por
Konstantin V. Krutovskii y David B. Neale
INTRODUCCIÓN
La diversidad genética es la base de la capacidad de los organismos para adaptarse a los cambios en su medio ambiente a través de la selección natural. Las poblaciones con poca variación genética son más vulnerables a la aparición de nuevas plagas o enfermedades, contaminación, cambios climáticos y destrucción del hábitat debido a actividades humanas o a otros acontecimientos catastróficos. La incapacidad de adaptarse a las condiciones cambiantes aumenta mucho el riesgo de extinción. La ordenación de la conservación genética orientada a salvar la diversidad genética adaptable debe basarse en el conocimiento de la base genética de adaptación.
Esta nota es un resumen de un nuevo documento de trabajo de la FAO, cuya finalidad es describir brevemente cómo se puede medir la diversidad genética adaptable utilizando los nuevos métodos genéticos moleculares y los avances de la genómica forestal. A continuación se presenta el resumen de las conclusiones:
RESUMEN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
El estudio de la adaptación es fundamental para la selvicultura y la conservación genética forestal. Los genetistas forestales han utilizado durante mucho tiempo los experimentos de campo (experimentos corrientes de jardinería) y, en menor proporción, los marcadores moleculares para estudiar los modelos de adaptación de los árboles forestales. Los experimentos de campo son medios para estimar los parámetros genéticos de rasgos mensurables, pero no pueden dar información ni sobre qué genes en particular y cuántos de ellos están implicados en la adaptación, ni tampoco se puede explicar la cuantía de variación fenotípica por la variación genética de estos genes.
Otro método, y generalmente complementario, para estimar la diversidad genética adaptable es medir la variación genética utilizando marcadores genéticos moleculares. Se dispone de numerosas tecnologías de marcadores moleculares pero la mayoría de ellas miden la variación genética neutral o muy conservadora de valor adaptable limitado. Es necesario desarrollar técnicas de diagnóstico rápido e informativo para evaluar grandes números de genes adaptables y la variación genética para la conservación in situ. La genómica proporciona nuevos instrumentos para estudiar la adaptación de los árboles. Los genetistas forestales pueden emplear tecnologías automáticas eficientes y rápidas para identificar las secuencias de DNA y determinar el genotipo de un gran número de individuos. Estas técnicas pueden identificar por último los genes responsables de la adaptación de los árboles forestales por los loci de rasgos cuantitativos (QTL) y cartografiar los genes candidatos usando marcadores de secuencias expresadas etiquetadas (EST) para los genes adaptables que están expresados en el genoma. A continuación, utilizando tecnologías modernas de tipificación de genes y estudios de asociación, los genetistas pueden determinar la diversidad alélica para estos genes candidatos en las poblaciones de árboles forestales y medir directamente la diversidad alélica adaptable para millares de genes simultáneamente.
A pesar del notable progreso conseguido, queda todavía mucho trabajo por realizar para comprender la naturaleza de la variación genética que sirve de base para los fenotipos adaptables de los árboles forestales. El conocimiento total requerirá en primer lugar el descubrimiento, anotación y catalogación de todos los genes del genoma de los árboles forestales. Un método moderno para lograr este objetivo es determinar la secuencia del DNA de todo el genoma y deducir los genes a partir de la secuencia del DNA, aunque una secuencia completa por sí sola no es suficiente para comprender el control genético de los rasgos adaptables. Además de los desafíos de la selvicultura está la complejidad y la gran dimensión de los genomas arbóreos. La dimensión del genoma del pino (20.000 a 30.000 millones de pares de bases nucleotídicas (bp), por ejemplo, es de 6 a 8 veces mayor que el genoma humano (3.400 millones bp), y de 150 a 200 veces mayor que el genoma de la especie vegetal modelo, Arabidopsis thaliana (125 millones bp). Incluso la dimensión física relativamente reducida del genoma del Populus (500 millones bp), que es 40 veces menor que la de la conífera mejor estudiada, el Pinus taeda, que puede ser, por lo tanto, una buena especie modelo de árbol forestal, sigue siendo 4 veces mayor que la del Arabidopsis (aunque similar al arroz y 6 veces menor que el maíz, ambos casi completamente secuenciados). Además, los rasgos adaptables suelen ser muy complejos, tienen herencia cuantitativa y están controlados por muchos genes, cada uno de ellos con efectos relativamente pequeños.
Un método alternativo (o paralelo) es determinar las secuencias del DNA solamente para los genes expresados. Esto puede lograrse aislando el RNA mensajero (mRNA), preparando genotecas de DNA complementarios (cDNA) a partir de este mRNA y secuenciando el cDNA. Estas secuencias EST se introducen en bases de datos y se comparan con todas las demás secuencias de las bases de datos para ver si se equiparan con genes cuya función ha sido determinada. Se han elaborado ya bases de datos EST de decenas de millares de ESTs que están disponibles al público, para Pinus, Picea, Populus, y Eucalyptus.
El segundo paso, para comprender la adaptación incluye la construcción del genoma, QTL, mapas de ligamiento comparativos y de consenso para la mayoría de las especies de árboles forestales (p.ej., Sewell et al. 1999). Los mapas genéticos muestran la posición de los genes y son valiosos para comprender la organización del genoma y su evolución. Los mapas son instrumentos extraordinariamente útiles para identificar los genes que controlan fenotipos de interés. Ya se han identificado loci que controlan cuantitativamente rasgos hereditarios, QTLs, en muchos árboles forestales para una variedad de rasgos de crecimiento, calidad de la madera y otros rasgos económicos y adaptables. Estos datos son útiles inmediatamente para la mejora y conservación genética de los árboles.
Como próximo paso, el análisis por “microarrays” del DNA se puede utilizar para estudiar los modelos de expresión de los genes y comprender la función de todos los genes y sus acciones recíprocas. Pueden estudiarse las relaciones entre la enorme cantidad de diversidad alélica en los genes y la serie de diferentes fenotipos que se encuentran en las plantaciones de árboles forestales. Se puede crear y ensayar, para su asociación con un fenotipo, un catálogo de variantes comunes de secuencias codificadas en los genes de árboles forestales. Se pueden utilizar mapas de alta resolución, de polimorfismos conocidos, que comprenden todo el genoma para examinarlo en busca de asociaciones de rasgos adaptables mediante marcadores.
No es necesario que el análisis se limite a las secuencias codificantes. Puede ocurrir que la mayoría de las mutaciones de interés estén radicadas en regiones reguladoras. Por ello, es importante identificar las variantes por lo menos en las secuencias reguladoras próximas y distantes porque nuestro escaso conocimiento de los elementos “reguladores” obliga a la necesidad de un método más global. Un método en el que se buscan las asociaciones marcador-rasgo requerirá la elaboración de un mapa de alta resolución de las variantes genéticas. Los polimorfismos simples de nucleótidos (SNPs) son los candidatos naturales para este mapa porque son abundantes, tienen una menor tasa de mutación que los microsatélites y pueden caracterizarse genéticamente en masa utilizando la tecnología de las microarrays.
Una búsqueda de asociaciones, basada en la cartografía, de loci adaptables múltiples, cada uno de los cuales contribuye al fenotipo total en pequeña forma aunque todavía mensurable, es un análisis factible vía haplotipos. Los alelos de estos loci pueden reconocerse indirectamente por sus asociaciones históricas con otras variantes genéticas (p.ej. SNPs) de sus proximidades. La asociación no aleatoria de variantes entre sí (desequilibrio de ligamiento) es una característica bien conocida de los genomas vegetales y animales. Las microarrays de DNA tendrán un papel importante en la caracterización de genotipos de millares de genes simultáneamente, en la creación de mapas detallados y en la elaboración de cartografía de los componentes de fenotipos adaptables complejos. La genómica forestal tiene un brillante futuro y está a la espera de aplicaciones que surjan en la ordenación y conservación genética de árboles forestales.
REFERENCIAS SELECCIONADAS:
Boshier, D.H and A.G. Young (2000) Forest conservation genetics: limitations and future directions. In: Forest conservation genetics: Principles and practice (A. Young, D. Boshier and T. Boyle, eds), pp. 289-297. CABI Publishing, United Kingdom.
Mandal, A.K. and G.L. Gibson (eds.) (1998) Forest genetics and tree breeding. CBS Publishers, New Delhi, India.
Sewell, M.M. and D.B. Neale (2000) Mapping quantitative traits in forest trees. In: Molecular biology of woody plants. Forestry Sciences, Volume 64 (S. M. Jain and S. C. Minocha, eds), pp. 407-423. Kluwer Academic Publishers, The Netherlands.
Young, A., D. Boshier and T. Boyle (eds) (2000) Forest Conservation Genetics: Principles and Practice. CABI Publishing, United Kingdom.
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LA PRESENTE NOTA ES UN EXTRACTO DEL DOCUMENTO SIGUIENTE: Krutovskii, K.V. and Neale, D.B. 2001. Forest Genomics for Conserving Adaptive Genetic Diversity. Documentos de Trabajo de Recursos Genéticos Forestales, Documento de Trabajo RGF/3, Servicio de Desarrollo de Recursos Forestales, Dirección de Recursos Forestales. FAO, Roma (publicado solamente en inglés, estará disponible más adelante en la página web de la FAO). Se basa este documento en una conferencia del Dr. Krutovskii, K.V., titulada: La genómica forestal y los nuevos métodos de genética molecular para medir y conservar la diversidad genética adaptable en los árboles forestales. Presentado en el taller de formación organizado por el Instituto Internacional de Recursos Fitogenéticos (IPGRI), Roma y el Ministerio Federal Austríaco de Agricultura y Montes, Ordenación del Medio Ambiente y el Agua (BMLFUW), en colaboración técnica con la FAO. El taller de formación se celebró en Gmunden, Austria, del 30 de abril al 11 de mayo de 2001. La versión más extensa del documento, disponible gratuitamente en la FAO, Roma, incluye las siguientes secciones principales: 1. Introducción - Por qué es importante medir y salvar la diversidad genética adaptable en las poblaciones de árboles forestales2. Cómo puede beneficiarse la conservación genética forestal de los nuevos avances de la genómica - Introducción a la genómica 3. Bioinformática y bases de datos genómicos
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