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Los chiles que le dan sabor al mundo

 | 
Araceli Aguilar-Meléndez
, 
Marco Antonio Vásquez-Dávila
, 
Esther Katz
, 
et al.

El genoma del chile (Capsicum annuum)

Diana Trejo-Saavedra et Rafael Rivera-Bustamante

Texte intégral

¿Usted se ha preguntado por qué una persona tiene, por ejemplo, ojos azules o negros, el cabello rojizo o castaño o por qué es más (o menos) susceptible a ciertas enfermedades? ¿Qué le da a un individuo esas características que lo hacen único, distinto a los demás?

1Pensemos en que todos los seres vivos (plantas, animales, bacterias, hongos, etc.) tienen ciertos elementos que les dan sus características propias y que determinan, en gran parte, su identidad. A esos elementos, que se transmiten de padres a hijos en la reproducción, se les denomina genes. Un gen es una unidad molecular que le permite a un organismo vivo transmitir ciertos rasgos a su descendencia. Ya en conjunto, todos estos genes constituyen lo que conocemos como genoma, es decir, la información genética organizada, la cual permite explicar por qué una persona tiene determinados rasgos, como el color de los ojos o del cabello. En el caso de las plantas, el análisis del genoma nos puede ayudar a explicar por qué unas producen tubérculos, por ejemplo, mientras que otras dan frutos de sabor dulce o con una pungencia característica.

2La secuenciación y análisis de los genomas ha sido uno de los retos más ambiciosos de los científicos en las últimas décadas, ya que requirió el esfuerzo de varios grupos de investigación, el desarrollo de herramientas informáticas y el refinamiento de las técnicas bioquímicas para elucidar las secuencias de los nucleótidos en el ácido desoxirribonucléico (dna, siglas en inglés de deoxyribonucleic acid). Los primeros genomas secuenciados fueron sistemas biológicos pequeños y comparativamente simples (virus y bacterias y levaduras). Por lo tanto, sus genomas también eran relativamente pequeños.

3Un momento culminante para las ciencias biológicas fue la determinación del genoma humano –obtenido por dos grupos científicos en paralelo– ya que por un lado vino a consolidar la genómica como disciplina y, por otro, a promover avances tecnológicos para aumentar la rapidez y eficiencia del proceso de secuenciación generando una lluvia de información relevante (Venter et al. 2001; nhgri 2001). En el caso de las plantas, la primera en ser secuenciada fue Arabidopsis thaliana (The Arabidopsis Genome Initative 2000). La elección de esta especie no fue arbitraria sino resultado de haber explorado un modelo que tuviera un genoma pequeño para que se facilitara su secuenciación, que tuviera un ciclo de vida relativamente corto y que fuera fácil de manipular genéticamente para generar colecciones de mutantes de casi todos los genes y poder así estudiar las funciones de cada gen y las interacciones entre ellos. Después de la obtención del genoma de Arabidopsis le siguieron rápidamente los genomas de cultivos de importancia económica como el arroz (International Rica Genome Sequencing Project 2005), el maíz (Schnable et al. 2009) y, más recientemente, el jitomate (The Tomato Genome Consortium 2012) y la papa (Potato Genome Sequencing Consortium 2011).

Descifrando al chile

El género Capsicum, en el que se clasifica al chile, pertenece a un subgrupo taxonómico de la familia Solanaceae, junto a otros subgrupos como el del jitomate (Solanum lycopersicon), la papa (Solanum tuberosum), el tabaco (Nicotiana tabacum) y tomatillo (Physalis sp.). Este género incluye al menos 35 especies nativas de América tropical, de las cuales C. annuum L., C. baccatum L., C. chinense Jacq., C. frutescens L. y C. pubescent Ruiz & Pavón fueron domesticados hace aproximadamente 6 000 años por los nativos americanos (Perry y Flannery 2007).

4Desde hace ya varios años ha habido mucho interés en estudiar la diversidad genética del chile, principalmente entre los diferentes frutos seleccionados localmente y que usualmente son designados como variedades; algunas variedades nativas domesticadas y sus parientes silvestres se han explorado utilizando diversas metodologías (Aguilar-Meléndez et al. 2009; Nicolaï et al. 2013; Votava et al. 2002). Distintos estudios mostraron que la variabilidad genética entre las variedades de Capsicum annuum con frutos dulces y grandes es muy restringida y se ha sugerido que la pérdida de la diversidad durante la transición de poblaciones silvestres a cultivadas ocurrió inclusive en áreas de cohabitación. Los bajos niveles de diversidad en la principal reserva genética del chile es una de las razones que han limitado el mejoramiento genético, otra más ha sido la falta de un genoma de referencia (Park et al . 2011).

  • 1 Nombre técnico dado a una variedad de chile ampliamente estudiada.

5El genoma de chile fue determinado por dos grupos en forma paralela. Uno de ellos, encabezado por científicos coreanos, secuenció el genoma de un chile criollo mexicano cm334 (criollo de Morelos 334)1. El otro, lidereado por científicos chinos y mexicanos, secuenció y comparó los genomas de una variedad comercial de China (Zunla-1) y un chile mexicano silvestre (chiltepín, ver figura 1), colectado en una región del estado de Querétaro, seleccionada por estar aislado de los chiles de producción comercial (Kim et al. 2014; Qin et al. 2014).

Figura. 1.Capsicum annuum var. glabriusculum colectado en el estado de Querétaro. Este material fue utilizado para determinar el genoma de Capsicum en el proyecto de colaboración China-México (Qin et al. 2014). Elaboración propia.

La interacción México-China para determinar el genoma del chile surgió casi de manera natural debido a que estos dos países son los principales productores de chile en el mundo. China está en primer lugar, con 16 millones de toneladas y México, en segundo, con 2.3 millones de toneladas. Incluso existe una gran importancia cultural en el uso del cultivo en ambos países ya que, aunque con historias contrastantes, se han generado variedades propias, con base en los gustos de sus consumidores locales, sus regiones geográficas y sus condiciones particulares de cultivo, plagas y enfermedades, entre otras. La colaboración entre grupos de investigación de ambos países planteaba generar información básica para agilizar el mejoramiento y la obtención de nuevas variedades, y al mismo tiempo se tendría la posibilidad de revisitar algunas de las preguntas científicas que ofrecen un reto intelectual sobre la historia del chile, su domesticación y su distribución por el mundo. Casi al mismo tiempo se gestó otro grupo de investigación en Corea con la misma intención de generar información genómica de los chiles.

6Los proyectos de caracterización de un genoma son muy complejos y van más allá de determinar un solo genoma, es decir, de un individuo, de una variedad o de una muestra seleccionada. La información más relevante, a largo plazo, surge cuando se comienza a comparar genomas de diferentes variedades, diferentes poblaciones silvestres, etc. Es lo que se conoce como resecuenciaciones genómicas. Esto permite apreciar la diversidad genómica de la especie. El trabajo chino-mexicano se distingue del coreano en que el número de resecuenciaciones fue considerablemente mayor y además se incluyeron secuenciaciones de genomas de otras especies relacionadas, como C. chinense y C. estivium (Albert y Chang 2014).

7Al estudiar y comparar los genomas de un chile silvestre mexicano (chiltepín o chile piquín) y de diversas variedades chinas (incluyendo Zunla-1, de gran importancia económica), se obtuvo información relevante sobre la especie y además se encontraron pistas importantes sobre el proceso de domesticación que podrán guiar futuros estudios.

  • 2 Gb es una unidad de medida igual a mil millones de pares de bases (pb).

8El estudio confirmó que el genoma del chile es de tres a cuatro veces más grande que el genoma de sus parientes cercanos, el jitomate y la papa, también secuenciados recientemente. Por ejemplo, el tamaño del genoma del C. annuum variedad Zunla-1 es de 3.26 Gb,2 es decir, contiene 3 billones 260 millones de pares de bases. El genoma de esta variedad china resultó ser solo un poco más grande que el genoma del chiltepín (Capsicum annuum, var. glabriusculum), considerado como posible progenitor silvestre de las razas de chiles domesticados en Mesoamérica, que tiene un tamaño de 3.07 Gb. El tamaño del genoma de chile resultó ser similar al tamaño del genoma humano (3.2 Gb) y un poco más grande que el del maíz (2.3 Gb). En contraste, el tamaño de los genomas de jitomate y papa están en el rango de 0.8 a 0.9 Gb. La comparación de estos genomas se puede observar en la tabla 1.

Tabla 1.Comparación del genoma de chile con otros genomas de referencia.

Tabla 1.Comparación del genoma de chile con otros genomas de referencia.

Note 3 Mb es igual a un millón de pb.

El tamaño de un genoma no necesariamente significa que ese organismo tiene más genes que otro con un genoma más pequeño. Por ejemplo, las tres solanáceas mencionadas (chile, jitomate y papa) tienen un número de genes muy similar, alrededor de 35 a 39000, aun cuando los genomas difieren mucho en tamaño.

Elementos repetitivos y la expansión del genoma

  • 3 Llamado así porque aún no se entiende cuál es su función.

Hace millones de años el chile, la papa y el tomate divergieron de un ancestro común; sin embargo, el primero, a diferencia de las otras dos especies, tuvo un crecimiento de su genoma al acumular dna repetitivo o lo que coloquialmente se denominaba dna basura (junk dna).3

9Diversos análisis sugieren que el genoma de Capsicum comenzó a aumentar en tamaño hace 17 millones de años, y que hace 300 000 tuvo un salto evolutivo muy importante que le confirió características únicas como el picor, que hoy resulta sumamente importante no solo para la industria agrícola o alimentaria sino para otros sectores, como el farmacéutico.

10Este crecimiento del genoma se debió a la acumulación de dna repetitivo, principalmente de elementos denominados transposones. Estos son secuencias de dna que pueden copiarse y moverse a lo largo de un genoma, generando mutaciones, las cuales al copiarse muchas veces alteran su tamaño. Por ello ahora, más de 81 % de los 3.26 miles de millones de bases (3.26 Gb) que conforman el genoma del chile se compone de estos elementos genéticos móviles. Este porcentaje es significativamente más alto que lo encontrado en los genomas de otras solanáceas (papa y jitomate). La mayoría de estos elementos son del tipo denominado retrotransposones ltrs (70.3 %) y transposones (4.5 %). Los ltrs contribuyeron mayormente a la expansión del genoma de chile. Este resultado es muy similar a la contribución de los transposones al genoma del maíz, que es de 75 % (Schnable et al. 2009). El retrotransposón más abundante encontrado en el genoma de chile es Gypsy, que corresponde a 54.5 % de ese adn repetitivo. En segundo lugar, se encuentra el retrotransposón Copia, con una contribución menor de 8.6 %. Curiosamente, Copia es el elemento más abundante en genomas de plantas monocotiledóneas como el maíz. El estudio de estos elementos genéticos repetidos y cómo se van modificando (mutando) con el tiempo puede ser un parámetro muy interesante para entender la evolución del genoma.

Identificación de genes y transcripción

Hay varias maneras para identificar genes en el genoma secuenciado de un organismo. Una de ellas es utilizar análisis informáticos que predicen con cierta exactitud la presencia de un posible gen en una región determinada. Este análisis combina la presencia de marcos de lectura abierta de tamaño adecuado (predicción de la capacidad de producir proteínas) que estén asociados a otros elementos genéticos requeridos para el funcionamiento de un gen, por ejemplo, promotores y terminadores. Sin embargo, la evidencia definitiva de la presencia de un gen es la detección de un rna (siglas en inglés de ribonucleic acid, ácido ribonucleico) relacionado con esa región que demuestra que la región candidato (posible gen) en realidad sí está generando (transcribiendo) una molécula de rna.

11De esta manera, para facilitar la identificación de genes en el genoma de chile recién secuenciado, se utilizaron datos conocidos provenientes de la secuenciación de rna de bibliotecas que representan a todas las etapas de desarrollo de la planta: tejido vegetativo de raíz, tallo, hojas y de flores y frutos en diferentes etapas. Además, se utilizaron bancos de cdna (copia de los rna) de plantas en diferentes condiciones de estrés (por ejemplo, infectadas con patógenos) para identificar aquellos genes que solamente se expresan en dichas condiciones.

12En el genoma del chile los genes identificados se encuentran localizados principalmente en los extremos de los cromosomas. En la parte central, cerca de los centrómeros, se encontraron transposones principalmente.

13Además de los rna mensajeros (mrna), que dirigen la síntesis de las proteínas, en el genoma del chile se identificaron 176 mirna (microrna). Estos elementos han sido recientemente descritos como una forma importante de regulación de diversos procesos en la planta. Los mirna de Capsicum se clasificaron en 64 familias. Al hacer una comparación con mirna de otros miembros de las solanáceas y especies de plantas, se encontró que 141 mirna se conservan entre ellas, mientras que 35 son específicos del chile. Para ver la importancia o impacto de estos mirna, se puede hacer una predicción de los posibles genes blanco para estos mirna. En el caso del chile se encontraron 1104 posibles genes blanco, de los cuales 78 % tiene funciones no conocidas hasta el momento. Cabe destacar que cerca de la mitad de las familias de mirna de chile, potencialmente tiene un papel importante en la regulación postranscripcional, pues están dirigidos contra mrna que codifican para factores de transcripción.

Miradas en torno a la evolución de las solanáceas

Al comparar la secuencia del genoma del chile con las secuencias de los genomas del jitomate, de la papa y de Arabidopsis, se identificaron 10279 familias de genes que se comparten entre las cuatro especies. Un total de 17671 genes son similares a los de esas especies y han retenido la misma función (genes ortólogos). También se encontraron 1257 familias de genes que contienen 3143 genes específicos del genoma de chile. Estos tienen diversas funciones biológicas, sin embargo, la mayoría se encuentra en familias que responden de manera rápida a las condiciones medioambientales.

Huellas moleculares de la selección artificial

El ser humano ha buscado tener mejores variedades de las plantas que cultiva, seleccionando sus características deseables. La selección artificial, que participa en los procesos de mejoramiento de la domesticación temprana y la mejora intensiva moderna, jugó un papel importante en el origen de los chiles cultivados. Las señales de selección artificial tienen marcas genéticas que ahora podemos identificar.

14Dentro del proyecto chino-mexicano de secuenciación del genoma de Capsicum, se estudiaron y secuenciaron en total 20 variedades de chiles. De estas, 18 fueron accesiones cultivadas que representan las principales variedades de C. annuum en China y dos accesiones semisilvestres (silvestres), que podrían ayudar a explicar las diferencias en tamaño de semilla, resistencia a estrés, resistencia a patógenos y aumento de vida útil.

15A partir de análisis comparativos entre estas variedades, se detectó un promedio de 9 millones 826526 variaciones de nucleótidos y 237509 pequeñas inserciones/deleciones. Como era de esperar, las accesiones silvestres poseen mayor diversidad genética que los materiales cultivados. Esto significa que los chiles silvestres y los domesticados son genéticamente distinguibles a nivel genómico global.

16Las comparaciones entre los genomas de chiles silvestres y variedades cultivadas permiten, además, la identificación de regiones que sean altamente conservadas entre ellas. Esto permite identificar regiones o genes que probablemente hayan sido importantes durante la selección artificial. En el estudio se identificaron 115 regiones con un tamaño total de 85.2 Mb, que corresponden a 2.6 % del genoma. En estas regiones se identificaron 511 genes. Estudios posteriores permitirán la caracterización detallada de estos genes y su trascendencia en los procesos de desarrollo de la planta, así como en la domesticación de esta importante especie. Ensayos preliminares indican la presencia de genes involucrados en las respuestas de defensa o de estrés y, como era de esperarse, en el crecimiento y desarrollo del fruto.

17Al conocer las diferencias entre los genomas de chiles con distinta forma, sabor e incluso grado de picor, se podrá optimizar la eficacia de los programas de mejoramiento del chile, en función de las necesidades de los agricultores y del mercado. Por ejemplo, obtención de nuevas variedades resistentes a enfermedades con frutos de mayor tamaño, e inclusive con mayor contenido nutricional.

Comparación del desarrollo del fruto entre chile y jitomate

El proceso de maduración influye en gran medida en la calidad del fruto y difiere significativamente entre frutos climatéricos, como el jitomate, y no climatéricos, como el chile, el cual tiene un proceso de ablandamiento más lento. Cuando se compara la expresión de genes entre el jitomate y el chile durante la maduración del fruto, en el jitomate se detectan 2281 genes diferenciales, mientras que en el chile únicamente se detectan 1440. El concepto de genes diferenciales significa que estos solo se expresan en el fruto y no en otras regiones de la planta como la hoja, el tallo o la raíz. En este conjunto de genes se incluyen aquellos que participan en la remodelación de la pared celular, la señalización hormonal y el metabolismo de carbohidratos, la degradación de proteínas y las respuestas de estrés abiótico. Algunas de las diferencias importantes entre jitomate y chile, así como para la producción de ácido jasmónico, por ejemplo, fue el número de genes implicados en la biosíntesis y señalización del etileno, que es necesario para la maduración del fruto. El número de genes fue menor en el caso del chile. Por el contrario, el número de genes diferencialmente expresados para la producción de otras hormonas, como el ácido abscísico y auxinas, fue mayor en chile. Algunas de estas observaciones ayudarían a explicar la vida útil más larga que tienen los chiles en comparación con los jitomates.

Evolución de genes implicados en la síntesis de la capsaicina

El género Capsicum se caracteriza por tener acumulación de capsaicina, componente responsable del característico sabor picante de algunos chiles. Este componente es exclusivo del género Capsicum, que lo hace muy interesante para la cultura mexicana. En el genoma del chile se identificaron 51 familias de genes implicados en la biosíntesis de capsaicina. Un análisis filogenético mostró que hay duplicaciones en 13 familias de genes que son únicas en chile. La divergencia de secuencia entre las duplicaciones de genes podría haber llevado a adquirir nuevas funciones, promoviendo la evolución de la biosíntesis de capsaicinoides en Capsicum. La expresión de los genes involucrados en esta biosíntesis se observó en tejidos específicos y en diferentes estados de desarrollo del fruto. En chiles no picantes la expresión de estos genes es muy baja o indetectable, y algunos otros presentan mutaciones importantes que evitan su expresión. Conforme se sigan secuenciando y estudiando más genomas de solanáceas se podrá determinar con mayor exactitud cómo y cuándo surgieron en Capsicum los genes para esta importante ruta que ha hecho únicos a los chiles, convirtiéndolos en nuestros frutos favoritos.

Bibliographie

Referencias

Aguilar-Meléndez, Araceli, Peter L. Morrell, Mikeal L. Roose, y Seung-Chul Kim. 2009. Genetic diversity and structure in semiwild and domesticated chiles (Capsicum annuum; Solanaceae) from Mexico. Am.J. Bot. 96: 1190-1202. https:// doi.org/10.3732/ajb.0800155.

Albert, Victor A. y Tien-Hao Chang. 2014. Evolution of a Hot Genome. Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (14): 5069-70. https://doi.org/10.1073/ pnas.1402378111.

International Human Genome Sequencing Consortium. 2001. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409 (febrero): 860.

International Rice Genome Sequencing Project. 2005. The map-based sequence of the rice genome. Nature 436 (agosto): 793.

Kim, Seungill, Minkyu Park, Seon-In Yeom, Yong-Min Kim, Je Min Lee, Hyun-Ah Lee, Eunyoung Seo, et al. 2014. Genome Sequence of the Hot Pepper Provides Insights into the Evolution of Pungency in Capsicum Species. Nature Genetics 46 (3): 270-78. https://doi.org/10.1038/ng.2877.

Nicolaï, Maryse, Mélissa Cantet, Véronique Lefebvre, Anne-Marie Sage-Palloix, y Alain Palloix. 2013. Genotyping a large collection of pepper (Capsicum spp.) with SSR loci brings new evidence for the wild origin of cultivated C. annuum and the structuring of genetic diversity by human selection of cultivar types. Genet Resour Crop Evol 60: 2375-90. https://doi.org/10.1007/s10722-013-0006-0.

Park, Minkyu, SungHwan Jo, Jin-Kyung Kwon, Jongsun Park, Jong Hwa Ahn, Seungill Kim, Yong-Hwan Lee, et al. 2011. Comparative analysis of pepper and tomato reveals euchromatin expansion of pepper genome caused by differential accumulation of Ty3/Gypsy-like elements. BMC Genomics 12 (enero): 85. https:// doi.org/10.1186/1471-2164-12-85.

Perry, Linda, y Kent V. Flannery. 2007. Precolumbian Use of Chili Peppers in the Valley of Oaxaca, Mexico. Proceedings of the National Academy of Sciences 104 (29): 11905-9. https://doi.org/10.1073/pnas.0704936104.

Qin, Cheng, Changshui Yu, Yaou Shen, Xiaodong Fang, Lang Chen, Jiumeng Min, Jiaowen Cheng, et al. 2014. Whole-Genome Sequencing of Cultivated and Wild Peppers Provides Insights into Capsicum Domestication and Specialization. Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (14): 5135-40. https://doi.org/10.1073/pnas.1400975111.

Potato Genome Sequencing Consortium. 2011, Genome Sequence and Analysis of the Tuber Crop Potato. Nature 475 (7355): 189.

Schnable, Patrick S., Doreen Ware, Robert S. Fulton, Joshua C. Stein, Fusheng Wei, Shiran Pasternak, Chengzhi Liang, et al. 2009. The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics. Science 326 (5956): 1112-15. https://doi. org/10.1126/science.1178534.

The Arabidopsis Genome, Initiative. 2000. Analysis of the Genome Sequence of the Flowering Plant Arabidopsis Thaliana. Nature 408 (6814): 796-815. https:// doi.org/10.1038/35048692.

The Tomato Genome Consortium. 2012. The Tomato Genome Sequence Provides Insights into Fleshy Fruit Evolution. Nature 485 (7400): 635-41. https://doi. org/10.1038/nature11119.

Venter, J. Craig, Mark D. Adams, Eugene W. Myers, Peter W. Li, Richard J. Mural, Granger G. Sutton, Hamilton O. Smith, et al. 2001. The Sequence of the Human Genome. Science 291 (5507): 1304-51. https://doi.org/10.1126/science.1058040.

Votava, Eric J., Gary P. Nabhan, y Paul W. Bosland. 2002. Genetic diversity and similarity revealed via molecular analysis among and within an in situ population and ex situ accessions of chiltepín Capsicum annuum var. glabriusculum). Conservation Genetics 3: 123-29.

Notes

1 Nombre técnico dado a una variedad de chile ampliamente estudiada.

2 Gb es una unidad de medida igual a mil millones de pares de bases (pb).

3 Llamado así porque aún no se entiende cuál es su función.

Table des illustrations

Légende Figura. 1.Capsicum annuum var. glabriusculum colectado en el estado de Querétaro. Este material fue utilizado para determinar el genoma de Capsicum en el proyecto de colaboración China-México (Qin et al. 2014). Elaboración propia.
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Auteurs

Como doctora en Ciencias, su formación académica se ha enfocado principalmente en el estudio de la interacción geminivirus-chile. Tiene amplia experiencia en el uso de técnicas de biología molecular para la purificación de proteínas y la detección de genes en plantas, frutos y alimentos procesados.

Desde su incorporación al departamento de Ingeniería Genética del Cinvestav Irapuato en 1987, el doctor Rivera-Bustamante (PhD UC Riverside; sni iii), se ha enfocado al estudio de virus que infectan hortalizas, principalmente chile y jitomate. Esta investigación ha estado fuertemente basada en la participación de estudiantes de posgrado y la colaboración con colegas internacionales.

© IRD Éditions, 2018

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