You are here

    • You are here:
    • Home > Newly analysed almond and peach genome sequences reveal the differences of these closely related species of fruits and trees

Newly analysed almond and peach genome sequences reveal the differences of these closely related species of fruits and trees

NEWS

25
Sep
Wed, 25/09/2019 - 16:44

Newly analysed almond and peach genome sequences reveal the differences of these closely related species of fruits and trees

Researchers at CNAG-CRG and CRAG have sequenced the genomes of almonds and peaches.

EN ESPAÑOL/EN CATALÀ

  • An international team led by researchers of the CRAG in conjunction with Tyler Alioto of the Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG), part of the Centre for Genomic Regulation, has sequenced the genome of the almond tree and compared it to that of its closest relative, the peach tree.
  • The most substantive differences between these species, so closely related in terms of evolution, are accounted for by the variation created by mobile genetic elements.
  • The results provide some unique insights into the recent evolution of both species and will be key tools in their genetic improvement, including the eradication of bitter almonds, fruit quality and adaptation to climate change.

The almond tree and the peach tree are two well-known species, since human beings have been eating their fruit (peach) or seed (almond) for thousands of years. Although at first sight the products of these trees may seem to be very different, both species are part of the Prunus genus and are genetically very similar, so much so that they can be crossed and fertile hybrids can be obtained from them. Now, an international team led by researchers of the Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) has sequenced the genome of one almond tree variety and compared it to the peach tree genome. The detailed comparison of both genomes provides insights into their evolutionary history and reveals the key role played by the genome’s mobile elements (also known as transposable elements, or transposons) in the diversification of both species. According to the authors of the paper, the movement of the transposons could lie at the origin of the differences between the fruit of both species or the flavour of the almond.

Learning about the almond tree’s genome will be a very important tool in the improvement of the species. “For example, this information will enable us to look for more productive and more disease-resistant varieties and also rule out those that bear bitter almonds more easily,” explains Pere Arús, an IRTA researcher at the CRAG. Arús led the study, which has been published in The Plant Journal, and also took part in the international consortium that ultimately sequenced the peach tree genome in 2013.

A common ancestor in the centre of Asia

The comparison of the genome of the ‘Texas’ almond tree variety − the sequencing of which involved the team of Tyler Alioto of the Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG), part of the Centre de Regulació Genòmica [Centre for Genomic Regulation] (CRG) − and the peach tree genome places the divergence of both species six million years in the past. The results are consistent with the existing hypothesis that places the existence of a common ancestor of these Prunus species in the centre of Asia and the subsequent separation of both populations that was brought about when the Himalayas massif was lifted. This geological phenomenon would have left both populations of Prunus exposed to totally different climates in which both species would evolve: the almond tree in the arid steppe of the centre and west of Asia and the peach tree in the subtropical climates of the East, in the area that is now South China. 

Differentiation: mobile genetic elements

The authors of the paper found, as was to be expected, that the genomes of the almond tree and the peach tree have a high degree of conservation, and they investigated the extent of the differences between them and whether they could be accounted for by the action of the transposons.

Transposons are pieces of DNA with the capacity to change position within a genome and proliferate, jumping from one chromosome to another, and taking up a major part of the genome. In this transposition process, these mobile genetic elements may create mutations or change the genome’s local properties, thus affecting gene regulation Premi Nobel de Medicina i Fisiologia l'any 1983.ma ate for Frointiers n the reasons in our point by point answer to the referee. There has been a great deal of discussion regarding the utility of these mobile genetic elements since Barbara McClinktock predicted their existence almost 70 years ago and for which she received the Nobel Prize in Medicine and Physiology in 1983.

The results of the analysis of the almond tree and peach tree genomes show that approximately 37% of their genome is comprised of mobile elements and that some of the genes that play a key role in the differentiation of both species are affected by the presence of these elements. “In this study, we discovered that the recent history of the transposons of the almond tree and the peach tree could lie at the basis of many of the important differences between both species,” explains Josep M. Casacuberta, a CSIC investigator at the CRAG and an expert in mobile genetic elements and study co-leader. “Although increasingly more studies have demonstrated the key role of the mobile elements in evolution, the comparison of the almond tree and the peach tree, both species with distinct characteristics but with very closely-related genomes that, provides unique insights into the impact of the transposons on the initial steps in the separation of both species”, continuous Casacuberta.

Key in the eradication of bitter almonds

Most of the Prunus species have a bitter and toxic seed, although there is a group of almond tree varieties that bear a sweet almond, an aspect that has been key in their domestication and their agricultural and economic interest. Previous studies identified certain genes involved in the synthesis of the compound that confers bitterness and toxicity upon these seeds: amygdalin. Now, the CRAG team has discovered that in sweet almond tree crops at least one of these genes involved in the synthesis of amygdalin is affected by transposon insertions, suggesting a key role not only in the diversification of the almond tree and the peach tree, but also in variations within the same species (bitter almond and sweet almond). 

Bibliographic reference:

Alioto T., et al. Transposons played a major role in the diversification between the closely related almond and peach genomes: Results from the almond genome sequence The Plant Journal (2019) DOI: 10.1111/tpj.14538

Regarding the funding of the study:

This study was funded by the Ministry of Economy and Competitiveness through the  MINECO/FEDER AGL2012-40228-C02-01, AGL2015-68329-R, AGL2016-78992-R and RTA2015-00050-00-00 projects, through the Severo Ochoa Centres of Excellence (SEV-2015-0533) programme and the Government of Catalonia through the CERCA programme. The author M.W. would also like to thank the Waite Research Institute of the University of Adelaide for its support. M.J.R would also like to thank the Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria [Institute for Research and Technology in Food and Agriculture] (INIA) (RTA-2014-00062) for its support.


EN ESPAÑOL

La secuencia de los genomas del almendro y el melocotonero permite entender las diferencias entre los frutos y las semillas de estas dos especies tan cercanas

  • Un equipo internacional liderado por investigadores del CRAG, en que ha participado el equipo de Tyler Alioto del Centro Nacional de Análisis Genómica (CNAG-CRG),  parte del Centro de Regulación Genómica (CRG), ha secuenciado el genoma del almendro y lo ha comparado con el de su pariente más cercano, el melocotonero.
  • Las diferencias más importantes entre estas especies tan cercanas evolutivamente se explican por la variación creada por los elementos móviles del genoma.
  • Los resultados dan pistas únicas cuanto a la evolución reciente de las dos especies y serán herramientas clave para su mejora genética, incluyendo la erradicación de las almendras amargas, la calidad de la fruta y la tolerancia al cambio climático.

El almendro y el melocotonero son dos especies bien conocidas, ya que hace miles de años que los humanos consumimos su fruto (el melocotón) o su semilla (la almendra). Aunque a primera vista los productos de estos árboles pueden parecer muy distintos, las dos especies forman parte del género Prunus y son muy parecidas genéticamente, tanto, que se pueden cruzar y obtener híbridos fértiles. Ahora, un equipo internacional liderado por investigadores del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) ha secuenciado el genoma de una variedad de almendro y la ha comparado con el genoma del melocotonero. La comparación detallada de los dos genomas da pistas sobre su historia evolutiva y descubre el papel clave de los elementos móviles del genoma (también llamados transposones) en la diversificación de estas dos especies. Según explican los autores del trabajo, el movimiento de los transposones podría estar en el origen de las diferencias entre el fruto de ambas especies o del sabor de la almendra.

Conocer el genoma del almendro será una herramienta muy importante para mejorar la especie. “Esta información nos permitirá, por ejemplo, buscar variedades más productivas y que sean resistentes a enfermedades, y también descartar más fácilmente aquellas que producen almendras amargas”, explica el investigador del IRTA en el CRAG Pere Arús. Arús ha liderado el estudio que se publica ahora en la revista The Plant Journal, y también participó en el consorcio internacional que obtuvo la secuencia del genoma del melocotonero en 2013.

Un ancestro común en el centro de Asia

La comparación del genoma de la variedad de almendro ‘Texas’ − en cuya secuenciación ha participado el equipo de Tyler Alioto del Centro Nacional de Análisis Genómica (CNAG-CRG),  parte del Centro de Regulación Genómica (CRG)− y del genoma del melocotonero sitúa la divergencia de estas dos especies seis millones de años atrás. Estos resultados son compatibles con la hipótesis previa que sitúa la existencia de un ancestro común de estas especies de Prunus en el centro de Asia, y la posterior separación de dos poblaciones producida por el levantamiento del macizo del Himalaya. Este fenómeno geológico habría hecho que las dos poblaciones de Prunus quedaran expuestas a climas absolutamente diferentes, en los cuales habrían evolucionado las dos especies: el almendro en las estepas áridas del centro y el oeste de Asia, y el melocotonero en los climas subtropicales del este, en lo que hoy es el sud de China.

La diferenciación: los elementos móviles del genoma

Los autores del trabajo comprobaron que, como era esperable, los genomas del almendro y del melocotonero tienen un alto grado de conservación, e investigaron en detalle cuáles eran las diferencias y si estas se podrían explicar por la acción de los transposones.

Los transposones son fragmentos de ADN que tienen la capacidad de desplazarse por el genoma y proliferar, saltando de un cromosoma a otro y ocupando una parte importante del genoma. En este proceso de transposición, estos elementos móviles pueden producir mutaciones o cambiar las propiedades locales del genoma afectando la regulación de los genes. La utilidad para los genomas de estos elementos móviles ha sido muy discutida desde que Barbara McClinktock predijo su existencia hace casi 70 años, por lo que recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1983.

Los resultados del análisis de los genomas del almendro y del melocotonero muestran que ambas especies tienen aproximadamente un 37% de su genoma formado por elementos móviles, y que algunos de los genes clave en la diferenciación en las dos especies están afectados por la presencia de estos elementos. “En este estudio hemos descubierto que la historia reciente de los transposones del almendro y del melocotonero podría estar en la base de muchas de las diferencias importantes entre estas dos especies”, explica Josep M. Casacuberta, investigador del CSIC en el CRAG experto en elementos móviles y colíder del estudio. “Aunque cada vez hay más estudios que demuestran el papel clave de los elementos móviles en la evolución, la comparación del almendro y el melocotonero, dos especies con características diferenciadas pero con genomas muy cercanos, da unas pistas únicas sobre el impacto de los transposones en los primeros pasos de la separación de dos especies”, añade Casacuberta.

Claves para erradicar la almendra amarga

La mayoría de las especies de Prunus tienen una semilla amarga y tóxica, pero hay un conjunto de variedades de almendro que producen una almendra dulce, un carácter que ha resultado clave para su domesticación y su interés agroeconómico. Estudios anteriores han identificado algunos genes involucrados en la síntesis del compuesto que confiere la amargura y toxicidad a estas semillas: la amigdalina. El equipo del CRAG ha descubierto ahora que, en cultivos de almendro dulce, por lo menos uno de estos genes implicados en la síntesis de la amigdalina está afectado por inserciones de transposones, sugiriendo su papel clave no solo en la diversificación del almendro y el melocotonero, sino también en las variaciones dentro de la misma especie (almendra amarga y almendra dulce).

Referencia bibliografica:

Alioto T., et al. Transposons played a major role in the diversification between the closely related almond and peach genomes: Results from the almond genome sequence The Plant Journal (2019) DOI: 10.1111/tpj.14538

Sobre la financiación del estudio:

Este trabajo ha recibido financiación del Ministerio de Economía y Competitividad a través de los proyectos MINECO/FEDER AGL2012-40228-C02-01, AGL2015-68329-R, AGL2016-78992-R y RTA2015-00050-00-00, del programa Severo Ochoa de Centros de Excelencia (SEV-2015-0533), y de la Generalitat de Catalunya a través del programa CERCA. El autor M.W. también agradece el apoyo del Waite Research Institute of the University of Adelaide. M.J.R. agradece el apoyo del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) (RTA-2014-00062).


EN CATALÀ

La seqüència dels genomes de l’ametller i el presseguer permet entendre les diferències dels fruits i llavors d’aquestes dues espècies tan properes

  • Un equip internacional liderat per investigadors del CRAG, de la qual ha participat l’equip de Tyler Alioto del Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG), part del Centre de Regulació Genòmica (CRG), ha seqüenciat el genoma de l’ametller i l’ha comparat amb el del seu parent més proper, el presseguer.
  • Les diferències més importants entre aquestes espècies tan properes evolutivament s’expliquen per la variació creada pels elements mòbils del genoma.
  • Els resultats  donen pistes úniques pel que fa a l’evolució recent de les dues espècies i seran eines clau per a la seva millora genètica, incloent l’erradicació de les ametlles amargues, la qualitat de la fruita i l’adaptació al canvi climàtic.

L’ametller i el presseguer són dues espècies ben conegudes ja que els humans fa milers d’anys que en consumim el seu fruit (el préssec) o la seva llavor (l’ametlla). Tot i que a primer cop d’ull els productes d’aquests arbres poden semblar molt diferents, les dues espècies formen part del gènere Prunus i són molt semblants genèticament, tant, que es poden encreuar i obtenir-ne híbrids fèrtils. Ara, un equip internacional liderat per investigadors del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) ha seqüenciat el genoma d’una varietat d’ametller i l’ha comparat amb el genoma del presseguer. La comparació detallada dels dos genomes dona pistes sobre la seva història evolutiva i revela el paper clau dels elements mòbils del genoma (també anomenats transposons) en la diversificació d’aquestes dues espècies. Segons expliquen els autors del treball, el moviment dels transposons podria ser a l’origen de les diferències entre el fruit d’ambdues espècies o del sabor de l’ametlla.

Conèixer el genoma de l’ametller serà una eina molt important per a millorar l’espècie. “Aquesta informació ens permetrà, per exemple, buscar varietats més productives i que siguin resistents a malalties, i també descartar més fàcilment aquelles que produeixen ametlles amargues,” explica l’investigador de l’IRTA al CRAG Pere Arús. Arús ha liderat l’estudi que es publica ara a la revista The Plant Journal i també va participar en el consorci internacional que va obtenir la seqüencia del genoma del presseguer l’any 2013.

Un ancestre comú al centre d’Àsia

La comparació del genoma de la varietat d’ametller ‘Texas’−en la seqüenciació de la qual ha participat l’equip de Tyler Alioto del Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG), part del Centre de Regulació Genòmica (CRG)− i del genoma del presseguer situa la divergència de les dues espècies sis milions d’anys enrere. Els resultats són compatibles amb la hipòtesi prèvia que situa l’existència d’un ancestre comú d’aquestes espècies de Prunus al centre d’Àsia, i la posterior separació de dues poblacions produïda per l’aixecament del massís de l’Himàlaia. Aquest fenomen geològic hauria fet que les dues poblacions de Prunus quedessin exposades a climes absolutament diferents, en els quals haurien evolucionat les dues espècies: l’ametller en les estepes àrides del centre i l’oest de l’Àsia, i el presseguer en els climes subtropicals de l’est, en el que avui és el sud de la Xina.  

La diferenciació: els elements mòbils del genoma

Els autors del treball van comprovar que, tal com era esperable, els genomes de l’ametller i del presseguer tenen un alt grau de conservació, i van investigar en detall quines eren les diferències i si aquestes es podrien explicar per l’acció dels transposons.

Els transposons són trossos d’ADN que tenen la capacitat de desplaçar-se pel genoma i proliferar, saltant d’un cromosoma a l’altre i ocupant una part important del genoma. En aquest procés de transposició, aquests elements mòbils poden produir mutacions o canviar les propietats locals del genoma afectant la regulació de gens.  La utilitat per als genomes d'aquests elements mòbils ha sigut molt discutida des que Barbara McClinktock va predir la seva existència fa quasi 70 anys, i pel que va rebre el Premi Nobel de Medicina i Fisiologia l'any 1983.

Els resultats de l’anàlisi dels genomes de l’ametller i del presseguer mostren que ambdues espècies tenen aproximadament un 37% del seu genoma format per elements mòbils, i que alguns dels gens clau en la diferenciació en les dues espècies estan afectats per la presència d’aquests elements. “En aquest estudi hem descobert que la història recent dels transposons de l’ametller i el presseguer podria estar a la base de moltes de les diferències importants entre aquestes dues espècies,” explica Josep M. Casacuberta, investigador del CSIC al CRAG expert en elements mòbils i colíder de l’estudi. “Tot i que cada cop hi ha més estudis que demostren el paper clau dels elements mòbils en l'evolució, la comparació de l’ametller i presseguer, dues espècies amb característiques diferenciades però amb genomes molt propers, dona unes pistes úniques sobre l'impacte dels tranposons als primers passos de la separació de dues espècies”, afegeix Casacuberta.

Claus per erradicar l’ametlla amarga

La majoria d’espècies de Prunus tenen una llavor amarga i tòxica, però hi ha una colla de varietats d’ametller que produeixen una ametlla dolça, un caràcter que ha estat clau per la seva domesticació i el seu interès agroeconòmic. Estudis anteriors han identificat alguns gens involucrats en la síntesi del compost que confereix l’amargor i toxicitat a aquestes llavors: l’amigdalina. L’equip del CRAG ha descobert ara que en cultius d’ametller dolç almenys un d’aquests gens implicats en la síntesi de amigdalina està afectat per insercions de transposons, suggerint el seu paper clau no només en la diversificació de l’ametller i el presseguer, sinó també en les variacions dins de la mateixa espècie (ametlla amargant i ametlla dolça). 

Referència bibliogràfica:

Alioto T., et al. Transposons played a major role in the diversification between the closely related almond and peach genomes: Results from the almond genome sequence The Plant Journal (2019) DOI: 10.1111/tpj.14538

Sobre el finançament de l’estudi:

Aquest treball ha rebut finançament del Ministeri d’Economia i Competitivitat a través dels projectes MINECO/FEDER AGL2012-40228-C02-01, AGL2015-68329-R, AGL2016-78992-R i RTA2015-00050-00-00, del programa Severo Ochoa de Centres d’Excel·lència (SEV-2015-0533), i de la Generalitat de Catalunya a través del programa CERCA. L’autor M.W. també agraeixen el suport del Waite Research Institute of the University of Adelaide. M.J.R agraeix el suport del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) (RTA-2014-00062).