Un estudio dilucida el proceso de evolución del genoma de la caña de azúcar

Tras diferenciarse hace entre 2,5 y 3,5 millones de años, las especies genitoras de la cañamiel moderna sufrieron autoduplicaciones cromosómicas espontáneas, antes de que el hombre las cruzara hace poco más de un siglo

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Con más de siete millones de hectáreas plantadas y una producción anual de 480 millones de toneladas, Brasil es el mayor productor mundial de caña de azúcar y el líder en tecnología de etanol, de acuerdo con información de la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa). Sin embargo, pese a la importancia de este producto en la economía brasileña y de todo el esfuerzo de investigación orientado hasta ahora hacia el sector, la evolución del genoma de la caña de azúcar constituyó hasta hace poco tiempo un tema poco comprendido. Pero un nuevo estudio ha llegado para realizar un aporte sustancial a su dilucidación. Se trata de “Analysis of three sugarcane homo/homeologous regions suggests independent polyploidization events of Saccharum officinarum and Saccharum spontaneum”, publicado en Genome Biology and Evolution.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP a través de los proyectos de investigación intitulados “Variación alélica en caña de azúcar: cuantificación del polimorfismo de secuencia” y “Sugarcane genome sequence: plant transposable elements are active contributors to gene structure variation, regulation and function”.

Aunque parece una planta sencilla, la caña de azúcar moderna posee un genoma sumamente complejo. “El objetivo de este estudio consistió en entender de qué manera se constituyó ese genoma y cómo funciona”, declaró Mariane de Mendonça Vilela, primera autora del artículo, a Agência FAPESP.

Una de las causas de esta complejidad genómica es la tendencia de la caña a la poliploidía, es decir, a la multiplicación de cromosomas homólogos. “El genoma de la mayoría de los organismos, el organismo humano inclusive, es diploide, esto es, tiene dos copias por cada cromosoma: cada una de estas copia es provista por uno de los genitores. Pero el género Saccharum, al cual pertenecen la caña de azúcar moderna y sus especies antecesoras, es poliploide: tiene más de dos copias de cada cromosoma. En la caña de azúcar moderna, la cantidad de cromosomas homólogos varía de 8 a 14. Y este número no es el mismo para todos los cromosomas, lo que complica más aún el estudio de este genoma”, afirmó De Mendonça Vilela.

Además de esta causa, existe otra, derivada de la propia historia del desarrollo de la caña. “La caña de azúcar moderna es un producto de la acción humana, resultante del cruzamiento de la especie Saccharum officinarum con la especie Saccharum spontaneum hace poco más de un siglo. El propósito de ese cruzamiento fue producir una planta capaz de reunir las mayores virtudes de ambas especies: la riqueza en azúcar de la officinarum y la rusticidad de la spontaneum”, dijo Luiz Eduardo Vieira Del Bem, quien compartió con De Mendonça Vilela la primera autoría del artículo.

Tras ese primer cruzamiento, para aumentar el tenor de azúcar, se hicieron nuevos cruzamientos del híbrido con la variedad officinarum, lo que hizo que, generación tras generación, la frecuencia del genoma de la officinarum aumentase con relación a la del genoma de la especie spontaneum, llegando actualmente, según el investigador, a la proporción de un 80% para un 20%. “Un ‘efecto colateral’ de esos cruzamientos sucesivos fue que ciertos cromosomas de las especies parentales terminaron perdiéndose y recombinándose entre sí en el proceso, lo cual redundó en una complejidad genómica mayor aún”, explicó Vieira Del Bem.

De este modo, entre las distintas variedades de la caña moderna es posible hallar contenidos cromosómicos diferentes, que van de 80 a 120 cromosomas. Estas variedades suelen encontrarse plantadas a pocos metros de distancia, una de un lado y la otra del otro lado de la carretera que cruza los cañamelares.

El vegetal más cercano a la caña es el sorgo. Ambos géneros se separaron en una época comprendida en el lapso de tiempo situado hace entre 7 y 9 millones de años, más o menos el mismo período en el cual el género Homo, al cual pertenece o hombre moderno, se separó del género Pan, al cual pertenece el chimpancé. Así como el hombre, el sorgo es diploide, al tiempo que el género Saccharum desarrolló la antes mencionada propensión a la poliploidía, que puede producirse tanto en los cruzamientos de una especie con otra como en los cruzamientos dentro de cada especie.

“Lo que logramos descubrir durante nuestro estudio fue que hubo al menos dos momentos de autoduplicación cromosómica en la especie officinarum luego de que la misma se diferenció de la especie spontaneum, hace entre 2,5 y 3,5 millones de años, y antes de que ambas especies fueran cruzadas por el hombre, hace poco más de un siglo. En el caso de la especie spontaneum, el escenario es más complicado, porque la cantidad de cromosomas es sumamente variable. Pero también descubrimos que hubo autoduplicaciones en el mismo período”, informó el investigador.

Una de las líneas de investigación de ese estudio apuntó a entender de qué manera se organiza el genoma para acomodar y armonizar esas multiplicaciones de cromosomas homólogos. “Cuando la cantidad de cromosomas aumenta, el número de genes aumenta proporcionalmente. ¿Qué mecanismos desarrolló la planta para reunir y estabilizar esa gran cantidad de genes? Ésta fue la pregunta que orientó a esa línea específica de investigación”, dijo De Mendonça Vilela.

“Algunos genes, especialmente los de regulación, que controlan el momento de florecimiento de la planta o la respuesta de ésta al estrés ambiental, por ejemplo, deben tener una expresión muy fina, muy bien definida; de no ser así, terminan por causar más daños que beneficios. Y nuestro estudio confirmó efectivamente esto. Observamos que, pese a que la caña de azúcar tiene de mínima ocho copias de cada cromosoma, no todas ellas se encuentran activas al mismo tiempo. Ésta es una información que podrá utilizarse eventualmente en alguna aplicación tecnológica futura”, subrayó la investigadora.

Las dataciones obtenidas en el estudio, que revelan que las autoduplicaciones cromosómicas de las especies genitoras ocurrieron con posterioridad a su diferenciación, hace entre 2,5 y 3,5 millones de años, se basaron en la llamada “teoría del reloj molecular”. Vieira Del Bem explicó este procedimiento en líneas generales.

“En el código genético existen varios tripletes de nucleótidos que codifican aminoácidos. Hay 64 tripletes posibles, pero sólo 20 aminoácidos. Se llega a la conclusión entonces de que existen mutaciones que no afectan a la función. La base cambia, pero el aminoácido codificado es el mismo, porque tripletes distintos producen aminoácidos iguales. Esas mutaciones son denominadas ‘sustituciones sinónimas’. La selección natural es incapaz de ‘verlas’, pues su existencia no altera a la proteína. De este modo, la selección natural no determina que aumente su frecuencia por ser beneficiosas, ni tampoco que se desechen por ser perjudiciales. Estos reemplazos, que a menudo quedan fluctuando en las poblaciones, constituyen o ‘tictac’ del ‘reloj molecular’. Basados en el índice de mutación en gramíneas, que ya se había determinado experimentalmente, y en la comparación de las secuencias de las regiones genómicas homólogas que analizamos, logramos calcular la cantidad de generaciones en que se duplicaron y, por derivación, el lapso de tiempo de las duplicaciones cromosómicas”, resumió.

“Nuestras conclusiones se basaron en la análisis de tres genes que –estamos casi seguros– son únicos, con sólo una copia en los genomas de las gramíneas en general. Uno de ellos es la cinasa TOR, que controla el crecimiento en respuesta a la nutrición. Otro es el gen Leafy, que controla el florecimiento. Y el tercero es el fitocromo C, que controla la fotorrecepción. Son tres genes cruciales para el desarrollo de la planta. Y que precisamente por eso, deben estar regulados de manera fina en el genoma”, comentó el profesor Michel Vincentz, del Instituto de Biología de la Universidad de Campinas (IB-Unicamp), quien coordinó el estudio y también suscribe el artículo publicado en Genome Biology and Evolution.

“La gran sorpresa consistió en descubrir que, debido al complejo proceso de autopoliploidización de las especies precursoras, genes homólogos pasaron a expresarse de manera distinta. Es un resultado nuevo en la literatura, que muestra que la complejidad del genoma de la caña de azúcar es mucho mayor de lo que imaginábamos. Parece que, en algún momento de la evolución de este genoma, se produjo una invasión de los loci cromosómicos por transposones [secuencias de ADN capaces de moverse de una zona a otra del genoma]. Y cuando el transposón se inserta en un locus cambia la expresión de ese locus”, concluyó el coordinador.