Genómica funcional en Teca

Esteban Galeano Gómez (segundo de derecha a izquierda, camisa azul) en compañía del equipo de investigadores del Laboratorio de Genómica y Biología Molecular de Plantas de la USP/ESALQ

ESTEBAN GALEANO GÓMEZ, Ingeniero Forestal de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, obtuvo grado de doctor el año pasado en la Universidad de Sao Paulo (Escola Superior de Agricultura «Luiz de Queiroz») y actualmente adelanta estudios posdoctorales en la misma universidad.  Sus investigaciones se relacionan con la genómica funcional en Teca, trabajos en los cuales se han identificado 462.260 genes de esta especie, lo cual es considerado el genoma de referencia.  A partir de allí será posible la modificación a nivel molecular para la obtención de características deseables y la supresión de las indeseables en esta especie, logrando mejor calidad de la madera, eliminación de defectos, porte, momentos de floración, fructificación etc.

GENÓMICA FUNCIONAL EN TECA

Esteban Galeano (Ph.D.) – Posdoctor Universidad de Sao Paulo – Proteca Biotecnologia Florestal (email: egalean@usp.br)

El 2015 fue el año de la genómica funcional de teca. Dos artículos fueron publicados, suministrando información invaluable para la comunidad académica y las instituciones públicas y privadas que trabajan con madera de teca. El primer artículo proporciona 462.260 genes (Galeano et al. 2015), y el segundo 87.365 genes (Diningrat et al. 2015). Y a pesar de que la madera de teca es una de las más valiosas en el mundo debido a su alta durabilidad, calidad de color, densidad y resistencia a factores ambientales externos, los estudios genéticos son todavía limitados, comparado con otras especies forestales. Metodologías y técnicas avanzadas, incluyendo la secuenciación de ARN, PCR en tiempo real y clonación de genes, entre muchas otras, están disponibles. Ellas permiten estudiar los procesos moleculares de árboles y miles de genes al mismo tiempo.

La investigación sobre biotecnología de teca se ha centrado tradicionalmente en el estudio de la variabilidad poblacional y diversidad genética utilizando marcadores polimórficos en los últimos 10 años. La ESALQ (Escola Superior de Agricultura «Luiz de Queiroz») de la Universidad de Sao Paulo (Brasil) se ha destacado por los estudios de variabilidad genética, genómica, transcriptómica, dendrocronología y propiedades de la madera de teca, usando poblaciones brasileñas.

Los genomas funcionales llevan a identificar todos los genes en situaciones específicas de tejido, etapas de desarrollo y condiciones ambientales. La ventaja de estudiar el genoma funcional de los organismos (en lugar de los genomas) es que hace posible identificar cuales genes están activos, y relacionarlos a importantes procesos fisiológicos tales como la tolerancia a la sequía, el estrés biótico y abiótico, la biomasa, la fotosíntesis. Por otra parte, con el estudio de los genes activos es posible descubrir nuevas funciones en las vías metabólicas y procesos hormonales. En consecuencia, estos genes pueden ser utilizados para estudios de diversidad, experimentos bioquímicos y mejorar los árboles a través de la selección asistida por marcadores y transformación genética. Los genomas completos son generalmente grandes, complejos, con repeticiones de genes, lo que dificulta la identificación de genes activos.

En 2015, nuestro laboratorio (Laboratorio de Genómica y Biología Molecular de Plantas), el cual hace parte de la ESALQ/USP (Brasil), con el apoyo de la “Ohio State University” (Estados Unidos) obtuvo 462.260 genes de teca para hojas y raíces, flores, plántulas, xilema secundario de tallo y rama utilizando la metodología RNA-Seq. Esta base de datos puede considerarse como «el genoma de referencia de teca» para diversos estudios genéticos, hasta que podamos tener secuenciado el genoma completo de la teca. El genoma funcional está disponible en la página web del NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA287604). Dentro de esa base de datos, encontramos más de 2.000 genes relacionados con funciones específicas en el desarrollo de la madera de teca. Entre esos genes, fueron caracterizadas algunas familias génicas como factores de transcripción MYB (llamados MYB1-4), proteínas de choque térmico (llamados HSP1-4), carbohidratos y genes de pectina, los cuales también están directamente relacionados con los procesos de la madera. Las proteínas de choque térmico parecen ayudar a la defensa de la teca contra los cambios ambientales, mientras que los factores de transcripción MYB son influenciados por la maduración de la madera de teca.

Además, la colecta en campo de la albura y el duramen nos permitió analizar, por primera vez, los procesos moleculares y biológicos de estos tejidos. La comprensión de cómo la rigidez de la madera de teca y el contenido de extractivos son diferentes de otras maderas es esencial. Además, la calidad de la madera juvenil en sí es un objetivo importante para el mejoramiento, y se puede evaluar en estadios tempranos de crecimiento por selección asistida por marcadores. Los genes MYB1 y MYB4 de teca sólo están presentes en la albura madura, mientras el gen MYB2 sólo está presente en la albura de árboles juveniles. Estos genes podrían ser evaluados como marcadores moleculares, para buscar árboles que mantienen la velocidad de crecimiento juvenil rápido durante más años, la reducción de la edad de rotación y dando mayor porcentaje de duramen. Por otra parte, el genoma de teca de la raíz mostró varios genes relacionados con la tolerancia a la sequía, como el gen TPS (trehalosa 6-fosfato sintasa), PIP (Aquaporina), DREB (elemento de respuesta a deshidratación) y AREB(Elemento sensible al ácido abscísico). Ciertamente, la investigación profunda de estos genes será muy interesante en el futuro cercano.

Además, es sabido que la productividad y el crecimiento de la teca disminuyen después de la fase reproductiva, siendo afectados por los mecanismos de desarrollo de la flor y el largo ciclo reproductivo. De hecho, encontrar genes relacionados con el desarrollo de la flor es fundamental para entender este proceso a nivel molecular y tratar de mejorar la producción de biomasa a través de la regulación de la floración. En 2015, el Instituto de Tecnología de Bandung (Indonesia) y la “Pennsylvania State University” (Estados Unidos) (Diningrat et al. 2015), obtuvieron el transcriptoma floral de teca. Esta base de datos se compone de 87,365 genes con una identificación adicional de 14 genes (llamados TFL1-14) relacionados con el desarrollo de la flor y la regulación de la transición de fase vegetativa-reproductiva. Para este propósito, ellos también utilizaron la metodología RNA-Seq.

La comprensión de la función de genes en la formación de la madera, la floración, tolerancia a la sequía y otros procesos biológicos en teca es fundamental. Una vez que los investigadores obtienen los conjuntos de datos de diferentes tejidos y condiciones, redes génicas pueden ser establecidas para comprender la relación entre las vías metabólicas. Además, todos los estudios moleculares son un reto debido a los tamaños del árbol de teca, su crecimiento lento y largo período de gestación, que hacen que los programas de mejoramiento sean procesos a largo plazo. La secuenciación de última generación se considera como la mejor tecnología hoy en día para descubrir miles de genes que pueden ser utilizados para el mejoramiento de árboles tropicales. El hecho es que la transcriptómica y genómica se pueden utilizar para los programas de mejoramiento asistido por marcadores moleculares y en la exploración de la variación natural con el fin de mejorar el crecimiento del árbol y la calidad de la madera. Actualmente, la metodología de polimorfismos de nucleótido único (SNP) destinado al mejoramiento por marcadores y para establecer programas genómicos aparece como una metodología útil para la selección de los árboles con una mejor producción de biomasa (como se hace en los géneros arbóreos Pinus, Picea, Eucaliptus y Populus).

Rotaciones de aproximadamente 20 años son conocidas en las plantaciones de teca en Brasil y otros países. El mejoramiento del crecimiento parece ser prioritario, y por lo tanto, hay un deseo de aprender más acerca de los procesos moleculares que subyacen a la formación de madera. La calidad de la madera juvenil es, de hecho, una interesante característica para ser mejorada. Así, la evaluación de la calidad en una etapa temprana (plántulas) mediante la búsqueda de tecas con una tasa de crecimiento temprano más rápido será crucial. Esta selección traerá sin duda como resultado una reducción significativa de la rotación de cultivos con mayor porcentaje de rendimiento de duramen.

El establecimiento de plantaciones de teca actualmente es significativo por la alta demanda y los precios excepcionales. Por desgracia, todavía hay un alto porcentaje de rodales de teca plantados a partir de semillas de genotipos que no han sido sometidos a ninguna selección, lo que lleva a obtener madera de baja calidad. Los países que lideran el mercado de teca (como Tailandia, Singapur, China y Brasil) tienen una gran preocupación por el futuro suministro de sus productos. Con este fin, la biotecnología y la genética son herramientas poderosas para ir directamente al mejoramiento de la productividad y la selección de genotipos.

La base de datos genética que establecimos está disponible y es útil para desarrollar marcadores moleculares para seleccionar teca con características específicas, estudiar su diversidad y ecología, y comprender más profundamente la biología de esta especie. Animamos a los laboratorios de todo el mundo para intensificar la investigación genética de teca. Recientemente, en el Congreso Mundial de la teca, celebrada en Ecuador (2015), se discutió ampliamente la importancia de centrar los esfuerzos para desarrollar la investigación en el área de genómica y genética de esta especie.

Detalles de este escrito están disponibles en PDF (adjuntos):

Galeano and Carrer 2016. Teaknet Bulletin 9 (1)

Galeano et al. 2015. BMC Plant 15 (221)

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