Los beneficios de una vista de red de la respuesta de selección para rasgos complejos

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Una nueva red de gen a fenotipo para la ramificación de brotes.

El aumento de la producción de cultivos está en el centro de la seguridad alimentaria en el siglo XXI^{S t} Siglo. Un grupo de científicos está abordando este desafío estudiando la ramificación de los brotes, uno de los factores clave que afectan el rendimiento. Simularon intentos de mejoramiento con selección para ramificación utilizando simulaciones por computadora de rasgos dirigidos por genes. Descubrieron que la selección para la ramificación es difícil debido a las complejas interacciones entre las hormonas características y la sacarosa, que controlan la ramificación.

A pesar del conocimiento detallado de los mecanismos moleculares y fisiológicos de la ramificación, traducir estos descubrimientos en resultados de reproducción sigue siendo un desafío. El estudio de la red gen-fenotipo de rasgos complejos utilizando el conocimiento previo de las interacciones biológicas puede revelar variaciones genéticas ocultas e identificar rasgos intermedios que pueden aumentar la precisión de la selección y la eficiencia del mejoramiento de ramas.

dr. Owen Powell, investigador postdoctoral en la Alianza de Queensland para la Agricultura y la Innovación Alimentaria en la Universidad de Queensland, y los coautores desarrollaron una red de gen a fenotipo para la ramificación de brotes. Usando este modelo, probaron el alcance de la variación genética latente que impulsa el complejo rasgo de ramificación de brotes y su impacto en la ganancia genética a lo largo de los ciclos de selección.

El diagrama de la izquierda muestra parte de un tallo con una sola hoja. Hay una yema en la axila de la hoja. En la imagen de la derecha, el capullo se ha alargado hasta convertirse en una rama lateral. — El diagrama de la izquierda muestra parte de un tallo con una sola hoja. Hay una yema en la axila de la hoja. En la imagen de la derecha, el capullo se ha alargado hasta convertirse en una rama lateral. Figura del Atlas Digital de Vida Antigua https://www.digitalatlasofancientlife.org/

La ramificación de los brotes depende del crecimiento de las yemas axilares que se forman en las axilas de las hojas. Investigaciones anteriores demostraron que el tiempo de crecimiento de las yemas axilares estaba controlado por los niveles de hormonas (auxinas, citoquininas, estrigolactonas) y sacarosa utilizando un modelo de red de ramificación de brotes empíricos. Los autores ampliaron este modelo para incluir los explícitos efectos genéticos causales en el control de los niveles hormonales y de sacarosa.

Un diagrama de flujo con tres niveles horizontales. El nivel más bajo es loci genético causal, enumerando 4 genes para cada rasgo intermedio. Las flechas desde estos apuntan al siguiente nivel, que enumera los rasgos intermedios que controlan. Estos son: estrigolactonas, auxina, sacarosa y citoquininas. Una flecha lateral apunta desde la auxina hasta las estrigolactonas. Otra flecha lateral apunta desde la sacarosa hasta las citoquininas. Las estrigolactonas y las citoquininas son los integradores de señales para el crecimiento de los brotes, el rasgo objetivo de la selección. — Dispare el gen de ramificación en la red de fenotipo. Diez loci e interacciones genéticas causales determinan los niveles de cada uno de los rasgos intermedios: estrigolactonas (SL), auxina (A), sacarosa (Suc) y citoquininas (CK). Los niveles de estos rasgos intermedios (hormonas, sacarosa y el integrador de señales), sus interacciones y los errores aleatorios, a su vez, determinan el tiempo de crecimiento de las yemas de una planta individual.

Los autores aparecieron en silico Experimentos de selección para determinar si la vista de red de ramificación de brotes en plantas tiene un impacto en la predicción de la respuesta a la selección de reproducción. ¡Lo hizo y hubo muchas sorpresas! La selección del gen de ramificación de brotes para la red de fenotipos para un crecimiento más rápido de los brotes no tuvo éxito. Powell explica: “Esperábamos que las respuestas a la selección disminuyeran con el tiempo y eventualmente alcanzaran una meseta persistente. En cambio, vimos una combinación de mesetas temporales y permanentes, particularmente para la sacarosa. Esto es indicativo de la canalización genética, una característica emergente de las complejas interacciones entre los componentes de la red de ramificación de genes a fenotipos”.

Dispara rutas de selección de red G2P ramificadas para un crecimiento más rápido de los cogollos.

La canalización genética describe un fenómeno de mapa de gen a fenotipo cuando el fenotipo es resistente a los cambios genéticos, en este caso causados por la presión de selección.

Para estudiar los impulsores de las respuestas inesperadas a la selección, luego examinaron los patrones de los niveles hormonales y de sacarosa y las frecuencias alélicas de las poblaciones a lo largo de los ciclos de selección. “La expresión genética no expresada de la sacarosa puede explicarse por la compleja interacción entre la señalización de la sacarosa y la estrigolactona en la red de gen a fenotipo. Múltiples combinaciones genéticas de sacarosa y estrigolactona producen niveles similares de crecimiento de brotes, lo que da como resultado genotipos con combinaciones muy diferentes de niveles de estrigolactona y sacarosa que producen niveles similares de tiempo hasta el crecimiento de brotes”, continuó Powell.

Un diagrama que explica la variación genética críptica de la sacarosa. El gráfico tiene tres niveles horizontales. El nivel más bajo muestra loci genéticos causales con interacciones de señalización complejas entre las características intermedias de la señalización de sacarosa y estrigolactona en el segundo nivel. Estos rasgos convergen en el nivel superior, el rasgo objetivo del crecimiento de los brotes, lo que indica que las combinaciones muy diferentes de niveles de estrigolactona y sacarosa producen valores similares para el tiempo hasta el crecimiento de los brotes. — Explicación esquemática de la canalización genética de las redes gen-fenotipo. Múltiples combinaciones genéticas de rasgos intermedios producen valores similares para el rasgo objetivo, lo que lleva a la acumulación de variación genética críptica a la que no se puede acceder a través de la selección.

Se espera que la canalización genética sea omnipresente en otras características complejas, como el rendimiento de grano, como resultado de interacciones entre múltiples genes, características, entornos y prácticas de manejo agronómico. Esto destaca la necesidad de un mejoramiento con visión de futuro para adoptar una visión de red de rasgos complejos para mejorar nuestra comprensión de la respuesta de selección y la eficiencia del desarrollo de plantas resistentes para climas futuros.

LEER EL ARTÍCULO:

Owen M. Powell, Francois Barbier, Kai P. Voss-Fels, Christine Beveridge, Mark Cooper, Investigando las propiedades emergentes de las redes de genes a fenotipos a lo largo de los ciclos de selección: un estudio de caso de ramificación de brotes en plantas, in silico Plants, 2022 ;, diac006, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac006

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