El grupo Bioflora desarrolla una nueva valiosa herramienta informática PhyloSD para la identificación de subgenomas “fantasma” en plantas poliploides
Investigadores del grupo Bioflora de la Escuela Politécnica Superior de Huesca (Universidad de Zaragoza), junto con colegas de la Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC), miembros del BIFI-Unidad Asociada CSIC y del IA2, han diseñado una nueva herramienta informática PhyloSD (Phylogenomic Subgenome Detection) para la identificación de subgenomas “fantasma” en plantas poliploides, hasta ahora difícilmente reconocibles con las metodologías disponibles. El procedimiento ha sido empleado en el estudio de seis especies poliploides del género modelo de gramíneas Brachypodium (B. boissieri, B. hybridum, B. mexicanum, B. phoenicoides, B. retusum, B. rupestre,) entre las que se han detectado y caracterizado siete subgenomas, tres derivados de especies diploides conocidas y cuatro derivados de progenitores diploides desconocidos (subgenomas “fantasma” o “huérfanos”).
La importancia de esta contribución científica radica en el avance que supone la caracterización subgenómica de las plantas poliploides, dado el amplio desconocimiento actual sobre la identidad de los subgenomas de progenitores conocidos o desconocidos de la mayoría de ellas. Pese a la relevancia de la poliploidía (multiplicación de los subgenomas) en la evolución de las angiospermas y al elevado porcentaje de plantas poliploides actuales tanto silvestres (hasta el 70% en algunas familias botánicas) como cultivadas (trigos, caña de azúcar, fresa, algodón, colza, etc.), se conoce un número muy limitado de sus subgenomas. Los mejor estudiados proceden de plantas de interés económico de las que se han secuenciado y anotado sus genomas de referencia y cuyas especies progenitoras diploides existen hoy en día. Pero incluso algunos cultivos poliploides profusamente analizados genómicamente poseen subgenomas que han sido erróneamente identificados.
El conocimiento de la identidad de los subgenomas de las plantas poliploides es decisivo en estudios de genómica funcional y de mejora para investigar el distinto efecto de la regulación de la expresión génica sobre los genes de unos u otros subgenomas y su impacto en el fenotipo de la planta poliploide ante diversas condiciones ambientales o interacciones bióticas, así como en análisis de heredabilidad de caracteres. No todos los genes de unos u otros subgenomas de las plantas poliploides se expresan por igual; se ha observado que algunos poliploides expresan exclusiva o mayoritariamente los genes (alelos) de un subgenoma, estando ausentes o silenciados los del otro(s) subgenoma(s), mientras que otros poliploides muestran similares niveles de expresión génica en sus subgenomas. Dado que algunas de esas expresiones génicas están relacionadas con la manifestación de caracteres de selección adaptativa o de especial interés agronómico, la identificación de los subgenomas y sus respectivos alelos génicos involucrados resulta primordial. La tubería informática PhyloSD ha logrado identificar con alta precisión los subgenomas divergentes de las especies poliploides estudiadas de Brachypodium, y complementariamente al desarrollo de análisis cariotípicos comparados, han logrado caracterizarlos por sus alelos y sus códigos de barras FISH (barcodes) cromosómicos.
La nueva herramienta PhyloSD aplica tres algoritmos secuenciales (Nearest Diploid Species Node, Bootstrapping Refinement, Subgenome Assignment) a datos génicos de secuenciaciones genómicas y transcriptómicas, empleando análisis filogenómicos congruentes con el árbol-de-especie coalescente y análisis estadísticos (tubería disponible en https://github.com/eead-csic-compbio/allopolyploids). La metodología, ensayada con genes homeólogos de los subgenomas conocidos de los trigos poliploides, ha sido posteriormente corroborada exitosamente con transcritos y genes de especies poliploides de Brachypodium, identificando en ellas tanto subgenomas conocidos, procedentes de especies progenitoras diploides existentes, como subgenomas “fantasmas” procedentes de especies progenitoras diploides presumiblemente extintas. Estas identidades subgenómicas han sido verificadas ulteriormente mediante el análisis comparado de patrones de hibridaciones-in-situ cromosómicas (Comparative Chromosome Barcoding, CCB) que han permitido caracterizar a los cariotipos únicos de cada genoma progenitor en las especies diploides y poliploides estudiadas. El trabajo ha sido publicado en la revista The Plant Journal (“Tracking the ancestry of known and “ghost” homeologous subgenomes in model grass Brachypodium polyploids”; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15650).
El estudio ha sido desarrollado por los investigadores Rubén Sancho, Antonio Díaz-Pérez, Luis A. Inda, Bruno Contreras-Moreira y Pilar Catalán de la EPS-Unizar y la EEAD-CSIC, miembros del BIFI y del IA2, quienes han diseñado la tubería informática PhyloSD y han llevado a cabo los estudios genómicos, cariológicos y evolutivos de los poliploides. Han contado con la colaboración de Joanna Lusinska y Robert Hasterok, de la Universidad de Silesia, quienes han ejecutado los análisis citogenéticos CCB, y de David Des Marais (MIT) y Sean Gordon y John Vogel (JGI) quienes han contribuido con datos transcriptómicos y genómicos a la investigación.
Rubén Sancho y Pilar Catalán, dos de los autores del artículo TPJ-15650, en el invernadero de la Escuela Politécnica Superior de Huesca con algunas de las plantas poliploides de Brachypodium estudiadas. La especie anual alotetraploide Brachypodium hybridum (centro) contiene dos subgenomas derivados de especies progenitoras diploides conocidas (B. distachyon, B. stacei), mientras que las especies perennes Brachypodium retusum (alotetraploide) (derecha) y B. boissieri (autohexaploide) (izquierda) contienen subgenomas “fantasma” derivados de especies progenitoras extintas o no encontradas hasta la fecha en la naturaleza.
El trabajo ha sido financiado por los proyectos CGL2016-79790-P-MINECO, PID2019-108195GB-I00-MICINN, Z2016_TEC02-Unizar, y A01-17R y A01-20R del grupo Bioflora (Gobierno de Aragón y Fondo Social Europeo) y su publicación en abierto (Open Access) por el Vicerrectorado de Política Científica de Unizar.
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