Un consorcio internacional descifra el pangenoma y el origen de la avena

La avena, uno de los cereales más saludables, conocido por aportar fibra, reducir el colesterol y no contener gluten, acaba de revelar sus secretos genéticos. Un equipo internacional de investigación liderado por el Instituto Leibniz de Genética de Plantas (IPK) de Alemania, y en el que han participado investigadores del Instituto de Agricultura Sostenible del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IAS-CSIC), ha conseguido, por primera vez, descifrar el pangenoma de la avena, una especie con un ADN especialmente grande y complejo.  En otro estudio más detallado, investigadores de este consorcio científico también examinaron el origen de la avena. Los resultados se han publicado este miércoles en las revistas Nature y Nature Communications.

El pangenoma funciona como un mapa que reúne toda la diversidad genética de la avena. Incluye no solo los genes presentes en todas las variedades, sino también aquellos exclusivos de algunas especies. A partir de él, estos científicos han elaborado un atlas de expresión génica (pantranscriptoma) que muestra qué genes se activan en cada parte de la planta -hojas, raíces o semillas- y en distintas fases de crecimiento. El reto era enorme, ya que la avena es una planta hexaploide, lo que quiere decir que tiene seis juegos de cromosomas heredados de tres antepasados diferentes, lo que complica mucho su estudio.

Para lograrlo, los investigadores secuenciaron el genoma de 33 líneas de avena, entre variedades cultivadas y silvestres, y analizaron la expresión de genes en seis tejidos y etapas de desarrollo en 23 de estas líneas. Esto les permitió identificar variaciones estructurales en el ADN, como fragmentos de cromosomas invertidos o trasladados de lugar. “Con nuestro pangenoma demostramos la verdadera magnitud de la diversidad genética en la avena. Esto nos ayuda a comprender mejor qué genes son importantes para el rendimiento, la adaptación y la salud”, afirma Francisco J. Canales, investigador del IAS-CSIC y autor del estudio.

El equipo de investigación también se encontró con algunos detalles sorprendentes en su trabajo. “Por ejemplo, descubrimos que muchos genes se habían perdido en uno de los tres subgenomas. Sin embargo, la planta sigue siendo productiva porque otras copias génicas aparentemente asumen las funciones correspondientes”, comenta el investigador del IAS-CSIC.

Además, los investigadores comprobaron que algunas variaciones estructurales influyen en genes que controlan caracteres clave para la agricultura. “Descifrar el pangenoma de la avena muestra cómo la genómica moderna puede impulsar la investigación básica y tener un impacto directo en la salud, la agricultura y la mejora genética”, explica Elena Prats, autora del estudio y responsable del grupo de investigación Resistencia a estreses bióticos y abióticos-CeResLab del IAS-CSIC. “También hemos encontrado que la variación estructural en el genoma afecta a genes responsables de controlar el tiempo de floración, lo que es fundamental especialmente en el contexto de la agricultura mediterránea y de climas más cálidos y secos”, añade.

El origen de la avena

En otro estudio, un equipo internacional de investigación dirigido por Agriculture and Agri-Food Canada (AAFC), en el que también participan los dos investigadores del IAS-CSIC, analizó la estructura genética de unas 9.000 muestras de avenas silvestres y cultivadas. Su objetivo era entender cómo se organizan genéticamente las poblaciones de avena y qué partes del genoma están relacionadas con su capacidad para adaptarse a distintos entornos. Para ello, utilizaron una técnica llamada genotyping-by-sequencing, que permite analizar de forma muy detallada la diversidad genética en miles de muestras.

“Nuestro estudio ha demostrado que la especie silvestre Avena sterilis no presenta una sola, sino cuatro poblaciones genéticas distintas, algunas de las cuales están vinculadas a regiones específicas del Mediterráneo y Oriente Medio”, explica Prats. “También pudimos distinguir claramente una población independiente de la especie cultivada Avena byzantina, así como varias poblaciones dentro de la especie ampliamente distribuida Avena sativa. Esto confirma indicios previos de que estos dos tipos de avena cultivada son genéticamente muy diferentes”, añade Francisco J. Canales, refiriéndose a otro de los hallazgos del estudio, publicado en Nature Communications.

Asimismo, se descubrió que ciertas regiones del genoma relacionadas con la adaptación al entorno presentan reordenamientos cromosómicos (inversiones y translocaciones). Según estos científicos del IAS-CSIC, “esto sugiere que hay diferentes estructuras cromosómicas que pudieron haber desempeñado un papel importante en la aparición de distintas líneas de avena, en su domesticación y en la formación de barreras reproductivas, es decir, obstáculos que dificultan el intercambio genético entre poblaciones”.

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