamentos genéticos de algas verdes, musgos, helechos, coníferas, plantas con flores y todos los demás linajes de plantas verdes. .

Rastreo de la duplicación y expansión del genoma en grupos de plantas clave

Un sello distintivo de la evolución de las plantas es la frecuencia de duplicación del genoma. Las plantas con flores son conocidas por hacer múltiples copias de su genoma, lo que puede contribuir a la evolución de nuevas funciones genéticas. El proyecto 1KP descubrió eventos de duplicación previamente desconocidos en este grupo. Crédito: Kristen Grace / Museo de Florida

“Esto brinda una perspectiva mucho más amplia de la que se podría obtener con solo observar los cultivos, que están todos concentrados en una pequeña parte del árbol evolutivo”, dijo la coautora del estudio Pamela Soltis. Universidad de Florida profesor distinguido y curador del Museo de Historia Natural de Florida. “Al tener esta imagen más amplia, puede comprender cómo se produjeron los cambios en el genoma, lo que luego le permite investigar los cambios en las características físicas, la química o cualquier otra característica que le interese”.

Un desafío fue el gran tamaño del proyecto, dijo el coautor del estudio Douglas Soltis, profesor distinguido de la UF y curador del Museo de Florida.

“Ver tantos genomas no tiene paralelo”, dijo. “No es un salto en tecnología, sino un salto en escala”.

La secuenciación de transcriptomas requiere tejidos recién recolectados, que es como Soltis se encontró caminando por la vegetación de Gainesville con contenedores de nitrógeno líquido. De vuelta en el laboratorio, un equipo extrajo material genético de los recortes de plantas congelados y envió las extracciones a China para su secuenciación. En todo el mundo, sus colegas siguieron su ejemplo.

El análisis de las secuencias también requirió una reelaboración del software existente, que no fue diseñado para manejar un volumen de datos genéticos sin precedentes, y sin fondos para el análisis, los investigadores recortaron los datos porque tenían tiempo libre.

Pero el trabajo valió la pena, dijo Pamela Soltis.

“La comunidad de plantas obtuvo más de 1,000 conjuntos de secuencias”, dijo Soltis, quien también dirige el Instituto de Biodiversidad de la UF. “¿Quién puede discutir con eso? Todas estas ramas de la planta del árbol de la vida han sido rellenadas “.

Un sello distintivo de la evolución de las plantas, y una característica que rara vez se ve en los animales, es la frecuencia de la duplicación del genoma. Una y otra vez, los linajes duplicaron, triplicaron o incluso cuadruplicaron su conjunto completo de genes, lo que resultó en tamaños genómicos masivos. Si bien el propósito de la duplicación del genoma completo aún no está claro, los científicos sospechan que puede impulsar la innovación evolutiva: si tiene dos copias de genes, una copia puede desarrollar gradualmente una nueva función.

Abordar la frecuencia de la duplicación del genoma completo en las plantas era uno de los objetivos de 1KP, dijo Douglas Soltis. Si bien las plantas con flores y los helechos ya eran famosos por la duplicación del genoma, Soltis dijo que 1KP descubrió una serie de eventos de duplicación previamente desconocidos en estos grupos, así como en las gimnospermas, el grupo de plantas que incluye a las coníferas.

Otros linajes de plantas tomaron una ruta diferente, expandiendo ciertas familias de genes en lugar de copiar todo su genoma. También se cree que esto proporciona nuevas vías para el desarrollo evolutivo y, como era de esperar, el equipo de investigación descubrió una importante expansión de genes justo antes de la aparición de las plantas vasculares, plantas terrestres con xilema y floema, células especiales para transportar agua y nutrientes.

Pero Douglas Soltis dijo que las expansiones de genes no siempre se corresponden con los principales hitos evolutivos de las plantas.

“No hay mucha expansión antes de que aparezcan las plantas con semillas o para las plantas con flores”, dijo. “De hecho, las plantas con flores en realidad redujeron ciertas familias de genes, lo que puede ser una señal de que simplemente se apropiaron de genes existentes para nuevas funciones”.

Otro hallazgo sorprendente fue que los musgos, hepáticas y hornworts forman un solo grupo relacionado, lo que confirma una hipótesis centenaria que se había invertido en las últimas décadas.

“Hicimos un análisis parcial en 2014 que sugería que estas plantas eran parientes cercanos, pero mucha gente no lo creyó. Estos resultados subrayan esos hallazgos ”, dijo Pamela Soltis. “Va a sacudir el mundo del musgo”.

Si bien el proyecto refina nuestra comprensión de la evolución de las plantas y las relaciones entre los linajes, estos datos también son herramientas invaluables para hacer avanzar la ciencia de los cultivos, la medicina y otros campos, dijeron los investigadores.

La identificación de genes que se han duplicado en plantas con flores podría ayudar a los científicos a comprender mejor su función, lo que podría conducir a mejoras en los cultivos, dijo Pamela Soltis.

Y debido a que muchas plantas tienen beneficios medicinales, los datos genéticos que ofrece el proyecto 1KP podrían conducir a nuevos descubrimientos que mejoren la salud humana.

“Nos concentramos en obtener una gran cantidad de muestras silvestres recolectadas de linajes de plantas que se sabe que tienen una química importante con la esperanza de que la gente pudiera extraer este material en busca de nuevos compuestos”, dijo Douglas Soltis.

Las secuencias generadas por el equipo de 1KP son de acceso público a través de CyVerse Data Commons.

“Probablemente cientos de artículos han utilizado los datos de formas que ni siquiera conocemos”, dijo Pamela Soltis. “Ese es un aspecto genial de este estudio”.

Pero el equipo de 1KP tiene poco tiempo para celebrar su logro. ¿El próximo objetivo? Secuenciación de 10.000 genomas.

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Referencia: “Mil transcriptomas vegetales y filogenómica de plantas verdes” por la Iniciativa One Thousand Plant Transcriptomes, 23 de octubre de 2019, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-019-1693-2

Matthew Gitzendanner, Evgeny Mavrodiev y Grant Godden del Museo de Florida y Emily Sessa del departamento de biología de la UF también fueron coautores del estudio. James Leebens-Mack de la Universidad de Georgia es coautor correspondiente.

La iniciativa 1KP fue financiada por el Ministerio de Educación Avanzada de Alberta y Alberta Innovates, Musea Ventures, el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de la República Popular China, el Laboratorio Estatal Clave de Genómica Agrícola y el laboratorio clave provincial de Guangdong. Las actividades de secuenciación en BGI también fueron apoyadas por el Gobierno Municipal de Shenzhen de China. El China National GeneBank, el Texas Advanced Computing Center, WestGrid y Compute Canada proporcionaron soporte computacional. La Fundación Nacional de Ciencias, la iPlant Collaborative, financiada por NSF, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Alemana de Investigación y el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá proporcionaron apoyo adicional.

La cita anterior de Gane Ka-Shu Wong apareció por primera vez en un comunicado de prensa conjunto publicado por la Universidad de Georgia y la Universidad de Alberta.

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