El maíz, importante cultivo que sirve de alimento para millones de personas en el mundo; base de las más deliciosas enchiladas, palomitas de maíz, canchita con cuerito de chancho y chicha morada y una de las principales fuentes de energía a través de los biocombustibles, ya tiene su genoma completamente secuenciado. Pero, por qué es importante conocer la secuencia genética de un organismo, en este caso, del maíz?
La respuesta más sencilla es por que lo podemos hacer. Las nuevas tecnologías de secuenciamiento como el shotgun, el pirosecuenciamiento o el SOLiD han revolucionado la genómica. En el caso del maíz, es de vital importancia, porque se podrá revolucionar su cultivo haciéndolo más sustentable, podremos determinar las bases de la heterosis (vigor híbrido) que hace de este cultivo tan diverso y adaptable a diferentes ecosistemas y podremos revelar el rol que cumplen los transposones en la evolución de su genoma.
El maíz ha sido domesticado hace ~10000 años a partir del teosinte. En el último siglo se ha aumentado su productividad y rendimiento en 8 veces gracias a la heterosis. El maíz ha tenido, a lo largo de su historia, muchas rondas de duplicación genómica (paleopoliploidia) hace 70 millones de años y la última hace 5 a 12 millones de años. El maíz posee 10 cromosomas, una estructura genómica diversa, con cambios dinámicos en la composición de su cromatina. El genoma del maíz se ha expandido 2.3 gigabases en los últimos 3 millones de años debido a la proliferación de retrotransposones de largas repeticiones terminales (LTR retrotransposons).
Para secuenciar el genoma del maíz se requirió de 16848 BACs y 63 fósmidos y se usó el secuenciamiento shotgun con una cobertura de 4 a 6X. Se uso la variedad de maíz B73. Se determinaron alrededor de 32540 genes y 150 miRNAs, el 85% del genoma esta compuesto por transposones divididos en 855 familias. Posee alrededor de 40000 inserciones Mu no redundantes en regiones ricas en genes, donde la tasa de recombinación meiótica es muy alta. Esto quiere decir que la variabilidad genética en estas zonas es muy alta, dando una serie de propiedades al maíz y una gran diversidad genética. Los helitrones (transposones que se replican mediante el mecanismo de círculo rodante) también son abundantes en el maíz (~20000 dividido en 8 familias) y también están ubicados en zonas ricas en genes.
En cuanto a los genes codificantes, el tamaño de los exones fue similar a sus ortólogos en el sorgo y el arroz, pero el maíz poseía intrones mucho más largos debido, probablemente, a la inserción de elementos repetitivos, un hecho muy común en el maíz. Un análisis comparativo con el sorgo, el arroz y la Arabidopsis mostró que compartían 8494 familias de genes (resumido en la siguiente tabla). Además se observó que el 91% de los genes eran transcritos a ARNm (29541 de 32540).
Para proteger la integridad del genoma, los transposones son transcripcionalmente silenciados, vía metilación de ADN dirigida por ARN (RdDM) que es dependiente de una ARN polimerasa 2 (RDR2). Si la RDR2 es mutada, se altera la acumulación de transcritos de muchos transposones, aunque ciertos transposones son regulados ante la ausencia de la RDR2. Como es de esperarse, la tasa de recombinación meiótica es mayor en lo extremos de los cromosomas que cerca a los centrómeros, aunque la densidad genética no explica que la distribución de los eventos de recombinación sean específicos y no aleatorios. Es probable que sean los marcadores epigenéticos los que indiquen donde deben darse las inserciones Mu y la recombinación meiótica.
Es muy conocido que el maíz tiene una riqueza genética y un alto número de fenotipos, esto debido a los cientos de copias variantes de muchos genes y si estos están presentes o no en el genoma. Ciertos genes pueden estar presentes en los individuos parentales mas no en los descendientes.
Como hemos podido apreciar, los transposones han tenido un gran impacto en la estructura del genoma del maíz, pero como se dio la domesticación de este importante cultivo?
Para esto, científicos del Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad en Mexico secuenciaron el genotipo EDMX-2233 del Palomero toluqueño (Palomero) y lo compararon con el B73. El genoma del Palomero es ~22% más pequeño que del B73 y posee 653 regiones con 100% de identidad. Posee regiones altamente conservadas pero muchas de ellas no las comparte con el teosinte. Estas regiones son muy importantes porque es aquí donde se puede encontrar la clave genética de la domesticación. En estas regiones no conservadas se encontraron 8 locus putativos de la domesticación, los cuales poseían ciertos genes que codificaban para proteínas relacionadas con el control epigenético del desarrollo de la planta y para la detoxificación de metales pesados como el transportador de cadmio (SMS1), la proteína multicobre oxidasa (MCO) y otros transportadores de metales pesados. También estas regiones tienen genes adicionales que codifican para el transportador fosfatidilinositol, proteína relacionada con la respuesta al estrés abiótico. Estos genes han podido haber aparecido en respuesta a la gran actividad volcánica de hace 10000 años en la región y han sido de vital importancia en la domesticación del maíz.
Pero, por qué el maíz ha sido un cultivo tan exitoso? La respuesta es su alto nivel de heterosis (vigor híbrido). La expresión diferencial de genes en híbridos de maíz heredados paternalmente. El maíz posee una gran diversidad en la expresión de los genes a pesar que tengan la misma carga genética. Se cruzaron recíprocamente 2 variedades de maíz la B73 y Mo17 (macho B73 x hembra Mo17 y macho Mo17 x hembra B73) y a pesar que poseían el mismo genoma nuclear, el patrón de expresión de los genes fue diferente (30 al 50% diferente).
Para estudiar mejor este fenómeno se usó la expresión de QTL (eQTL), cruzando híbridos Mo17xB73 con Mo17 y B73 para determinar la regulación expresión diferencial de ciertos genes en homocigosis y heterocigosis. Se observó que los 3/4 de los eQTL (78%) actúan de forma trans (de un cromosoma a otro) y que vienen de la vía paternal. Este estudio es muy importante porque se puede mejorar la heterosis de la planta de manera dirigida para obtener mejores rendimientos y productividad, pero, para esto, debe mejorarse la resolución del mapeo genético de los eQTLs.
Finalmente se resecuenciaron 4 cultivares más y se determinó el mapa haplotipo del maíz usando los SNP. Muchos de los cromosomas presentaban regiones pericentroméricas con una alta regulación de la recombinación, también se pudieron encontrar regiones de baja diversidad asociadas con la domesticación y diferenciación de grupos.
Como pueden ver, todas las puertas que se han abierto gracias al secuenciamiento del genoma del maíz, y como todos nosotros debemos tener presente, la riqueza de este cultivar está en su gran diversidad genética y fenotípica. Un mejor entendimiento de como funciona la heterosis nos daría la posibilidad de mejorar enormemente su productividad y rendimiento así como mejorar su adaptación a ambientes más extremos, sin la necesidad de depender de la importación de semillas genéticamente modificadas, que lo único que provocarían es la pérdida de toda esta riqueza genética.
http://www.maizegenome.org/
Descarga el póster: http://www.sciencemag.org/products/posters/maize_poster.pdf
Schnable, P., Ware, D., Fulton, R., Stein, J., Wei, F., Pasternak, S., Liang, C., Zhang, J., Fulton, L., Graves, T., Minx, P., Reily, A., Courtney, L., Kruchowski, S., Tomlinson, C., Strong, C., Delehaunty, K., Fronick, C., Courtney, B., Rock, S., Belter, E., Du, F., Kim, K., Abbott, R., Cotton, M., Levy, A., Marchetto, P., Ochoa, K., Jackson, S., Gillam, B., Chen, W., Yan, L., Higginbotham, J., Cardenas, M., Waligorski, J., Applebaum, E., Phelps, L., Falcone, J., Kanchi, K., Thane, T., Scimone, A., Thane, N., Henke, J., Wang, T., Ruppert, J., Shah, N., Rotter, K., Hodges, J., Ingenthron, E., Cordes, M., Kohlberg, S., Sgro, J., Delgado, B., Mead, K., Chinwalla, A., Leonard, S., Crouse, K., Collura, K., Kudrna, D., Currie, J., He, R., Angelova, A., Rajasekar, S., Mueller, T., Lomeli, R., Scara, G., Ko, A., Delaney, K., Wissotski, M., Lopez, G., Campos, D., Braidotti, M., Ashley, E., Golser, W., Kim, H., Lee, S., Lin, J., Dujmic, Z., Kim, W., Talag, J., Zuccolo, A., Fan, C., Sebastian, A., Kramer, M., Spiegel, L., Nascimento, L., Zutavern, T., Miller, B., Ambroise, C., Muller, S., Spooner, W., Narechania, A., Ren, L., Wei, S., Kumari, S., Faga, B., Levy, M., McMahan, L., Van Buren, P., Vaughn, M., Ying, K., Yeh, C., Emrich, S., Jia, Y., Kalyanaraman, A., Hsia, A., Barbazuk, W., Baucom, R., Brutnell, T., Carpita, N., Chaparro, C., Chia, J., Deragon, J., Estill, J., Fu, Y., Jeddeloh, J., Han, Y., Lee, H., Li, P., Lisch, D., Liu, S., Liu, Z., Nagel, D., McCann, M., SanMiguel, P., Myers, A., Nettleton, D., Nguyen, J., Penning, B., Ponnala, L., Schneider, K., Schwartz, D., Sharma, A., Soderlund, C., Springer, N., Sun, Q., Wang, H., Waterman, M., Westerman, R., Wolfgruber, T., Yang, L., Yu, Y., Zhang, L., Zhou, S., Zhu, Q., Bennetzen, J., Dawe, R., Jiang, J., Jiang, N., Presting, G., Wessler, S., Aluru, S., Martienssen, R., Clifton, S., McCombie, W., Wing, R., & Wilson, R. (2009). The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics Science, 326 (5956), 1112-1115 DOI: 10.1126/science.1178534
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