Lectura de ADN nuclear y cloroplástico a partir de las mismas lecturas de secuenciación

Con la Sra. Eranga Pawani Witharana como primera autora, un grupo de investigación centrado en nuestro laboratorio demostró un método para recuperar de forma eficiente información filogenética nuclear a partir de las mismas lecturas de secuenciación utilizadas para el análisis del genoma de cloroplastos, permitiendo una comparación integrada de ambas fuentes de datos.

Los genomas de cloroplastos (cp) se utilizan ampliamente en la filogenética vegetal porque son relativamente pequeños y fáciles de tratar. Sin embargo, en muchas angiospermas, cpDNA se hereda uniparentalmente—a menudo maternalmente—y por tanto puede transmitir una señal filogenética diferente a la DNA nuclear heredada biparentalmente. Por lo tanto, los datos de cloroplastos por sí solos pueden ser insuficientes para resolver algunas relaciones evolutivas.

Para obtener información filogenética más completa, también es importante la información de DNA nuclear, que se hereda de ambos progenitores. La DNA nuclear ofrece una perspectiva genética más holística que cpDNA. Sin embargo, adquirir información completa sobre DNA nuclear estuvo previamente asociado a altos costes. En los últimos años han surgido métodos altamente rentables para obtener datos de DNA nuclear (por ejemplo, captura de objetivos RNA secuenciación), pero generalmente ha sido necesario preparar por separado los datos de cloroplastos y DNA nucleares.

En este estudio, para abordar este desafío, nos centramos en el desarrollo y validación de un nuevo método que obtiene información nuclear DNA filogenética a partir de los "mismos datos exactos" de secuencia leídos (no procesados) utilizados para el análisis del genoma de cloroplastos.

Utilizamos una nueva herramienta computacional llamada Read2Tree. Read2Tree permite la extracción directa y eficiente de la energía nuclear conservada Secuencias génicas a partir de datos de secuencias de lectura en bruto.

Tras la publicación del artículo, hicimos público el analysis pipeline en el GitHub repository «Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics», para facilitar la reproducción y posteriores aplicaciones del workflow.

Principales características y ventajas de Read2Tree

• Rentable: Utilizar los mismos datos en bruto que el análisis de cloroplastos reduce los costes de adquisición de datos.
• Recuperación integral de datos nucleares: Un enfoque guiado por genomas de referencia permite la extracción de un gran número de genes nucleares conservados.
• Análisis simplificado: funciona como una cadena integrada desde la identificación de genes hasta la generación de alineaciones y la construcción de árboles filogenéticos.
• No se requiere preparación personalizada: Utiliza conjuntos de datos de referencia existentes, eliminando la necesidad de diseñar y validar conjuntos de sondas o bases de datos específicas de cada especie.
• Útil para el análisis de discordancias: Genera datos individuales de alineación génica, que pueden utilizarse para investigar causas de discordancia filogenética (como discrepancias entre árboles génicos y árboles de especies).

Validación de métodos: Un ejemplo usando plantas Aurantioideae

Para validar la eficacia y utilidad de este nuevo método (análisis filogenético de DNA nuclear usando Read2Tree), nos dirigimos al grupo de plantas Aurantioideae. Aurantioideae, que incluye cítricos y sus parientes cercanos, es un grupo importante con relaciones filogenéticas complejas.

Utilizando Read2Tree, el estudio recuperó secuencias de genes nucleares conservados para 39 especies de Aurantioideae y comparó las filogenias nucleares resultantes con árboles genómicos de cloroplastos construidos a partir de las mismas lecturas en bruto.

• Comparación con métodos existentes de DNA nuclear: La filogenética nuclear DNA El árbol obtenido por Read2Tree se comparó con el árbol generado por RAD-Seq, otro método de DNA nuclear utilizado en estudios previos. Esta comparación evaluó la fiabilidad de Read2Tree.
• Integración con análisis filogenético de cloroplastos: Los árboles filogenéticos de genomas de cloroplastos se construyeron a partir de los mismos datos en bruto y se compararon con los árboles de DNA nucleares producidos por Read2Tree. Este enfoque investigó la discordancia citonuclear, la descoordinación entre cloroplastos y filogenias nucleares.
• Análisis de las causas de discordancia: Utilizando datos de alineación genética individual por Read2Tree y combinándolo con otros métodos (D-estadística, DFOIL, QuIBL, etc.), analizamos si la discordancia filogenética observada era causados por complejos procesos evolutivos como Ordenación de linaje incompleto (ILS), Introgresión, o la antigua introgresión.

Resultados (Eficacia del método)

Los resultados de este estudio revelaron los siguientes puntos, demostrando la eficacia del método usando Read2Tree:

• Comparación de filogenias nucleares: Las Read2Tree filogenias nucleares coincidieron en gran medida con las relaciones reportadas por un estudio anterior de RAD-Seq. Algunas colocaciones de taxones seguían siendo inciertas, por lo que el análisis no debe interpretarse como una resolución definitiva de todas las ramas.
• Reutilización eficiente de datos: El mismo conjunto de datos de lectura corta apoyaba tanto el análisis del genoma de cloroplastos como la inferencia filogenética nuclear, haciendo que el enfoque fuera más rentable que preparar conjuntos de datos de secuenciación separados. Esto fue una ventaja en adquisición de datos, no una evaluación económica formal.
• Análisis de la discordancia filogenética: Múltiples análisis sugirieron que la ordenación incompleta de linajes (ILS) explica la mayor parte de la discordancia observada, mientras que la introgresión y la introgresión antigua también pudieron haber contribuido dentro de clados particulares.

Conclusión

El estudio demostró que Read2Tree puede recuperar genes nucleares conservados a partir de las mismas lecturas brutas utilizadas para analizar el genoma de los cloroplastos. Esto permite comparar las filogenias nuclear y cloroplástica e investigar las contribuciones del incomplete lineage sorting (ILS) y la introgresión. La posición de algunos taxones siguió siendo incierta y el estudio no resolvió definitivamente todas las ramas.

Este método tiene el potencial de contribuir a reconstrucciones más detalladas y fiables de las historias evolutivas en futuras investigaciones filogenéticas vegetales.

Aplicaciones potenciales para la investigación sobre ingredientes alimentarios

Los siguientes puntos describen posibles aplicaciones inferidas a partir del flujo de trabajo filogenético validado. El periódico no evaluó directamente la mejora de cultivos, el sabor, el valor nutricional ni la resistencia a enfermedades.

Por ejemplo, grupos como los Aurantioideae utilizados en este estudio incluyen especies vegetales importantes para usos alimentarios y medicinales en todo el mundo. Comprender sus relaciones filogenéticas precisas y la compleja historia evolutiva de la hibridación es crucial para la mejora de cultivos en la agricultura y para la conservación y utilización de valiosos recursos genéticos (como parientes silvestres) que podrían convertirse en futuras fuentes de alimento.

Este nuevo método utilizando Read2Tree permite la recuperación eficiente de información tanto de DNA de cloroplastos como nucleares utilizando el mismo conjunto de datos, permitiendo análisis filogenéticos más completos y detallados de muchas especies de cultivos alimentarios que antes eran difíciles de analizar.

Además, la capacidad de analizar procesos genéticos complejos como la clasificación incompleta de linajes (ILS) y la introgresión proporciona una base para comprender, a nivel genético, cómo se han adquirido y mantenido diversos rasgos de plantas alimentarias —como alto valor nutricional, sabores específicos y resistencia a plagas y enfermedades— a lo largo de la historia evolutiva.

De este modo, este método puede considerarse una base importante para profundizar en nuestra comprensión de la diversidad de plantas utilizadas como alimento y para impulsar la investigación hacia el desarrollo de variedades mejoradas y la utilización sostenible de los recursos.