Un profundo misterio genético ha desconcertado a los científicos vegetales durante décadas. Aunque hojas, tallos y flores se desarrollan de manera sorprendentemente similar en muchas especies vegetales, los científicos han tenido dificultades para identificar las instrucciones compartidas de ADN que guían su formación. Los hallazgos también tienen importantes implicaciones para la agricultura, donde ajustar finamente la regulación genética, en lugar de alterar los genes en sí, abre nuevos caminos para desarrollar cultivos más resistentes y productivos.
El ADN de cada organismo contiene tanto genes como las instrucciones que determinan cuándo y dónde se activan esos genes. Los genes son relativamente fáciles de reconocer, como las piezas de esquina de un rompecabezas; Tienen características distintivas que destacan. Pero el ADN regulador que los controla es mucho más difícil de encontrar. Las nuevas tecnologías han permitido a los científicos descubrir muchas de estas secuencias en animales, pero las plantas han seguido siendo un gran desafío. Durante cientos de millones de años, las plantas han estado reescribiendo sus genomas, duplicando, reorganizando y reorganizando vastas extensiones de ADN, lo que las convierte en puzles especialmente complejos de descifrar.
En un nuevo estudio, un equipo internacional de investigadores ha descubierto el plan regulador de las plantas y ha revelado una parte clave de él que ha permanecido conservada a lo largo de 300 millones de años de evolución vegetal.
Esta investigación colaborativa estuvo dirigida por el profesor Idan Efroni de la Universidad Hebrea de Jerusalem, el profesor Zachary Lippman del Laboratorio Cold Spring Harbor y la profesora Madelaine E. Bartlett de la Universidad de Cambridge, junto con el Dr. Kirk R. Amundson de la Universidad de Massachusetts y la Dra. Anat Hendelman del Laboratorio Cold Spring Harbor.
En un esfuerzo comparativo masivo, los investigadores analizaron los genomas de 284 especies de plantas utilizando una nueva y potente herramienta computacional llamada Conservatory.
Para entender estos genomas complejos, la herramienta los ensambla pieza a pieza, haciendo coincidir gradualmente secuencias similares en especies cada vez más distantes. Basándose en un número tan grande de especies, los investigadores identificaron aproximadamente 2.3 millones de secuencias reguladoras conservadas, incluidas más de 3.000 que preceden al origen de las plantas con flores, creando el mapa más completo hasta la fecha del ADN regulador conservado en plantas.
El equipo descubrió que los elementos reguladores más antiguos se agrupan cerca de genes que controlan la arquitectura corporal de las plantas. Cuando secuencias conservadas cerca de algunos de estos genes, de la familia HOMEOBOX, fueron mutadas experimentalmente, las plantas desarrollaron anomalías severas, demostrando que estos antiguos códigos reguladores no son reliquias evolutivas, sino que siguen siendo esenciales hoy en día.
El estudio también revela principios fundamentales de la evolución del código regulatorio en plantas: aunque el espaciamiento entre elementos regulatorios puede cambiar, su orden suele preservarse; Los reordenamientos cromosómicos pueden forjar nuevas asociaciones regulatorias; y los elementos antiguos se conservan preferentemente tras la duplicación génica, incluso cuando algunos evolucionan hacia innovaciones específicas de linaje.
“Este estudio ofrece un panorama en tiempo profundo de la evolución de la secuencia reguladora de las plantas. Durante décadas, hemos sabido que la función génica del desarrollo está notablemente conservada a lo largo de la evolución vegetal, pero las secuencias reguladoras que controlan esos genes parecían desaparecer en el ruido del cambio genómico. Al desarrollar Conservatory, pudimos recuperar estas instrucciones ocultas y demostrar que, a pesar de cientos de millones de años de reestructuración del genoma, la lógica reguladora central del desarrollo vegetal ha perdurado. Al mismo tiempo, nuestros hallazgos muestran cómo la evolución remodela, duplica y construye sobre estas antiguas instrucciones regulatorias para generar la extraordinaria diversidad de formas vegetales que vemos hoy”.
Prof. Idan Efroni
Universidad Hebrea de Jerusalem
Más allá de esclarecer cómo evoluciona la vida compleja, los hallazgos tienen significativas implicancias para la agricultura. Muchos rasgos de cultivos dependen no solo de los propios genes, sino de cómo se regulan esos genes. Comprender esta arquitectura regulatoria profundamente conservada puede abrir nuevas vías para la mejora de precisión, la biología sintética y el desarrollo de cultivos más resistentes en un clima cambiante.
El artículo de investigación titulado “A deep-time landscape of plant cis-regulatory sequence evolution”, ya está disponible en Science.
