Logran secuenciar el genoma de uno de los cultivos más prometedores para la bioeconomía

l proyecto del genoma, dirigido por científicos del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centro de investigación de bioenergía del Departamento de Energía de EEUU (DOE), proporciona una hoja de ruta para que los investigadores exploren nuevas vías para maximizar la productividad de la planta y descifrar la base genética para determinar sus rasgos deseables. El estudio, publicado en Nature Communications, fue supervisado por los investigadores del CABBI Daniel Rokhsar, profesor del Departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de California (UC), Berkeley; y Kankshita Swaminathan, investigadora de la facultad del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología, Huntsville, Alabama. El equipo, incluyó a más de 40 colaboradores.

Las gramíneas Miscanthus, que también se utilizan en jardines, producción de papel y en techos, son una fuente prometedora de biomasa, una alternativa renovable a los combustibles fósiles a base de petróleo. Pertenecen a la familia de gramíneas Andropogoneae, que incluye el maíz, el sorgo y la caña de azúcar, plantas altamente productivas e importantes a nivel mundial que se cultivan como fuente de alimentos y biocombustibles.

El Miscanthus es extremadamente adaptable y fácil de cultivar. Puede prosperar en tierras marginales, solo requiere una fertilización limitada, tiene una alta tolerancia a la sequía y las temperaturas frías, y utiliza la forma de fotosíntesis C4 más eficiente.

La secuencia del equipo de CABBI y el análisis genómico de Miscanthus sinensis — el primero para cualquier tipo de miscanthus — proporcionan una base para mejoras sistemáticas para optimizar los rasgos más deseables. El proyecto también produjo un atlas de genes que se activan y desactivan en diferentes partes de la planta durante su ciclo de vida estacional, revelando nuevos reguladores de perenneidad, un rasgo deseable para biocombustibles y otras aplicaciones.

«El conjunto de herramientas genómicas que hemos reunido para el miscanthus será un recurso valioso para los investigadores que estudian esta planta y la reproducen para mejorar la biomasa y otros rasgos», dijo Swaminathan. «Al comparar el miscanthus con el sorgo, la caña de azúcar y otras especies relacionados, los investigadores del CABBI esperan descifrar la base genética de las innovaciones vinculadas a la productividad y la adaptabilidad».

El estudio se basó en extensas colecciones de campo durante varias temporadas de cultivo en la Universidad de Illinois que capturaron el ciclo de vida completo de la planta. Dirigidos por Swaminathan, los científicos midieron la expresión genética en las hojas, los tallos y el rizoma (la parte subterránea del tallo). El catálogo de genes preferidos por tejidos proporcionará pistas sobre cómo modificar genéticamente la planta para mejorar ciertos procesos, dijo Mitros, quien dirigió el trabajo computacional sobre ensamblaje, anotación y análisis de secuencias del genoma.

El estudio también reveló un grupo de genes implicados en el importantísimo ciclo de removilización de nutrientes. En el otoño, cuando las hojas de la planta mueren, el nitrógeno y otros nutrientes se envían al rizoma, donde se almacenan bajo tierra durante el invierno; en la primavera, esa energía se absorbe en otros tejidos a medida que la planta crece en lugar de volver al suelo, lo que reduce la necesidad de fertilizantes. Los rizomas también producen nuevos tallos, lo que permite que la planta crezca cada año y ayuda con el almacenamiento de carbono. Todo eso hace que el miscanthus sea más sostenible, menos costoso de administrar y más ecológico.

Muchas líneas de M. sinensis se utilizan como plantas decorativas y crecen tanto del rizoma como de la semilla. La hierba con potencial bioenergético, tipo Miscanthus x giganteus «Illinois», no crea semillas viables y, por lo tanto, es más difícil de propagar. Investigadores de CABBI como Erik Sacks, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de los Cultivos de Illinois, están trabajando en nuevos híbridos, cruzando M. sinensis y M. sacchariflorus para crear múltiples variedades ‘giganteus’ que serían más adaptables a diferentes regiones y para producir semillas.

La secuencia genética es una plataforma para comprender las variaciones dentro de todo tipo de variedades de miscanthus, dijo Rokhsar. Los híbridos de Miscanthus han evolucionado de forma natural en Asia, y Sacks y otros criadores esperan combinar lo mejor de las poblaciones para crear las variedades más adecuadas para cada región en particular.

En un nivel fundamental, el estudio ayudará a los científicos a encontrar respuestas a preguntas básicas sobre la biología de las plantas, como los circuitos involucrados en el ciclo de nutrientes del rizoma, cómo funciona a través de las estaciones y cómo evoluciona. Y les dará más información sobre las reglas para cruzar y combinar miscanthus para que puedan producir híbridos óptimos, dijo Rokhsar.

«Los tipos de datos presentados en este estudio también son fundamentales para implementar técnicas como la edición de genes para ayudar a descifrar la función de los genes que controlan los rasgos y adaptaciones importantes para el éxito de esta hierba de alto rendimiento», dijo Swaminathan.

Por ejemplo, los datos de expresión génica apuntan a un conjunto de genes que pueden estar involucrados en la capacidad del miscanthus para almacenar energía en un tallo subterráneo modificado (el rizoma) durante el invierno y recuperarse cada año más grande que antes. Swaminathan está intrigado por lo que hace que un tallo se convierta en un órgano de almacenamiento en las gramíneas Andropogoneae; quiere comprender los mecanismos moleculares que dirigen al rizoma del miscanthus a almacenar carbohidratos complejos, mientras que los tallos de caña de azúcar y sorgo dulce almacenan azúcar.

Miscanthus y otras plantas tienen genomas complejos, con una historia de más duplicación genómica que la observada en animales. Tener múltiples copias de cromosomas permite plantas más grandes y más diversidad genética, al tiempo que proporciona más objetivos para los ingenieros genéticos. Pero también hizo que la secuenciación y el ensamblaje fueran un desafío, dijo Rokhsar. «Recurrimos a muchas tecnologías diferentes para que eso sucediera».

El análisis del equipo determinó que el miscanthus es un «paleo-alotetraploide», lo que significa que surgió por la hibridación antigua de dos especies ancestrales, en lugar de duplicarse dentro de una sola especie como sucedió en la caña de azúcar. Los dos progenitores del miscanthus se extinguieron hace mucho tiempo, murieron después de la hibridación hace unos 2 millones de años, pero sus cromosomas viven en el miscanthus. Session utilizó análisis computacionales para descubrir los orígenes antiguos de cada cromosoma e identificar segmentos que han intercambiado cromosomas. También destacó diferencias sutiles en la forma en que los dos conjuntos de cromosomas han evolucionado desde la duplicación, información vital para los ingenieros genéticos que quieren eliminar genes particulares, dijo Mitros.

El artículo es la culminación de un esfuerzo interdisciplinario de varios años para secuenciar un genoma de miscanthus que involucró a decenas de investigadores en Estados Unidos, Europa y Asia. Se basa en el trabajo de científicos como Sacks, que ha recolectado germoplasma de miles de líneas de Miscanthus en Japón, Corea y otros países.

El profesor Stephen Long, otro científico de cultivos de la U de I, fue uno de los primeros en proponer el miscanto como base para una nueva economía de biocombustibles como parte de un equipo científico de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales. Moose fue pionero en el trabajo de genómica, produciendo mapas de cromosomas de M. sinensis y conjuntos de datos de expresión génica temprana para múltiples líneas de Miscanthus.

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