Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Las plantas parasitarias usan genes robados para hacerlos mejores parásitos


Algunas plantas parásitas roban material genético de sus plantas anfitrionas y usan los genes robados para extraer de manera más efectiva los nutrientes del huésped.


por la Universidad Estatal de Pennsylvania


Un nuevo estudio dirigido por investigadores de Penn State y Virginia Tech revela que la planta parásita ha robado una gran cantidad de material genético de sus anfitriones, incluidos más de 100 genes funcionales. Estos genes robados contribuyen a la capacidad de Dodder para aferrarse y robar nutrientes del huésped e incluso enviar armas genéticas nuevamente al huésped. El nuevo estudio aparece el 22 de julio de 2019, en la revista Nature Plants .

«La transferencia horizontal de genes, el movimiento de material genético de un organismo al genoma de otra especie, es muy común en los microbios y es una de las principales formas en que las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos», dijo Claude dePamphilis, profesor de biología en Penn State y senior. Autor del estudio. «No vemos muchos ejemplos de transferencia horizontal de genes en organismos complejos como las plantas, y cuando lo vemos, el material genético transferido generalmente no se usa. En este estudio, presentamos el caso más dramático conocido del gen funcional horizontal. transferencia jamás encontrada en organismos complejos «.

Las plantas parasitarias, como el forraje, no pueden vivir solas generando energía a través de la fotosíntesis. En su lugar, utilizan estructuras llamadas haustoria para aprovechar el suministro de agua y nutrientes de una planta huésped. Dodder se envuelve alrededor de su planta huésped, creciendo en su tejido vascular, y con frecuencia se alimenta de múltiples plantas al mismo tiempo. Puede parasitar muchas especies diferentes, plantas silvestres, así como las de importancia agrícola y hortícola.

«Las plantas parasitarias viven muy íntimamente en relación con su huésped, extrayendo nutrientes», dijo DePamphilis. «Pero también obtienen material genético en el proceso, ya veces incorporan ese material en su genoma. Estudios previos se centraron en genes transferidos únicos. Aquí, usamos conjuntos de datos a escala genómica sobre la expresión de genes para determinar si la gran cantidad de material genético que viene En realidad, a través de la transferencia horizontal de genes se está utilizando «.

El equipo de investigación identificó 108 genes que se han agregado al genoma de Dodder mediante transferencia horizontal de genes y ahora parecen ser funcionales en el parásito, lo que contribuye a la estructura de la haustoria, las respuestas de defensa y el metabolismo de los aminoácidos. Un gen robado incluso produce pequeños segmentos de ARN conocidos como micro ARN que se envían de vuelta a la planta huésped, actuando como armas que pueden desempeñar un papel en el silenciamiento de los genes de defensa del huésped.

Dodder puede alimentarse de múltiples plantas a la vez, incluyendo plantas de diferentes especies. Es un conocido parásito de las plantas silvestres, así como de importancia agrícola y hortícola. Crédito: Joel McNeal, Universidad Estatal de Kennesaw

El equipo utilizó criterios rigurosos para determinar si era probable que el material genético robado fuera funcional: los genes tenían que ser de longitud completa, debían contener todas las partes necesarias de un gen, tenían que transcribirse en una secuencia de ARN que luego se construye Las proteínas, y tenían que ser expresadas en estructuras relevantes. El equipo también exploró la evolución de estos genes transferidos como soporte adicional para la funcionalidad.

«Comparamos la secuencia genética de un gen con genes estrechamente relacionados, y buscamos una firma especial en la forma en que esa secuencia evoluciona para determinar si es probable que sea funcional», dijo DePamphilis. «Ciertos tipos de mutaciones en un gen no afectan la proteína que el gen codifica y, por lo tanto, no afectan la función del gen. Cuando vemos grandes cantidades de este tipo de mutaciones, a diferencia de las mutaciones que podrían cambiar o interrumpir la función del gen. , es una fuerte evidencia de que la selección natural está actuando para mantener las proteínas intactas y útiles «.

Dieciocho de los 108 genes aparecen en todas las especies de esquivadores, lo que sugiere que estos genes fueron robados originalmente por la forma ancestral de los esquivadores y se mantienen en las especies modernas.

«Esta es la primera vez que un estudio ha visto evidencia de que las transferencias horizontales de genes ocurrieron en una etapa temprana de la evolución de un grupo parasitario», dijo DePamphilis. «En este caso, 18 de estos genes estaban presentes en el antepasado común de todas las especies de dodder vivientes, lo que puede haber contribuido a la propagación exitosa de estos parásitos».

El equipo también identificó 42 regiones en el genoma de Dodder que parecen resultar de la transferencia horizontal de genes, pero no tienen ningún gen funcional.

Una nueva investigación revela que Dodder ha robado más de 100 genes. Estos genes contribuyen a la capacidad de los jugadores para atrapar y robar nutrientes. Crédito: Claude dePamphilis, estado de Penn

«Debido a que una cantidad tan enorme de material genético ha llegado a través de la transferencia horizontal de genes, sospechamos que las plantas parásitas no pueden filtrar lo que está llegando», dijo DePamphilis. «Pero la selección natural está ayudando a mantener los genes útiles y filtrar los segmentos menos útiles».

Los investigadores están investigando cómo se transfiere exactamente el material genético del huésped al parásito. También les gustaría explorar si esta transferencia es de una sola vía, o si el huésped puede obtener material genético de su parásito.

«Nos encantaría saber cuán extensa es realmente la transferencia horizontal de genes», dijo DePamphilis. «Observamos solo una de las especies de Dodder, que es solo una de las más de 4000 especies de plantas parasitarias. ¿La transferencia horizontal de genes funcionales tiene lugar en otras especies? ¿Es posible en plantas no parasitarias? En otras ¿Organismos complejos? Esta puede ser la punta del iceberg «.

Además de dePamphilis, el equipo de investigación incluye al primer autor Zhenzhen Yang, un estudiante graduado en el Programa de Posgrado de Biología Vegetal en Penn State en el momento de la investigación, así como los investigadores de Penn State Eric Wafula, Saima Shahid, Paula Ralph, Prakash Timilsina, Wen-bin Yu, Elizabeth Kelley, Huiting Zhang, Thomas Nate Person, Naomi Altman y Michal Axtell; Joel McNeal en la Kennesaw State University; y los investigadores de Virginia Tech Gunjune Kim y el coautor corresponsal James Westwood. Este trabajo fue financiado en parte por la National Science Foundation y los Estados Unidos y el Departamento de Agricultura. El Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura, el Departamento de Biología del Estado de Penn y los Institutos de Ciencias de la Vida de Penn State Huck proporcionaron apoyo adicional.


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