L’alzineta (Teucrium chamaedrys), rep aquest nom perquè les seves petites fulles recorden les d’una alzina. És una petita planta llenyosa, i apreciada en medicina com altres labiades del gènere Teucrim, particularment pels productes diterpènics que genera. Abigail E. Bryson fa la tesi doctoral al laboratori de Björn Hamberger sobre l’evolució dels clústers de gens de les labiades, i en particular dels gens que participen en la biosíntesi de productes terpènics. Bryson és la primera autora d’un article publicat aquesta setmana a Plant Communications en el que exposen una seqüenciació d’alta qualitat del genoma tetraploide de l’alzineta. Aquest genoma tetraploide respon a una duplicació total del genoma relativament recent, i Bryson et al. s’ocupen especialment del gran clúster de gens biosintètics dedicats al metabolisme diterpenoide. En un genoma de 3 gigabases (Gbp) trobem 74 gens de sintases de diterpens, la majoria dels quals s’agreguen en quatre loci genòmics. Bryson et al. comparen aquest genoma amb el del coixí d’agulles (Teucrium marum), planta endèmica de les Illes Balears, i troben coincidències en el clúster de gens diterpenoids. Bryson et al. remarquen que som davant d’un clúster de gens biosintètics molt extens. La seva recerca també és un exemple de genètica reversa, ja que la informació que ens aporten pot ajudar a elucidar les vies biosintètiques per les quals a partir del kolavanil-difosfat se sintetitza un ample ventall de diterpenoids de tipus clerodan.
Fotografia d’una alzineta de Fernstein, al Tirol, presa per Franz Xaver el 1987. L’alzineta pertany a la família de les lamiàcies o labiades, caracteritzada per l’àmplia diversitat química de terpens que produeixen. Bryson et al. han aplegat i anotat el genoma d’aquesta espècie, marcat per una duplicació recent. Mitjançant la genòmica comparada han aprofundit en la dinàmica evolutiva dels clústers de gens biosintètics del metabolisme especialitzat.
Clusters de gens de biosíntesi en labiades
Aquesta recerca fou concebuda per Abigail E. Bryson (Michigan State University, MSU), Nicholas Schlecht (MSU) i Björn Hamberger (MSU). La investigació i la metodologia anà a càrrec de Bryson, Davis Mathieu (MSU), Kevin L. Childs (MSU) i John P. Hamilton (Center for Applied Genetic Technology, Univ. of Georgia). L’anàlisi genòmica la dugueren a terme Bryson i Mathieu. L’anàlisi filogenètica i els assaigs bioquímics els va fer Bryson. El comptatge cromosòmic el va realitzar Haoyang Xin (MSU). Supervisaren Jiming Jiang (MSU) i C. Robin Buell (Univ. of Georgia) i Hamberger.
Els autors agraeixen Matt Chansler, Jennifer S. Apland i Alan Prather el processament d’espècimens d’herbari; a Emily R. Lanier per l’extracció d’ARN; a Britta Hamberger per la cura de les plantes, i a Patrick Edger i Jim Leebens-Mack per les discussions. Aportaren recursos i serveis computacionals des de l’Institute for Cyber-Enabled Research (MSU) i del Georgia Advanced Computing Resource Center (U. Georgia). El MSU RTSF Genomics Core gestionà tota la seqüenciació.
Bryson i Schlecht agraeixen el suport del programa Neogen Land Grant Prize. Bryson i Mathieu també reben ajut del NSF-IMPACTS Training Grant. Bryson, Mathieu i Hamberger reben finançament de NSF Dimensions of Biodiversity.
La família de la menta, és a dir les Lamiaceae, o plantes labiades, és integrada per espècies tan emblemàtiques com la menta, la lavanda, la sàlvia, el romaní o la teca. S’estima que inclou unes 7000 espècies, la qual cosa la situa entre les tres famílies de plantes amb flors més diverses.
En l’actualitat hom disposa de genomes representatius de 46 espècies de labiades. La xifra sembla prou elevada, però hem de recordar que el Dictionary of Natural Products 30.2 enumera 7500 productes derivats de les labiades que tenen utilitat i aplicació per a interessos humans.
Dins de les labiades hi ha la subfamília de les Ajugoideae (=Teucrioideae), que consta de 770 espècies, de les quals hom disposa de 3 amb genomes publicats. Dins d’aquesta subfamília, hi ha el gènere Teucrium, integrat per 300 espècies.
Ja a l’Antiga Grècia hom emprava plantes del gènere Teucrium en el tractament de l’asma. En l’actualitat hom hi recorre per les seves propietats de repel·lir insectes, limitar males herbes, actuar com antimicrobià, antiviral, antiinflamatori, etc.
L’alzineta (Teucrium chamaedrys) és una de les plantes d’aquest gènere que més sovint apareix a la medicina popular. És una planta llenyosa de distribució mediterrània, productes de la qual s’utilitzen per a tractar problemes digestius, hipertensió i malària.
Bona part d’aquestes propietats medicinals derivarien de l’abundància de diterpenoids. En la síntesi dels diterpenoids participen les diterpen-sintases (diTPSs). Les diTPSs de classe II catalitzen la ciclació mitjançada per protó d’un isoprenoide-fosfat de 20 àtoms de carboni, com ara el geranil-geranil-difosfat (GGDP). Les diTPSs de classe I (TPS-e) hi retiren el grup difosfat.
Una subclasse de diterpenoids són els de tipus clerodan. Les clerodan-sintases generen kolavenil-difosfat (KDP), iso-KDP o cis-trans-clerodienil-fosfat.
La diversitat de productes naturals de les plantes obeeix en part a la duplicació de gens. La duplicació gènica, en ella mateixa, augmenta el nombre de gens, la qual cosa dispersa la pressió selectiva. Cada còpia d’un gen duplicat pot evolucionar de forma divergent, la qual cosa condueix a una major diversificació metabòlica.
Una duplicació gènica pot donar-se en tàndem. Es tractaria, en aquest cas, d’una duplicació segmental d’una regió del genoma. La base d’aquest procés pot explicar-se en errors en la recombinació cromosòmica, però també pot deure’s a repeticions introduïdes per retrotransposició. Les duplicacions per retrotransposició s’identifiquen pel fet que els gens nous manquen dels introns que tenien els gens originals, i també per l’existència de seqüències repetides invertides en els extrems de la duplicació.
La duplicació genòmica sencera és un cas més extrem, però no pas infreqüent. El 35% de les espècies d’angiospermes actuals són poliploides, i darrera de cada cas de poliploïdia hi ha una duplicació genòmica sencera. Per una via i per l’altra, resulta que el 65% dels gens de plantes que han estat anotats són fruit de duplicacions, en la majoria de casos de duplicacions genòmiques senceres.
T. chamaedrys és una planta tetraploide. El seu genoma és de 3 Gpb. Aquesta tetraploïdia derivaria d’una duplicació genòmica completa relativament recent. Això ha suposat la quadruplicació de TPSs, cosa que es manifesta en la presència de quatre còpies d’un clúster massiu que conté la majoria dels gens de diTPSs. El clúster originari encara es pot observar en l’endemisme balear Teucrium marum.
El clúster s’estén 500 Kbp, incloent-hi gens biosintètics. El rècord, doncs, es manté en el clúster de 2 Mpb de Ginkgo biloba.
Bryson et al. han caracteritzat funcionalment els quatre gens putatius de clerodan-sintases de l’alzineta, i un gen homòleg de T. canadense.
De la planta al laboratori
Els investigadors compraren la planta T. chamaedrys a Mountain Valley Growers, i la feren en créixer en un hivernacle. Prèviament a l’extracció d’ADN, la planta fou adaptada a 72 hores de foscor. Es colliren fulles sanes i madures, que foren congelades immediatament en nitrogen líquid, i guardades a -80°C.
L’extracció d’ADN anava encaminada a obtindre àcids nucleics d’alt pes molecular. El teixit congelat era picat en un morter sota nitrogen líquid. S’aïllaven els nuclis cel·lulars, i s’hi afegia CTAB. L’extracció d’àcids nucleics es feia en cloroform i alcohol isoamílic.
La seqüenciació llarga es feia amb genoteques de Nanopore. La seqüenciació curta es feia en la plataforma Illumina.
Amb el programa Jellyfish 2.3.0 s’estimava la mida i l’heterozigositat del genoma. Amb el programa KMC es feia l’anàlisi de ploidia. Amb el programa Flye 2.9 es feia la construcció del genoma. L’anotació del genoma es va fer emprant dades de RNA-seq.
El comptatge de cromosomes es va fer en puntes d’arrels fixades en etanol-àcid acètic. La tinció del material genètic es feia amb DAPI.
L’estudi filogenètic es va fer amb dades de NCBI de T. canadense i de Figshare de T. marum.
La clonació i expressió transitòria es va fer a través del vector pEAQ-HT. Els productes de síntesi eren analitzats per cromatografia de gasos acoblada a espectrometria de masses (GC-MS).
Un genoma tetraploide
Bryson et al. generaren 265 Gbp de lectures llargues per l’Oxford Nanopore Technology i 95 Gbp de lectures curtes d’Illumina. Per GenomeScope estimaren que la mida genòmica de T. chamaedrys és de 1,7 Gbp, amb un valor d’heterozigositat de tan sols 0,14%. El tractament de les seqüències produí 3162 contigüitats, a partir de les quals s’obté un genoma de 2,9 Gbp.
Amb l’eina BUSCO de 2326 possibles gens, Bryson et al. detecten al genoma de T. chamaedrys 2274 ortòlegs complets, dels quals 60 són de còpia única, 2214 duplicats, 8 fragmentats i 44 desapareguts. L’anotació de gens codificadors de proteïna revela 128.111 gens d’alta confiança.
L’alt percentatge d’ortòlegs duplicats és indicatiu d’un esdeveniment recent de duplicació genòmica. Les dades confirmen el caràcter tetraploide de T. chamaedrys. El comptatge cromosòmic en cèl·lules dels meristemes radicals també indica el mateix. En la majoria de cèl·lules en metafase de T. chamaedrys hom estima un nombre cromosòmic 2n = 64. En T. marum, en canvi, el nombre cromosòmic és 2n = 34.
Hom estima que els llinatges de T. marum i T. chamaedrys comparteixen l’ancestre comú més recent en una edat de 4 milions d’anys. En algun moment dels darrers 4 milions d’anys s’hauria produït la duplicació genòmica del llinatge de T. chamaedrys.
L’expansió de gens de diterpens-sintases
Bryson et al. han estudiat les relacions filogenètiques entre 90 gens putatius de diTPS presents en els genomes de T. chamaedrys, T. marum i T. canadense. Els comparen amb gens diTPSs d’altres lamiàcies i de Arabidopsis thaliana.
És significatiu que un locus de T. marum (Teum.10G004340.2—Teum.10G004860.4) contingui 11 dels 15 gens putatius de diTPSs.
En el cas de T. chamaedrys, 53 dels 74 gens putatius de diTPSs es troben en quatre loci (Tcha40759— Tcha40827, Tcha129821—Tcha129881, Tcha25933—Tcha25972, i Tcha102085— Tcha102138).
Hi ha una clara sintènia entre el clúster de T. marum i els quatre clústers de T. chamaedrys. La regió sintènica base conté gens putatius que codificarien enzims de classe II i de classe I de metabolisme diterpenoide. És interessant constatar que a la regió també apareixen 15 gens del clan CYP71, implicats en el metabolisme de diterpenoides.
La duplicació genòmica i la neofuncionalització gènica serien a la base de la diversificació i especialització d’esquelets i de compostos de diterpens.
En la majoria d’espècies de plantes hi ha dos gens de diTPSs: TPS-e.1 (classe I) i TSP-c.1. Això fa possible una via metabòlica que parteix de l’àcid giberel·lic.
El metabolisme de clerodan
Bryson et al. han estudiat l’activitat enzimàtica dels productes de quatre gens: TchaTPS1, TchaTPS2, TchaTPS3, i TcanTPS1. Els tres primers són de T. chamaedrys i els quart és de T. canadense. El gen Tcha144292 de T. chamaedrys resultà inactiu.
Bryson et al. empraren el sistema de transformació per Agrobacterium de Nicotiana benthamiana, combinant cada enzim problema amb l’esclerol-sintasa, i estudiant-ne el producte de síntesi. Els quatre enzims estudiats produïen iso-KDP.
Lligams:
– A high-quality genome assembly of the tetraploid Teucrium chamaedrys unveils a recent whole genome duplication and a large biosynthetic gene cluster for diterpenoid metabolism. Abigail E Bryson, Kevin L Childs, Nicholas Schlecht, Davis Mathieu, John P Hamilton, Haoyang Xin, Jiming Jiang, C Robin Buell, Bjӧrn Hamberger. Plant Commun. (2025).
Des de la Mediterrània 