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Un estudio muestra cómo un grano se desnudó y el maíz se convirtió en rey

Un estudio de la UW muestra cómo un grano se desnudó y el maíz se convirtió en rey
Al igual que los granos dorados del maíz, los granos de teosinte están encerrados en una cáscara. A diferencia del maíz, cada cáscara es pequeña y contiene relativamente pocos granos, que también están encerrados en una caja de fruta dura con forma de hueso. El maíz fue domesticado a partir del teosinte hace unos 10.000 años y perdió su carcasa dura en el proceso. El profesor de UW-Madison, John Doebley, descubrió el antepasado directo del maíz hace más de dos décadas y hoy ha descubierto cómo los granos de teosinte perdieron su estuche rígido para convertirse eventualmente en los granos comestibles que nos damos un festín cada verano. Crédito: Kelly April Tyrrell, UW-Madison

Hace diez mil años, un grano de oro se desnudó, unió a las personas y creció hasta convertirse en uno de los principales productos agrícolas del planeta.


por Kelly April Tyrrell, Universidad de Wisconsin-Madison


Ahora, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto que un solo cambio de letra en la secuencia genética del antepasado del maíz, el teosinte , ayudó a que todo fuera posible.

En una publicación en la revista Genetics este mes, el profesor John Doebley de UW-Madison y un equipo de investigadores describen cómo, durante la domesticación del maíz, un cambio de un solo nucleótido en el gen arquitectónico de la gluma de teosinte (tga1) eliminó la carcasa dura y no comestible de este hierba silvestre, exponiendo finalmente el grano dorado comestible.

«Una gran proporción del mundo depende económicamente del cultivo y comprender cómo se construyó hace 10.000 años es más que una satisfacción intelectual», dice Doebley. Ha dedicado su larga carrera a estudiar la evolución del maíz, la planta de la que crece el maíz. «Nos dice algo sobre la importancia de este cambio genético«.

Vistos uno al lado del otro, el maíz y el teocintle no parecen pertenecer al mismo árbol genealógico. El teosinte es ramificado y tupido; sus minúsculas «espigas» tienen un mayor parecido con el trigo y contienen sólo de 10 a 12 granos. Mientras tanto, el maíz es alto y tiene tallos y produce mazorcas enormes que contienen cientos de granos. Sin embargo, la investigación de Doebley hace años rastreó las raíces del maíz hasta una forma maleza de teosinte en un valle en el suroeste de México.

«La gran pregunta es, cuando miramos por la ventana y vemos una diversidad de formas en las plantas y animales que nos rodean, ¿cuáles fueron los cambios genéticos que tuvieron lugar para que todo eso sucediera?» Doebley dice. «Dos plantas estrechamente relacionadas, ¿por qué tienen una forma diferente de hoja; o dos personas, por qué una es un poco más alta?»

La respuesta suele estar en las mutaciones, la moneda de la evolución. A veces se cambian letras individuales en el genoma de una especie, mientras que otras veces, se levantan o se mueven párrafos enteros. A veces, estos cambios no alteran el significado de la historia, mientras que otras veces sí. Cuando esos cambios son beneficiosos, esa copia alterada sobrevive al paso del tiempo. A veces eso significa la creación de una especie completamente nueva.

En el caso del maíz, en el proceso de domesticarlo como alimento, los humanos decidieron qué mutaciones eran buenas y cuáles eliminar cultivando más de las plantas que preferían. Estudios previos del laboratorio de Doebley habían identificado al gen tga1 como responsable de la transición de granos encapsulados a granos expuestos, pero hasta ahora nadie sabía cómo.

El equipo de investigación comenzó con la información que tenía: había seis mutaciones potenciales en el gen que podrían explicar el cambio. Los investigadores investigaron a estos sospechosos mediante el estudio de una gran cantidad de genomas de maíz y teosinte y descubrieron que solo una mutación era consistentemente diferente entre las dos plantas.

«Sabiendo que era lo importante, tratamos de caracterizar cómo alteraba la función del gen», dice Doebley.

El equipo descubrió que el cambio de una sola letra provocaba una diferencia en la proteína producida por tga1. Los genes proporcionan los códigos para producir proteínas, que son las máquinas que hacen el trabajo de las células. Luego, los investigadores se embarcaron en una serie de estudios para determinar cómo funcionaba esa proteína alterada.

«Una serie de experimentos mostró que este gen en particular, tga1, es un gen regulador maestro, un director de orquesta», dice Doebley. La proteína producida por el gen influye en numerosas características del teocintle al determinar qué otros genes se activan y desactivan. Al cambiar el gen y, por lo tanto, la proteína, la mutación alteró la forma en que el director dirigía a los músicos individuales, afectando a toda la orquesta.

«Cada músico es un gen objetivo y el director le dice a cada uno qué tocar y qué tan alto tocar», dice Doebley.

En este caso, la mutación hizo que el director silenciara a sus músicos, lo que impidió que la caja de fruta dura rodeara el grano de teosinte y, en cambio, lo transportara al núcleo o mazorca de la oreja.

«Entonces, el grano termina desnudo, descubierto y expuesto en la superficie de la mazorca de maíz, para ser comido», dice Doebley. Esto permitió que el maíz se convirtiera en un motor de comercio y sustento para miles de millones de personas y animales en todo el mundo.

El estudio también ayuda a informar las preguntas existentes en el mundo de la evolución sobre qué tipos de cambios genéticos conducen a diferencias dramáticas en la forma y función de las especies. Estos cambios primero inspiraron a Charles Darwin a considerar la idea de la evolución adaptativa —la evolución impulsada por la selección natural— y él también estudió plantas y animales domesticados para llegar a sus conclusiones. En UW-Madison, el profesor de genética Sean Carroll dirige estudios de evolución adaptativa.

En la evolución del maíz , un pequeño cambio en el ADN provocó un gran cambio de forma, y ​​un cambio en la función de una sola proteína que controlaba las acciones de los genes provocó el efecto dramático.

«Cuando estaba en la escuela de posgrado, no se podía hacer nada como esto», dice Doebley. «Ni siquiera sabíamos que un gen era una unidad definida operativamente que se comportaba de ciertas formas a nivel molecular, y ahora podemos … encontrar esos genes que controlan las diferencias en una especie. Durante los últimos 50 años, hemos obtuve la capacidad de responder preguntas y cambios biológicos de maneras profundas que no podría haber imaginado en ese entonces «.



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