El análisis del genoma de Ceratopteris proporciona pistas para resolver el antiguo misterio de por qué los helechos, en promedio, retienen más ADN que otras plantas. Las comparaciones con los genomas de otros grupos también condujeron al sorprendente descubrimiento de que los helechos robaron los genes de varias de sus toxinas anti-herbivoría de las bacterias. Crédito:David Randall, Universidad de Western Sydney
Los helechos son conocidos por contener cantidades masivas de ADN y una cantidad excesivamente grande de cromosomas. Desafiando todas las expectativas, un helecho no más grande que un plato de comida ostenta actualmente el título de mayor recuento de cromosomas, con la friolera de 720 pares en cada uno de sus núcleos. Esta inclinación de los helechos por acumular ADN ha dejado perplejos a los científicos, y el tamaño intratable de sus genomas ha dificultado su secuenciación, ensamblaje e interpretación.
Ahora, dos artículos publicados en la revista Nature Plants están reescribiendo la historia con los primeros genomas completos de helechos homosporosos, un gran grupo que contiene el 99 % de toda la diversidad de helechos modernos.
"Cada genoma cuenta una historia diferente", dijo el coautor Doug Soltis, un distinguido profesor del Museo de Historia Natural de Florida. "Los helechos son los parientes vivos más cercanos de todas las plantas con semillas, y producen disuasivos químicos para los herbívoros que pueden ser útiles para la investigación agrícola. Sin embargo, hasta ahora, han seguido siendo el último linaje importante de vida verde sin una secuencia genómica".
Dos equipos de investigadores revelaron por separado el genoma de Ceratopteris (Ceratopteris richardii) este jueves y el del helecho arbóreo mono araña volador (Alsophila spinulosa) el mes pasado.
El análisis del genoma de Ceratopteris proporciona pistas para resolver el antiguo misterio de por qué los helechos, en promedio, retienen más ADN que otras plantas. Las comparaciones con los genomas de otros grupos también condujeron al sorprendente descubrimiento de que los helechos robaron los genes de varias de sus toxinas anti-herbivoría de las bacterias.
El genoma de Ceratopteris contradice una teoría de hace décadas y deja más preguntas que respuestas
Desde la década de 1960, la explicación más favorecida de por qué los helechos contienen tanto ADN invocaba duplicaciones desenfrenadas del genoma completo, en las que un conjunto adicional de cromosomas se transmite accidentalmente a la descendencia de un organismo. Esto a veces puede ser beneficioso, ya que todos los genes adicionales pueden usarse como materia prima para la evolución de nuevos rasgos. De hecho, la duplicación del genoma completo se ha implicado en el origen de casi todas las plantas de cultivo.
La duplicación del genoma completo es común en las plantas e incluso en algunos animales, pero la mayoría de los organismos tienden a desechar el bagaje genético adicional con el tiempo, reduciéndose a genomas más pequeños que son metabólicamente más fáciles de mantener.
"Este ha sido un punto importante de discusión durante el último medio siglo y ha llevado a todo tipo de resultados contradictorios", dijo el autor principal Blaine Marchant, becario postdoctoral en la Universidad de Stanford y exestudiante graduado del Museo de Florida. "Tratar de descubrir el proceso evolutivo que subyace a esta paradoja es increíblemente importante".
Con los primeros genomas de helechos homosporosos completamente ensamblados, los científicos finalmente estaban preparados para abordar esta pregunta, pero llegar allí no fue fácil. La secuenciación del genoma grande y complejo de Ceratopteris tomó más de ocho años de trabajo y el esfuerzo combinado de docenas de investigadores de 28 instituciones de todo el mundo, incluido el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU. El resultado final fue de 7,46 gigabases de ADN, más del doble del tamaño del genoma humano.
Si Ceratopteris hubiera acumulado ADN a través de repetidos eventos de duplicación del genoma, los investigadores esperaban que grandes porciones de sus 39 pares de cromosomas fueran idénticos. En cambio, lo que encontraron fue una mezcla de secuencias repetitivas y millones de fragmentos cortos llamados genes saltadores, que representaban el 85% del ADN del helecho. En lugar de múltiples copias del genoma, Ceratopteris contiene principalmente desechos genéticos acumulados durante millones de años.
"Los genes funcionales están separados por grandes cantidades de ADN repetitivo. Y aunque todavía no estamos seguros de cómo los genomas de Ceratopteris y otros helechos se hicieron tan grandes, está claro que la opinión predominante de episodios repetidos de duplicación del genoma no es compatible", dijo. coautora Pam Soltis, curadora del Museo de Florida y profesora distinguida.
Los autores señalan que es demasiado pronto para sacar conclusiones firmes, especialmente porque este es el primer análisis de su alcance realizado en este grupo. Las comparaciones cruzadas con genomas de helechos adicionales en el futuro ayudarán a obtener una imagen más clara de cómo evolucionaron estas plantas.
Aún así, los resultados apuntan a una clara diferencia en la forma en que los helechos homosporosos manejan su contenido genético en comparación con casi todas las demás plantas, dijo Marchant.
"Lo que parece que estamos encontrando es que cosas como las plantas con flores, que en promedio tienen genomas mucho más pequeños que los helechos, son mejores para deshacerse del ADN basura. Son mejores para eliminar los cromosomas sobrantes e incluso reducir el tamaño después de pequeñas duplicaciones".
Los helechos robaron repetidamente toxinas de las bacterias
Una mirada más cercana a los miles de millones de pares de bases de ADN dentro de Ceratopteris reveló múltiples genes de defensa que codifican un tipo particularmente siniestro de toxina formadora de poros. Estas toxinas se unen a las células, donde se activan y forman pequeños anillos huecos que perforan su camino hacia la membrana celular. El agua inunda las celdas a través de los orificios resultantes, lo que hace que se rompan.
Los científicos han estudiado intensamente las toxinas formadoras de poros por su uso potencial en la tecnología de nanoporos, explicó Marchant. Sin embargo, con mayor frecuencia se encuentran en bacterias.
"Esta es la primera evidencia concreta de estos genes relacionados con toxinas bacterianas dentro del ADN del helecho", dijo Marchant, y señaló que la similitud no es una coincidencia.
En lugar de desarrollar esta toxina por sí sola, Ceratopteris parece haberla obtenido directamente de bacterias a través de un proceso llamado transferencia horizontal de genes. Y dado que había múltiples copias del gen repartidas entre tres cromosomas separados, es probable que esto sucediera más de una vez.
"Lo que es fascinante es que muchas copias de estos genes aparecen en diferentes partes de la planta", dijo. "Algunos se expresan mucho en el tallo y las raíces, mientras que otras copias se expresan únicamente en las hojas, y otras generalmente se expresan en todos los tejidos. No podemos estar seguros de la función exacta de estos genes en este momento, pero su similitud con el Los genes que forman toxinas en las bacterias ciertamente sugieren que estos genes están relacionados con la defensa".
Esta no sería la primera vez que los helechos incorporan ADN extraño en sus genomas. Un estudio de 2014 indica que los helechos pueden haber desarrollado su capacidad característica para crecer en ambientes sombreados tomando prestados genes de plantas lejanamente relacionadas.
Sin embargo, aún no está claro cómo los organismos separados por millones de años de evolución pueden intercambiar genes completamente funcionales.
"Los mecanismos detrás de la transferencia horizontal de genes siguen siendo una de las áreas menos investigadas de la evolución de las plantas terrestres", explicó Doug Soltis. "En escalas de tiempo evolutivas, es un poco como ganar la lotería. Cada vez que una planta resulta herida, su interior es susceptible a la invasión de microbios, pero que su ADN se incorpore al genoma parece asombroso".
Los autores dicen que este es simplemente el primer paso de una larga serie de estudios con aplicaciones prácticas que van desde el desarrollo de nuevos biopesticidas hasta nuevas e innovadoras estrategias de conservación.
Varios de los autores están involucrados en el esfuerzo actual por secuenciar los genomas de todos los organismos eucariotas conocidos en un plazo de 10 años. Llamado Proyecto Biogenoma de la Tierra, el esfuerzo generará recursos genómicos incalculables que los investigadores tendrán sus manos ocupadas analizando en el futuro previsible. El genoma del helecho arborescente proporciona información sobre su evolución
