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La diversidad biológica como factor de producción


Con la ayuda de nuevas herramientas de secuenciación y ensamblaje genómico, los científicos de plantas pueden aprender más sobre la función y evolución de los patógenos de plantas altamente destructivos que se niegan a ser domesticados por fungicidas, antibacterianos y antivirales.


por la Universidad Técnica de Munich


Pero usar estas tecnologías genómicas no es una tarea fácil. El proceso no solo requiere tiempo, sino también dinero. En un artículo reciente publicado en Molecular Plant-Microbe Interactions , David Haak y John McDowell, de la Facultad de Ciencias Vegetales y Ambientales de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, demostraron que estos costosos procesos pueden mejorarse combinando dos generaciones de tecnología.

Lo que solía llevar un año y medio y $ 2 millones en completarse ahora se puede hacer dentro de nueve días por $ 1,000, y la tecnología funciona con mayor precisión y aplicabilidad en el campo que nunca antes.

«Piense en ello como análogo a una biblioteca llena de libros que están completamente escritos en dos tercios o tres cuartos. Lo que David ha desarrollado es una tecnología a través de la cual podría ir a la biblioteca y terminar esos libros de manera muy rápida y precisa. precio realmente bajo «, dijo McDowell, profesor de biotecnología de JB Stroobants.

Antes de que este proyecto comenzara, Haak, un profesor asistente, y su equipo habían intentado demostrar que era posible generar un ensamblaje completo en un período de tiempo relativamente corto, pero necesitaban un genoma relativamente complejo para probar su teoría. Algunas conversaciones en el pasillo más tarde, Haak y sus estudiantes unieron fuerzas con McDowell y su equipo para desentrañar el complejo genoma de Phytophthora capsici .

» P. capsici es un representante de un grupo de patógenos realmente destructivo. Su primo evolutivo es el patógeno que causó la hambruna irlandesa de la papa en el siglo XIX, que mató al menos a un millón de personas y provocó la reubicación de al menos un millón más. los patógenos siguen causando dificultades hoy «, dijo McDowell. «Una de las razones es que sus genomas están exquisitamente configurados para permitirles evolucionar en torno a las intervenciones que los agricultores implementan en el campo».

Una imagen microscópica de una raíz grande, que divide la foto en dos secciones diagonales. A cada lado de la raíz, hay muchas esporas de P. capsici , que se parecen a las piruletas.

Una imagen de esporas de P. capsici que se unen a una raíz de Arabidopsis e inician el proceso de penetración. John Herlihy para Virginia Tech.

En esta especie de patógeno, los genes de virulencia a menudo se encuentran en regiones pobres en genes intercaladas con regiones repetitivas dentro del genoma. Estas regiones repetitivas son propensas a una rápida evolución y son la clave para comprender su patogenicidad o su capacidad para causar enfermedades.

Para comprender mejor el funcionamiento interno de P. capsici , los científicos deben extraer una muestra de ADN del patógeno y realizar una secuenciación genética. La secuenciación genética es un proceso que determina el orden de las bases nitrogenadas (o As, Cs, Gs y Ts) que forman el ADN de un organismo.

Sin embargo, la secuenciación genómica solo puede leer una cierta cantidad de segmentos de ADN a la vez. Luego, los científicos deben tomar estas pequeñas secuencias y volver a ensamblarlas para que el ADN se presente en el orden correcto.

«Generar los datos de la secuencia no es realmente el problema. Es reunir esos datos. Es reunir la información de la secuencia en el orden correcto. Las regiones ricas en repetición nos hacen a veces juntar dos genes que no pertenecen o separan gen completo en dos mitades porque creemos que una repetición va justo en el medio «, dijo Haak.

Con todo, resolver el genoma de un organismo requiere tecnología poderosa y paciencia. Y aunque la tecnología bioinformática ha hecho grandes avances a lo largo de los años, cada generación no es necesariamente mejor que la anterior. Cada generación de tecnología tiene su propio fuerte.

Usando tecnología de primera generación, tomaría un año y medio y alrededor de $ 2 millones para secuenciar el genoma de P. capsici . Pero con la tecnología de Haak, tomará solo nueve días desde la extracción de ADN hasta un ensamblaje pulido, y solo costará $ 1,000. Para mejorar aún más las cosas, esta tecnología podrá secuenciar 100,000 veces más información en aproximadamente el 1.5 por ciento del tiempo. Y la tecnología es del tamaño de una memoria USB.

La tecnología de segunda generación realiza conjuntos de lectura cortos, que son extremadamente precisos; sin embargo, no abarcan bien las regiones repetitivas. Y cuando los científicos deben regresar y reensamblar el genoma, existe una posibilidad razonable de error.

«Lo que sucede con las lecturas cortas es que no sabemos dónde comienzan y terminan esas repeticiones, por lo que no sabemos dónde colocarlas para organizarlas adecuadamente», dijo Haak.

Oxford Nanopore Technologies (ONT) MinION, o secuenciación de lectura larga, es la tercera generación de tecnología de secuenciación, pero tiene el problema opuesto: es mucho menos precisa pero puede darles una mejor imagen general al abarcar estas regiones repetitivas críticas .

Haak y su equipo combinaron estas tecnologías de segunda y tercera generación para explotar la precisión de la primera con la capacidad de abarcar las regiones repetidas de la segunda. Es lo mejor de ambos mundos.

Al usar esta nueva tecnología en P. capsici , Haak y McDowell se sorprendieron bastante. Haak y su grupo revelaron que el genoma es 1.5 veces más grande de lo que se pensaba.

«Eso es el 30 por ciento del genoma que ni siquiera sabíamos que existía, y esa fracción particular del genoma, sin duda, está enriquecida con los tipos de genes que realmente marcan la diferencia al ayudarnos a comprender qué interactúa con la planta o responde fungicidas o spray para granjeros «, dijo McDowell.

Para Haak, lo más emocionante de los resultados de este documento es su prueba de concepto.

«Tenemos algo llamado la base de datos de archivo de secuencias, que está llena de todo tipo de secuencias de lectura corta. De hecho, podemos aprovechar todos esos datos existentes con esta tecnología más nueva para poder producir más genomas de esta calidad», dijo Haak.

Se espera que la nueva generación de tecnología de Haak revolucione la forma en que los científicos recopilan datos genómicos. Con sus datos recientemente adquiridos, asequibles y en tiempo real, los científicos podrán mejorar los ensamblajes anteriores y generar rápidamente nuevos que pueden compartir en la base de datos de archivos de secuencia. En una escala mayor, esta tecnología avanzará el campo de la genómica de las plantas y el esfuerzo mundial para salvar a la industria de cultivos de patógenos destructivos.

Ahora que Haak y McDowell tienen un 97 por ciento estimado del genoma de P. capsici en sus manos, planean usar esta información como datos de respaldo para dos nuevas propuestas de subvención. Una propuesta se centrará en las enfermedades del tomate y la soja causadas por patógenos del grupo Phytophthora y la otra propuesta se centrará en la lavanda, otra víctima de Phytophthora.

Para Haak, este proyecto fue especial porque fue apoyado por una subvención del Instituto de Ciencias de la Vida Fralin en Virginia Tech con fondos asignados para apoyar el Área de Destino de Ciencia de Sistemas Globales.

McDowell agregó: «Creo que habla sobre el medio ambiente aquí en Virginia Tech, promovido por Fralin, que permite que este tipo de colaboraciones se unan y obtengan un apoyo crítico en la fase inicial».


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