La IA ofrece una 'hoja de ruta' para la genética vegetal

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A medida que aumentan las temperaturas globales, los científicos del Laboratorio Cold Spring Harbor (CSHL) trabajan para desarrollar cultivos más fuertes y resilientes. Sin embargo, este proceso es un desafío. Las plantas suelen tener varios genes relacionados que controlan características deseables, como el tamaño o la resistencia a la sequía. Encontrar genes con funciones superpuestas, o “genes redundantes”, es una búsqueda del tesoro casi imposible.

Crecimiento vegetal gravemente anormal causado por mutaciones en el gen duplicado CLV3. Iacopo Gentile, investigador posdoctoral del CSHL, ha ideado un nuevo sistema para identificar genes redundantes y predecir cómo ciertas mutaciones genéticas pueden afectar a los triatos de las plantas. El modelo ofrece a los fitomejoradores una posible hoja de ruta para futuras mejoras de cultivos. Crédito de la imagen: Lippman lab/CSHL

“La mayoría de las veces, existen limitaciones importantes en el camino hacia la mejora de los cultivos”, dijo Iacopo Gentile, investigador posdoctoral en el laboratorio de Zachary Lippman en Cold Spring Harbor Laboratory. “Eso se debe a la gran redundancia y complejidad en cómo las familias de genes evolucionan y se compensan entre sí”.

Ahora, Gentile y sus colegas han rastreado una importante familia de genes en plantas con flores para ver cómo ha cambiado a lo largo de 140 millones de años de evolución. Con estos datos, entrenaron modelos para identificar patrones de redundancia y predecir qué genes editar para modificar rasgos específicos.

“Se trata de comprender qué sucede tras la duplicación genética”, explicó Gentile. “Un gen se duplica. Luego dos. ¿Qué sucede después? La teoría indica que divergirán. La gran incógnita en este campo es cómo”.

Para responder a esta pregunta, el equipo se centró en CLE, una familia de genes implicada en la señalización celular y el desarrollo vegetal. Los péptidos CLE son prevalentes en todas las especies vegetales. Sin embargo, se desconoce mucho sobre sus funciones específicas. Su estudio ha sido difícil debido a su corta longitud, rápida evolución y redundancia.

Este gráfico ilustra algunos de los muchos procesos biológicos en los que participan los péptidos CLE. Crédito de la imagen: Lippman lab/CSHL

Utilizando nuevos avances en IA, el equipo identificó miles de genes CLE previamente desconocidos en 1000 especies. Introdujeron estos datos en modelos informáticos, que identificaron genes que podrían ser redundantes. Los genes redundantes probablemente comparten similitudes en uno o dos aspectos: los péptidos que producen o los promotores genéticos, las áreas del ADN que controlan la expresión.

Para confirmar las predicciones de los modelos, el laboratorio de Lippman eliminó los genes marcados en tomates mediante CRISPR. Como se sospechaba, eliminar sólo una redundancia no tuvo ningún efecto. Sin embargo, eliminarlos todos produjo cambios visibles en las plantas.

“Es la primera vez en tomates que se logra una focalización tan amplia de tantos genes al mismo tiempo”, dijo Gentile. “Nos enfocamos en 10”.

Zachary Lippman. Profesor e investigador del HHMI, Profesor de Genética Jacob Goldfield, Director de Estudios de Posgrado Doctorado, Facultad de Ciencias Biológicas Watson, Laboratorio Cold Spring Harbor, 2004

Cabe destacar que el equipo descubrió que la mayoría de los genes redundantes tenían promotores similares, incluso si las secuencias peptídicas diferían. El modelo no solo identificó posibles redundancias, sino que también predijo si mutaciones específicas de CLE tendrían efectos positivos, negativos o neutrales en las plantas.

Gentile afirmó que el método que desarrollaron podría “escalarse fácilmente a todas las familias de genes”, no solo a CLE. Como resultado, los fitomejoradores ahora cuentan con una “hoja de ruta” para predecir cómo podrían aprovecharse de los genes ocultos.

Cita
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El estudio Pan-Angiosperm Analysis of the CLE Signaling Peptide Gene Family Unveils Paths, Patterns, and Predictions of Paralog Diversification (El análisis panangiospermático de la familia de genes del péptido de señalización CLE revela rutas, patrones y predicciones de la diversificación paralógica) fue publicado en Molecular Biology and Evolution. Autores: Iacopo Gentile, Miguel Santo Domingo, Sophia G Zebell, Blaine Fitzgerald, Zachary B Lippman

Agradecimientos
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Los autores desean agradecer a los miembros del laboratorio Lippman por su apoyo y comentarios, y a T. Mulligan, K. Schlecht y S. Qiao por su ayuda con el cuidado de las plantas.

Financiación
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Z.B.L. cuenta con el apoyo de las subvenciones del programa IOS-2129189 e IOS-2216612 de la National Science Foundation y del Instituto Médico Howard Hughes.

Conflicto de intereses
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Z.B.L. es consultor y miembro del Consejo de Estrategia Científica de Inari Agriculture.

El artículo AI offers ‘roadmap’ to plant genetics fue publicado en el sitio web del CSHL. Escrito por: Margaret Osborne, Science Writer | publicaffairs@cshl.edu

Contacto [Notaspampeanas](mailto: notaspampeanas@gmail.com)