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Trabajo final - Misterios del genoma del maíz (Zea mays)...

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FCQB - UAS

EL GENOMA DEL MAÍZ

VALENZUELA CASTRO YANELIT MARISOL Biotecnología Genómica 3-1 GENÓMICA ESTRUCTURAL Dr. Ricardo Parra Unda

ZEA MAYS - “El Genoma del maíz”

ZEA MAYS EL GENOMA DEL MAÍZ

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ZEA MAYS - “El Genoma del maíz”

ÍNDICE I. INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................................3 II. DESARROLLO ..................................................................................................................................4 2.1. EL GENOMA DEL MAÍZ B73......................................................................................................5 2.1.1 ENSAMBLAJE DE NOVO .....................................................................................................7 2.1.2. IDENTIFICACIÓN DE GENES SALTARINES ..........................................................................8 2.3. EL GENOMA DEL MAÍZ PALOMERO .......................................................................................10 III. CONCLUSIÓN ...............................................................................................................................11 IV. FUENTES CONSULTADAS .............................................................................................................12

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ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” I. INTRODUCCIÓN El maíz (Zea mays) es una especie de gramínea anual originaria

y

domesticado por los pueblos indígenas en el centro de México desde hace unos 10 000 años, e introducida en Europa en el siglo XVII. Es un cultivo económicamente importante, junto con el arroz y el trigo. Además de ser utilizado como grano y forraje, también se usa ampliamente en la producción farmacéutica o como materia prima para otros productos químicos orgánicos como el caucho, el etanol y el plástico. Además de su importancia económica, ha sido un modelo de planta clásico para estudios genéticos durante décadas. Continuamente se está estudiando su genotipo y por tratarse de una planta monoica aporta gran información ya que posee una parte materna (femenina) y otra paterna (masculina) por lo que se pueden crear varias recombinaciones (cruces) y crear nuevos híbridos para el mercado. Los nuevos datos servirán para facilitar la creación de nuevas variedades que tengan, por ejemplo, mayor valor nutritivo, menor necesidad de fertilizantes o una mejor adaptación a condiciones climáticas variables. Los objetivos de esto cruzamientos van encaminados a la obtención de altos rendimientos en producción.

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II. DESARROLLO El maíz (Zea mays), se originó en una planta que vive en Centroamérica, el teosinte y es cultivado por el hombre desde hace alrededor de 10 mil años. Durante ese tiempo se ha convertido, junto con el arroz y el sorgo, en uno de los tres cereales más cultivados del mundo, tanto para la alimentación humana como para la fabricación de piensos para animales o de biocombustibles. La dependencia del maíz como base alimenticia por parte de México es significativa, y se debe a que desde épocas precolombinas fue la base de la alimentación, junto con el cacao, el chile y la calabaza. Sin embargo, a pesar de esta extraordinaria riqueza cultural, la ciencia mexicana del siglo XX se interesó muy poco en conocer a fondo la biología de su FIGURA 1. Consumo de maíz en diferentes partes del mundo.

alimento predilecto. ¿Cómo es que

el maíz forma mazorcas tan diferentes a cualquier otro cereal comestible o silvestre? ¿Cómo es que forma hileras de hojas verticales que se mantienen en el mismo eje con respecto al sol? ¿Cómo logran ciertas razas de maíz resistir a la sequía? ¿De qué depende el tamaño de sus semillas y su contenido de proteínas esenciales para el ser humano?, Si bien la respuesta a estas preguntas se encuentra estrechamente asociada con sus características, pocos eran los genetistas que se dedicaban a tratar de contestarlas. Hace algunos años, un equipo científico internacional se dio a la tarea de descifrar la totalidad de su ADN, lo que nos ayuda a entender como nunca antes por qué el maíz, y no otra planta, es hoy el cultivo más productivo y ampliamente 4

ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” sembrado en el mundo y podrá tener importantes consecuencias en el desarrollo futuro de variedades resistentes a condiciones ambientales extremas como las altas temperaturas o la sequía.

2.1. EL GENOMA DEL MAÍZ B73 La secuenciación completa del genoma del maíz correspondiente a la línea B73 y en base a la secuenciación de Sanger, se publicó por primera vez en 2009 por la revista “Science” (FIG.2.). Los cerca de 150 expertos en genética de diferentes centros de investigación que participaron en dicha iniciativa, dirigida por la Universidad Washington en St-Louis (Misuri, centro), revelaron que es el modelo genético más grande hasta ahora

FIGURA 2. Portada de la revista “Science”, donde se publicó la

elaborado para cualquier especie de planta. Contiene

secuenciación completa del genoma del maíz el 20/11/2009.

alrededor de 32,540 genes insertados en 10 pares de cromosomas y 150 miRNAs. Además, el código genético del maíz es extraordinariamente grande, pues contiene 2,300 millones de bases de ADN, su tamaño se acerca al del hombre que tiene 2,900 millones. El 85% del genoma está compuesto por transposones divididos en 855 familias. Posee alrededor de 40,000 inserciones Mu no redundantes en regiones ricas en FIGURA 3. Diagrama del genoma del maíz correspondiente a la línea B73.

genes,

donde

la

tasa

de

recombinación meiótica es muy alta. 5

ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” 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 (~20,000 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

Arabidopsis

arroz mostró

y

la que

compartían 8,494 familias

TABLA 1. Análisis Comparativo

de genes (Tabla 1.). Además se observó que el 91% de los genes eran transcritos a ARNm (29,541 de 32,540). Como suele suceder en el caso de las plantas, el maíz tiene dos genomas separados pero mezclados que reflejan una evolución de miles de años. Además, el maíz cuenta con 1,600 genes únicos e inexistentes en las otras plantas conocidas, lo que lo hace aún más auténtico. “Las empresas productoras de granos y los expertos en genética del maíz van a precipitarse sobre estos datos para encontrar sus genes favoritos”, destacó Richard Wilson, director del Centro del genoma de la facultad de medicina de la Universidad Washington, que dirigió el estudio financiado por la Fundación Nacional de las Ciencias y los departamentos de Agricultura y Energía estadounidenses.

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ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” 2.1.1 ENSAMBLAJE DE NOVO El primer genoma de referencia para el maíz, sin duda fue un hito importante. Sin embargo, a la secuencia de 2009 le faltaron dos cosas. La llamada tecnología de secuenciación de primera generación no podía resolver el gran número de secuencias repetitivas en el genoma del maíz, y tendía a perder un número significativo de espacios entre genes. El conjunto original se compone de más de 100,000 pequeños cóntigos, muchos de los cuales fueron arbitrariamente ordenados y orientados. Debido a que tantas piezas diminutas tuvieron que ser “cosidas” juntas para formar un todo, se complicaba realizar análisis detallados de locis individuales e impedía la investigación de regiones intergénicas cruciales para nuestra comprensión de la variación fenotípica y la evolución del genoma. Ante esta problemática, Doreen Ware y sus colegas del Cold Spring Harbor Laboratory, realizaron un nuevo ensamblaje utilizando la secuenciación en una sola molécula en tiempo real (SMRT) y el mapeo óptico de alta resolución. Los resultados obtenidos fueron publicados en la revista “Nature” el 12/06/17 El nuevo ensamblaje realizó mejoras sustanciales en el espacio de los genes, incluida la resolución de lagunas y ensamblajes incorrectos y la corrección del orden y la orientación de los genes. Relativo al genoma de referencia anterior, el nuevo conjunto presenta un aumento de 52 veces en la longitud del cóntigo y mejoras notables en el ensamblaje de espacios intergénicos y centrómeros. Además, la caracterización de la porción repetitiva del genoma reveló más de 130,000 elementos transponibles intactos, lo que nos permitió identificar expansiones de linaje de elementos transponibles que son exclusivas del maíz.

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FIGURA 4.. Diseño del ensamblaje del genoma A. Flujo de trabajo para la construcción del genoma. B. Ideogramas de maíz B73 versión 4 pseudomoleculas de referencia. La pista superior muestra posiciones de 2,522 huecos en las pseudomolecules, incluyendo 1,115 huecos en los cuales las longitudes fueron estimadas usando mapas ópticos del genoma (naranja), mientras que el resto (púrpura) tienen longitudes indeterminadas. Más de la mitad del conjunto está formado por contigs de más de 1 Mb, que se muestran como barras de color gris claro en la pista inferior.

Las anotaciones de genes se actualizaron utilizando 111,000 transcripciones de longitud completa obtenidas por secuenciación en una sola molécula en tiempo real. Además, el mapeo óptico comparativo de otras dos líneas de maíz endogámicas reveló una prevalencia de deleciones en regiones de baja densidad de genes y genes específicos del linaje de maíz.

2.1.2. IDENTIFICACIÓN DE GENES SALTARINES Los elementos transponibles, o transposones, ADN

que

son pueden

secuencias

de

moverse

de

manera autosuficiente dentro de un genoma (“genes que saltan”). Fueron descubiertos en el maíz por Barbara McClintock, genetista ganadora del Premio

Nobel

en

Fisiología

o

Medicina en 1983, y para entonces

FIGURA 5. Los transposones pueden influir en el fenotipo del grano del maíz.

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ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” muchos científicos consideraron que tenían poco papel en la genética. Otros sin embargo, incluyendo McClintock, pensaron que los transposones dentro de un genoma pueden tener papeles importantes en las células, incluyendo la regulación de la expresión génica. Ahora sabemos que los transposones se encuentran en la mayoría de los organismos, constituyendo más del 80% del genoma del maíz y casi el 50% del genoma humano. Se sabe que las inserciones de transposones y su impacto en la expresión génica influyen en la forma en que la planta de maíz interactúa con su medio ambiente. Por ejemplo, diferentes inserciones confieren tolerancia a la sequía, tiempo de floración alterado, capacidad para crecer en suelos ricos en aluminio tóxico y han permitido que el maíz se disemine a las latitudes templadas al romper la sensibilidad a los días largos de los trópicos. Y ampliamente, las inserciones de elementos transponibles han demostrado alterar la expresión génica en condiciones de estrés.

En breves palabras, los transposones pueden regular y

cambiar la expresión de los genes cercanos dependiendo de dónde “aterrizan” en el genoma. Es muy importante saberlo, pero resultaba bastante difícil de identificar cuando no se sabía dónde estaban en la secuencia del genoma. Se identificaron genes que influyen en su adaptación climática "El estudio identificó 100 genes, entre los ~35,000 que componen el genoma del maíz, que influyen en la adaptación a la latitud, la altitud, la temporada de crecimiento y el punto en el que las plantas de maíz florecen en el campo", detalló un comunicado sobre este estudio publicado en la revista “Nature” el pasado febrero 2017. El descubrimiento abre oportunidades para explorar y utilizar la diversidad de razas terrestres para ayudar a los criadores a adaptar los cultivos al cambio climático y otros desafíos emergentes.

Para esto, Michelle Stitzer, estudiante de postgrado de UC Davis, basándose en la publicación de “Nature” el pasado Junio, creó algoritmos computacionales

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ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” para identificar elementos individuales transponibles a través de todo el genoma, lo que nunca se había hecho antes Damon Lisch, profesor de la Universidad de Purdue, que estudia la regulación y evolución de los transposones en plantas dijo: “Simplemente no podemos entender la complejidad de los genomas de las plantas a menos que podamos identificar los elementos transponibles. La obra de Michelle proporciona una hoja de ruta inestimable que nos permite comenzar a desenredar la diversidad de todos los elementos genéticos que conforman el genoma del maíz “. Ahora que el genoma del maíz está completamente secuenciado y se han determinado las ubicaciones de los transposones, un nuevo campo de investigación se está abriendo más allá del papel de los genes individuales en el maíz, determinando el papel de los transposones individuales.

2.3. EL GENOMA DEL MAÍZ PALOMERO Después de secuenciar el primer genoma de maíz, los investigadores abordaron otras variedades de maíz para comparar. Luis Herrera-Estrella y sus colegas del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV) en Irapuato, México, secuenciaron una variedad de maíz del altiplano mexicano llamada Palomero toluqueño. Esta cepa antigua, ideal para hacer palomitas de maíz, se separó de B73 hace unos 9,000 años, en la época en que el maíz se domesticó por primera vez a partir del teosinte de hierba. Se eligió porque de él se derivan otros maíces que se usan comercialmente y por tener un genoma más pequeño respecto a variedades que se están secuenciando en Estados Unidos. El estudio arrojó que el genoma del maíz 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 10

ZEA MAYS - “El Genoma del maíz” 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. Un logro para México … Investigadores del LANGEBIO lograron detectar genes involucrados con resistencia a enfermedades que dañan el maíz, tolerancia a sequía, eficiencia en el uso de fertilizantes y productividad, los cuales podrían ser patentados y beneficiar a los productores mexicanos.

III. CONCLUSIÓN Todas las investigaciones realizadas hasta la fecha, indican que el maíz es un tipo de planta potencialmente muy diferente a cualquier otra, debido a la forma en que sus genes son capaces de expresarse, dependiendo de una variedad de condiciones, tanto internas a la planta o del entorno circundante, por ejemplo, niveles de humedad del suelo, nutrientes, o la luz que está disponible. Así, las posibilidades de desarrollo alternativos, están disponibles para cada individuo de maíz.

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IV. FUENTES CONSULTADAS Schnable, P. S. et al. The B73 maize genome: complexity, diversity, and dynamics.

Science 326, 1112 –1115 (2009) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/?term=ZEA%20MAYS https://www.conacyt.gob.mx/cibiogem/index.php/maiz http://science.sciencemag.org/content/326/5956/1112 http://www.jornada.unam.mx/2009/11/20/ciencias/a02n1cie http://www.eluniversal.com.co/cartagena/ciencia-y-tecnologia/secuencia-de-genoma-delmaiz-gran-potencial-para-la-industria-aliment http://www.elmundo.es/elmundo/2009/11/19/ciencia/1258661261.html http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:http://www.divulgacion.ccg.una m.mx/webfm_send/106 https://www.nature.com/articles/nature22971 https://www.nature.com/news/2009/091119/full/news.2009.1098.html http://www.chilebio.cl/?p=6584 https://www.ucdavis.edu/news/tracking-down-jumping-genes-maize/ http://www.porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=1¬ e=129 http://www.eltiempo.com/vida/ciencia/genes-del-maiz-para-adaptarse-al-cambioclimatico-48342 http://imagenagropecuaria.com/2007/concluyen_mapa_genetico_de_maiz_en_mexico/ http://biologos-unalm.blogspot.mx/2009/12/secuenciado-el-genoma-del-maiz.html http://ciencias.pe/noticias/la-gran-diversidad-del-genoma-del-ma%C3%ADz-sorprendecient%C3%ADficos

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