El genoma de la favera (Genòmica mediterrània, 10/2023)

Donal Martin O’Sullivan (de la School of Agriculture, Policy and Development de la University of Reading), Alan H. Schulman (de l’Institut de Recursos Natural de Finlàndia) i Stig Uggerhøj Andersen (del Departament de Biologia Molecular i Genètica de la Universitat d’Aarhus) són els tres autors corresponsals d’un article publicat aquesta setmana a la revista Nature en el que ens presenten un ensamblatge a escala cromosòmica del gegantí genoma diploide de la favera (Vicia faba L.): 13 Gb (és a dir, més del doble que el genoma humà). Els primers autors d’aquest article són el bioinformàtic Murukarthick Jayakodi (de l’Institut Leibniz de Genètica Vegetal de Gatersleben), la pangenomista Agnieszka A. Golicz (del Departament de Creixement Vegetal de la Universitat Justus Liebig de Giessen) i Jonathan Kreplak (de l’Institut Agro de la Universitat de Bourgogne, amb seu a Dijon). La favera és una planta de llarga tradició agrícola a la Conca Mediterrània. Hom l’ha assenyalada també com d’importància estratègica en la transició alimentària cap a una dieta que orienti la font de proteïna a cultius locals. En aquest sentit, la favera podria ser l’equivalent en la temporada freda o en regions temperades al que és la soja en la temporada càlida o en regions subtropicals. Paral·lelament la favera figura entre les espècies recalcitrants a les eines de la biologia molecular, i això explica l’escassedat de dades genòmiques. Jayakodi et al. ens presenten en aquest treball el genoma de favera. La mida considerable d’aquest genoma ha estat un factor en el caràcter recalcitrant a de la faver a l’anàlisi genòmica. La raó evolutiva d’aquesta mida rau en el fet que la taxa d’amplificació de retrotransposons i repeticions satel·litals supera amb escreix la taxa corresponent d’eliminació. Sobta de tota manera que la distribució de gens en el genoma sigui força compacta: gens i esdeveniments de recombinació es troben repartits per tots els cromosoms si bé la duplicació en tàndem ha provocat una variabilitat important en nombre de còpies de diferents gens. Jayakodi et al. també presenten en l’article un assaig de genotipat i una associació genòmica d’alta resolució sobre la base genètica de la mida de llavor i del color d’hilum. Al capdavall aquest treball genòmica es posa al servei de la millora de producció sostenible de proteïna a les zones agroecològiques mediterrània, subtropical i temperada de l’hemisferi nord.

Els dotze cromosomes del genoma diploide de la favera

La favera (Vicia faba L.) fou cultivada per primera vegada a Orient Mitjà fa més de 10.000 anys. L’àmplia adaptabilitat, el seu valor restaurador en rotacions de cultiu i l’alta densitat nutricional de la fava expliquen que hagi esdevingut una collita global en tots els continents. El seu genoma diploide consisteix en 12 cromosomes (=6 parells de cromosomes). Una qüestió pendent és trobar el progenitor salvatge d’aquesta espècie. En el jaciment neolític de Tell el-Kerch s’han trobat restes de llavors de fava silvestre, però sense poder aclarir gaire la seva posició taxonòmica. Són espècies silvestres relativament propers V. narbonensis, V. palaestina i V. kalakhensis). Entre les variants de V. faba, totes domèstiques, hom pot distingir les formes ‘paucijuga’, ‘minor’ i ‘faba’: les dues primeres són de llavor petita i la tercera és de mida mitjana. Encara hi podem afegir una quarta forma, ‘equina’, que com les altres hauria estat producte de mil·lennis de seleccions artificials. Globalment, la fava ofereix el major rendiment de totes les lleguminoses de gra. És un llegum més proteaginosa (29% de contingut proteic) que no pas el pèsol, la llentia o el cigró. També és remarcable l’alta taxa de fixació de nitrogen, que explica el seu caràcter reparador en la rotació de cultius. Encara caldria afegir que la seva floració és de període llarg, oferint un nèctar valuós als insectes pol·linitzadors.

En les tècniques de millora genètica no ajuda, però, que la favera tingui un sistema de reproducció parcialment al·lògam o una taxa baixa de multiplicació de llavors.

Jayakodi et al. han fet ús de treballs anteriors sobre la genètica de la favera, una part d’ells obtinguts en la sisena generació d’encreuament de recombinants NV644 x NV153.

L’estimació de la mida del genoma nuclear de la favera s’ha fet amb una tècnica de citometria de flux a partir de teixit intacte de fulla de V. faba Hedin/2.

Jayakodi et al. han realitzat una seqüenciació de metilació enzimàtica per obtindre dades sobre el metiloma de la favera.

L’anotació genòmica ha anat orientada a la identificació de seqüències repetitives i de gens. En la identificació d’aquests darrers, Jayakodi et al. s’han ajudat de bases de dades de 19 espècies de llegums.

Jayakodi et al. estimen en 13 gigabases la mida del genoma diploide de la favera. El genoma haploide es troba distribuït en sis cromosomes, el més gran del qual és equivalent a la mida dels 23 cromosomes del genoma haploide humà. Aquest cromosoma 1 de la favera és metacèntric, tal com evidencia l’estudi de seqüenciació basat en la immunoprecipitació de la cromatina per reacció amb la histona H3. El genoma publicat per Jayakodi et al. seria complet en un 96,3%.

L’expansió del genoma de la favera

La seqüència genòmica de V. faba Hedin/2 ha estat anotada amb dades de seqüenciació d’ARN corresponents a nou teixits diferents de la planta. De l’anàlisi transcriptòmica resulten 34.221 gens codificadors de proteïna, mentre que de l’ensamblatge genòmic Tiffany s’estimen uns 34.043. La densitat gènica (27 gens per centimorgan) és uniforme al llarg dels sis cromosomes de la dotació haploide, exceptuant les regions dominades per ADN satèl·lit.

Els introns de V. faba no són pas més grans que els d’altres plantes amb genomes més petits. Sí que és més llarg, però, l’espai intergènic. El darrer esdeveniment de duplicació de tot el genoma en el llinatge de la favera es remunta a 55 milions d’anys, i és compartit doncs amb les diverses espècies de Papilionoideae. Amb posterioritat hi hauria hagut duplicacions en tàndem, manifestades en 1.108 clústers sintètics. Entre les famílies de gens expandides hi ha la de les leghemoglobines (importants en el control de l’oxigen en els nòduls radicals on simbionts realitzen la fixació de nitrogen).

És la proliferació d’elements repetits la que explica que Vicia faba tingui un genoma set vegades més gran que la veça Vicia sativa. Un 79% del genoma de V. faba derivaria de transposons. Els retrotransposons LTR suposarien el 63,7% del genoma de V. faba: d’aquests la família Ogre d’elements Gipsy suposa ja el 44% del genoma. Cal dir que un sol element Ogre ja té 35 kb. Pel que fa a les famílies de repeticions en satèl·lit, la més abundant és FokI que abasta el 4% del genoma de V. faba.

El metiloma de V. faba

El genoma de V. faba és un dels genomes vegetals de més alta metilació. El 95,8% de les citosines en posició CG; el 88,2% en contexts CHG i el 14% en contexts CHH es troben metilades. La metilació CG és més elevada en exons interns i introns, i ho és menys en els primers exons. La metilació és més elevada en els gens que s’expressen en teixit de fulla jove.

Aplicacions en millora genètica

La intenció de Jayakodi et al. és fornir un marc unificat de referència als esforços de mapatge genètic, de perfil d’expressió gènica i de genòmica comparada. Són d’especial interès els loci de trets quantitatius vinculats a la resistència a malalties o a característiques fenològiques.

Un exemple d’aquests trets és la mida de la llavor. Jayakodi et al. han recollit dades de mida de llavor de 197 variants de favera en dues localitats durant tres anys. Amb el consegüent estudi d’associació genòmica trobaren 15 associacions del tret amb marcadors genètics, el més potent dels quals era el gen Vfaba.Hedin2.R1.4g051440.

En oposició als trets quantitatius trobem els trets qualitatius mendelians clàssics. En el cas de la favera trobem el color de l’hilum. Els estudis de mercat assenyalen que els consumidors prefereixen les variants de fava amb hílum de color pàl·lid. Jayakodi et al., en el seu estudi d’associació genòmica, posaren de manifest que el gen més influent en aquest tret és HC. Darrera del color de l’hilum esdevé crucial l’activitat polifenol-oxidasa, que regula el patró de pigmentació mediat per compostos fenòlics com els dímers i trímers d’àcid clorogènic, gal·locatequina i tetracosilcafeat.

Jayakodi et al. han treballat amb les variants de favera Hedin/2 i Tiffany. Les llavors d’una i altra es distingeixen pel color de l’hilum, que és fosc en la primera i clar en la segona. La diferència s’explica per diferents diposicions del complex del locus PPO

El futur de les faves

La favera és, al capdavall, una dels cultius que forma part del “paquet neolític” amb el que carregaren els primers agricultors sorgits del Creixent Fèrtil. És proverbial, alhora, la prohibició pitagòrica contra les faves. Jayakodi et al. pensen que calen noves varietats de fava que siguin baixes en els glucòsids alcaloides vicina i convicina, i també baixes en tanins. La composició en aminoàcids essencials hauria de respondre millor als requeriments nutricionals humans, la qual cosa també passa per una reducció en els nivells de fitat i d’inhibidors de proteasa. Totes aquestes característiques no haurien d’interferir ni en la mida de la llavor ni en la resistència a plagues, i també haurien de ser compatibles amb una millora de l’estabilitat de rendiment.

Disposar d’eines genòmiques hauria d’ajudar en els processos de selecció de noves variants. Allà on no arriba la considerable diversitat de varietats de fava, Jayakodi et al. proposen la transformació d’embrions a través d’Agrobacterium.

Lligams:

– The giant diploid faba genome unlocks variation in a global protein crop. Murukarthick Jayakodi, Agnieszka A. Golicz, Jonathan Kreplak, Lavinia I. Fechete, Deepti Angra, Petr Bednář, Elesandro Bornhofen, Hailin Zhang, Raphaël Boussageon, Sukhjiwan Kaur, Kwok Cheung, Jana Čížková, Heidrun Gundlach, Asis Hallab, Baptiste Imbert, Gabriel Keeble-Gagnère, Andrea Koblížková, Lucie Kobrlová, Petra Krejčí, Troels W. Mouritzen, Pavel Neumann, Marcin Nadzieja, Linda Kærgaard Nielsen, Petr Novák, Jihad Orabi, Sudharsan Padmarasu, Tom Robertson-Shersby-Harvie, Laura Ávila Robledillo, Andrea Schiemann, Jaakko Tanskanen, Petri Törönen, Ahmed O. Warsame, Alexander H. J. Wittenberg, Axel Himmelbach, Grégoire Aubert, Pierre-Emmanuel Courty, Jaroslav Doležel, Liisa U. Holm, Luc L. Janss, Hamid Khazaei, Jiří Macas, Martin Mascher, Petr Smýkal, Rod J. Snowdon, Nils Stein, Frederick L. Stoddard, Jens Stougaard, Nadim Tayeh, Ana M. Torres, Björn Usadel, Ingo Schubert, Donal Martin O’Sullivan, Alan H. Schulman, Stig Uggerhøj Andersen. Nature (2023)