Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Las plantas son químicos maravillosos, como muestra el ADN de la gardenia


Las plantas son algunos de los químicos más extraordinarios de la naturaleza. A diferencia de los animales, no pueden huir de depredadores o patógenos. No pueden desarraigarse para buscar pareja o esparcir sus semillas.


por University at Buffalo


Entonces, en cambio, fabrican químicos: toxinas para matar bacterias. Alcaloides amargos para alejar a los herbívoros. Néctar dulce y pigmentos de color joya para dibujar en polinizadores o pájaros que pueden ayudar a dispersar las semillas.

Se podría decir que los productos químicos son una de las formas en que una planta hace el amor y la guerra.

Pero, ¿cómo obtuvieron estas capacidades los árboles, arbustos y flores?

En un nuevo estudio, los científicos exploran esta cuestión a través de la evolución de la gardenia, Gardenia jasminoides, un arbusto de hoja perenne con flores blancas que se planta como ornamental en los trópicos.

Los investigadores secuenciaron el genoma de la gardenia por primera vez. Luego, observaron en profundidad cómo la planta produce un compuesto llamado crocina. Este químico de colores brillantes, que le da al azafrán su tono bermellón, también es responsable del tono rojo anaranjado de las frutas maduras del jardín.

El estudio identificó los genes involucrados en la producción de crocina y los usó para crear el compuesto en el laboratorio. Este trabajo, que incluyó descifrar el proceso paso a paso que las gardenias usan para sintetizar la crocina, sienta las bases para la producción a gran escala de la sustancia química, que se cree que tiene propiedades medicinales como antioxidante.

La investigación también exploró los orígenes de la crocina en las gardenias. Los hallazgos, que se publicarán el 18 de junio en BMC Biology , resaltan el poder de un proceso evolutivo llamado duplicación de genes en tándem, en el que la copia accidental del ADN brinda a los organismos flexibilidad para expandir el arsenal de herramientas genéticas que tienen a su disposición. Es solo una forma en que las plantas pueden desarrollar nuevas capacidades, pero es crucial.

«El principio importante es que las plantas pueden reinventar las cosas», dice el coautor del estudio, Victor Albert, Ph.D., biólogo de la Universidad de Buffalo. «Pueden duplicar algunas partes de su kit de herramientas genéticas y unir las funciones un poco. Así que digamos que tiene un destornillador, pero la cabeza es muy grande. Imagine que podría duplicar ese destornillador, pero podría moler la cabeza para hacer es más pequeño y útil para tornillos pequeños, pero también tienes el original con la cabeza grande para manejar los grandes. Eso es lo que están haciendo estas plantas «.

«Fue emocionante descubrir estos ‘trucos del oficio’ moleculares mientras investigaba el genoma de una planta tan importante para la medicina tradicional china, y ahora también para la investigación biomédica moderna», dice el coautor del estudio, Jingyuan Song, Ph. .D., Del Centro de Investigación de Ingeniería de Recursos de Medicina China en China, quien también está afiliado a la Academia China de Ciencias Médicas y al Colegio Médico de la Unión de Pekín.

El proyecto fue dirigido por Song y Shilin Chen, Ph.D., del Centro de Investigación de Ingeniería de Recursos de Medicina China y la Academia China de Ciencias Médicas Chinas, y por Giovanni Giuliano, Ph.D., de la Agencia Nacional Italiana para Nuevas Tecnologías. , Energía y Desarrollo Económico Sostenible (ENEA). Los primeros autores fueron Zhichau Xu, Ph.D. y Xiangdong Pu, ambos de la Academia China de Ciencias Médicas y el Colegio Médico de la Unión de Pekín. Xu también está afiliado al Centro de Investigación de Ingeniería de Recursos de Medicina China.

Albert, profesor de ciencias biológicas en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB y profesor visitante en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, y sus estudiantes hicieron importantes contribuciones, realizando investigaciones bioinformáticas que ayudaron a desentrañar la historia evolutiva de la síntesis de crocina y cafeína en la gardenia y cafetales , respectivamente.

Las plantas son químicos maravillosos, como muestra el ADN de la gardenia.
Un compuesto químico llamado crocina le da a las frutas su tono rojo anaranjado. Crédito: YW bajo

Cómo el ADN duplicado ayuda a las plantas a expandir su caja de herramientas genéticas

En un evento de duplicación en tándem, un solo gen se replica por error durante la reproducción. Luego, a medida que una especie evoluciona con el tiempo, el exceso de ADN es libre de mutar y asumir nuevas funciones.

En Gardenia jasminoides, la duplicación en tándem condujo a la evolución de un gen que se necesita para la síntesis de crocina, concluye el estudio. Esta forma de replicación genética también permitió a un pariente cercano de la gardenia, la planta de café Coffea canephora, desarrollar genes productores de cafeína, según la investigación, que comparó el ADN de la gardenia con el de Coffea canephora y algunas otras plantas.

«Este es un caso en el que vemos el mismo mecanismo evolutivo subyacente que genera estos duplicados en tándem para crear dos vías biosintéticas diferentes de interés en dos plantas», dice Albert. «Tenemos café y gardenia, que evolucionaron a partir de un ancestro común cercano, y en un caso se formaron duplicados en tándem y se volvieron locos en el café para hacer cafeína. Y en el otro, se formaron y se volvieron locos en la gardenia para hacer crocinas».

Hecho por plantas, pero útil también para humanos

La crocina se encuentra no solo en las gardenias, sino también en la planta de azafrán, que produce azafrán. Estas especies no heredaron la capacidad de producir crocina de un ancestro común: desarrollaron su arsenal de genes de forma independiente. Lo mismo ocurre con los genes de cafeína en las plantas de café, té y chocolate.

«Las plantas están jugando juegos con múltiples evoluciones de fitoquímicos interesantes», dice Albert. «Y, por supuesto, todos estos fitoquímicos son útiles para las plantas, tal vez en la lucha contra los patógenos o como atrayentes de insectos».

Cuando se trata de gardenias, el color ardiente de la fruta de la planta ayuda a extender el rango de la especie, ayudando a atraer animales que comen las frutas y expulsan las semillas en nuevas ubicaciones.

Pero mientras las plantas realizan la química por su propio bien, los compuestos que producen también pueden beneficiar a los humanos. La aspirina está estrechamente relacionada con un compuesto que se encuentra en la corteza de sauce. La digoxina, utilizada con moderación para tratar problemas cardíacos, proviene de la planta dedalera. Las propiedades antioxidantes de la crocina son de interés para los investigadores, y ahora, los científicos tienen el conocimiento que necesitan para fabricar ese químico en el laboratorio.

«Es un hecho conocido que la misma sustancia química (por ejemplo, cafeína o crocina) puede aparecer una y otra vez en especies de plantas distantes», dice el co-autor correspondiente Giuliano. «Una pregunta pendiente fue: ¿Cómo aparecen todos los genes involucrados en la biosíntesis de tales químicos de una vez en estas especies diferentes? El trabajo que publicamos no solo describe por primera vez el camino completo hacia la biosíntesis de crocina en cualquier planta, sino que también muestra que la vía evolucionó en las gardenias a través de la aparición de un solo gen que actúa temprano en la vía, mientras que los últimos existían previamente y se hicieron autostop por producir crocina. Esta es una demostración elegante, a nivel bioquímico, de cómo la naturaleza reutiliza y adapta mecanismos preexistentes, en lugar de crear mecanismos completamente novedosos «.


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