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Cambios genéticos asociados al clima encontrados en las plantas

Las variantes genéticas que pueden actuar como interruptores que dirigen los cambios estructurales en las moléculas de ARN que codifican las proteínas vegetales se han validado experimentalmente en plantas por primera vez. Los cambios en la estructura del ARN pueden afectar la estabilidad de la molécula, cómo interactúa con otras moléculas y qué tan eficientemente puede traducirse en proteína, lo que puede afectar su función y las características de la planta. Estos cambios genéticos podrían ser un mecanismo genético importante que permitió que las plantas se adaptaran a sus microclimas en el pasado y podrían ser vitales para la adaptación futura y el desarrollo de cultivos resistentes a medida que los climas continúan cambiando.

Un artículo que describe la investigación, realizada por científicos de Penn State, aparece en la revista Genome Biology.

«Las proteínas, que son una de las principales moléculas estructurales y funcionales de la vida, están codificadas por el ARN, que a su vez está codificado por el ADN», dijo Sarah M. Assmann, profesora de biología de Waller en Penn State y líder del equipo de investigación. . «Por lo tanto, los cambios en la secuencia de ADN pueden conducir a cambios en las proteínas a través de un ARN, pero no todos los cambios en el ADN afectan a la proteína. Recientemente, las variantes genéticas que no necesariamente cambian la proteína codificada, sino que alteran el plegamiento del ARN, se han asociado con humanos. enfermedad. Investigamos si existen mecanismos similares en las plantas y si pueden depender de variables ambientales.

El ADN es una molécula de doble cadena: parece una escalera torcida, con los rieles laterales que representan las dos cadenas y los peldaños que representan los enlaces que las mantienen unidas. El ARN, por otro lado, es monocatenario: imagine la escalera dividida por la mitad en el medio de los peldaños. Sin embargo, el ARN monocatenario generalmente no es solo una molécula lineal larga. Se pliega sobre sí mismo formando secciones cortas de doble cadena entre bucles y burbujas de ARN monocatenario. Esta estructura plegada secundaria está determinada por la secuencia de ARN junto con el microambiente celular y es importante para la función del ARN.

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Por lo tanto, la estructura plegada de una molécula de ARN puede verse alterada por variantes genéticas conocidas como «polimorfismos de nucleótido único» o SNP, lugares en el genoma donde una sola letra del alfabeto de ADN difiere entre dos o más individuos o grupos. Estos SNP que modifican la estructura del ARN se conocen como «riboSNitches», combinando «ribo» de la R en el ARN, «SNP» y «interruptores».

«Estamos estudiando Arabidopsis, un organismo modelo para la biología vegetal», dijo Ángel Ferrero-Serrano, profesor asistente de investigación de biología en Penn State y primer autor del artículo. «Durante la última década, el advenimiento de tecnologías de alto rendimiento ha generado una gran cantidad de datos genéticos y descripciones físicas de las variedades de Arabidopsis recolectadas del área de distribución nativa de la especie. Se ha secuenciado el genoma completo de especímenes de Arabidopsis de lugares de todo el mundo. han desarrollado recientemente un conjunto de herramientas computacionales, CLIMtools, que nos permite determinar asociaciones entre la variación del ADN genético entre variedades de Arabidopsis recolectadas en su rango nativo y un gran conjunto de variables climáticas que definen los entornos locales de estas variedades. Usamos estas herramientas para encontrar SNP asociados con variables de temperatura y luego probar si alguno de los SNP actuó como riboSNitches.

El equipo tomó el conjunto de SNP asociados con los cambios de temperatura y lo redujo aún más buscando SNP que también estuvieran asociados con cambios en la abundancia de ARN, que a menudo resultan de cambios en el plegamiento del ARN. Luego aplicaron un algoritmo de estructura de ARN para ver si alguno de los SNP debería conducir a cambios estructurales y eligieron dos genes para validarlos experimentalmente.

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«Probamos la estabilidad de moléculas cortas de ARN sintético que incluyen los riboSNitches potenciales frente a la secuencia de referencia estándar de ese mismo segmento de ARN, en un rango de temperaturas», dijo Ferrero-Serrano. «Según nuestros experimentos, los SNP de ambos genes parecen actuar como riboSNitches, uno de los cuales altera en particular la estabilidad de la estructura del ARN de una manera dependiente de la temperatura. Sugerimos el término ‘riboSNitches condicionales’ para referirse a los riboSNitches que dependen de variables ambientales.»

Después de demostrar experimentalmente la existencia de riboSNitches en Arabidopsis, el equipo realizó un estudio computacional masivo para predecir posibles riboSNitches en los genomas de cientos de diferentes variedades de Arabidopsis secuenciadas. De los más de 3,8 millones de SNP que se han evaluado, más de un millón, o aproximadamente el 27 %, tienen el potencial de actuar como riboSNitches.

“Las plantas no pueden moverse, por lo que la adaptación a su entorno local promueve la supervivencia”, dijo Assmann. «Ahora sabemos que los riboSNitches son otra flecha en el carcaj de las herramientas genéticas disponibles para las plantas para esta adaptación y que pueden estar condicionadas por variables ambientales».

Con CLIMtools, el equipo creó un conjunto de recursos para estudiar las relaciones entre la variación genética en Arabidopsis y el medio ambiente. Esperan que esto le dé a la comunidad científica una mejor comprensión de cómo las plantas se han adaptado a los entornos locales y cómo pueden continuar prosperando a medida que cambia el clima.

«El fácil acceso a los datos será clave para resolver los desafíos actuales en la agricultura de una manera sostenible», dijo la Dra. Doreen Ware, científica del USDA ARS en el Laboratorio Cold Spring Harbor. “Estamos encantados de alojar CLIMtools dentro de Gramene, nuestro portal en línea para genómica funcional comparativa, ya que contiene nuevos recursos para acceder a información sobre variación genética permanente que será útil para la adaptación climática, así como información que puede usarse para la edición de genes. enfoques para crear nuevos alelos en cultivos importantes para la agricultura.

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Las técnicas utilizadas para este estudio van desde la biofísica hasta la biología molecular y la ecología.

“Hemos reunido un equipo diverso de investigadores en Penn State, desde estudiantes universitarios hasta estudiantes de posgrado y profesores de investigación, y ha sido un placer trabajar con ellos y el profesor Assmann, así como con nuestros colegas en el Laboratorio Cold Spring Harbor. . dijo Philip C. Bevilacqua, distinguido profesor de química, bioquímica y biología molecular en Penn State. «El hallazgo de que la variación de la secuencia puede manifestarse en la variación de la estructura del ARN tiene implicaciones a largo plazo para modular el rendimiento de los cultivos frente a condiciones climáticas adversas».

Además de Assmann, Ferrero-Serrano, Ware y Bevilacqua, el equipo de investigación incluye a la estudiante de posgrado en biología vegetal Megan M. Sylvia y al estudiante de pregrado en bioquímica y biología molecular Peter C. Forstmeier en Penn State; y el ingeniero principal Andrew J. Olson del Laboratorio Cold Spring Harbor en Nueva York. La investigación fue financiada por Penn State, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Departamento de Agricultura de EE. UU.