Dulce éxito: los investigadores descifran el complejo código genético de la caña de azúcar
Los científicos crearon un genoma de referencia de gran precisión para uno de los cultivos modernos más importantes y hallaron un raro ejemplo de cómo los genes confieren resistencia a las enfermedades en las plantas
La caña de azúcar híbrida moderna es uno de los cultivos más cosechados del planeta, utilizado para fabricar productos como azúcar, melaza, bioetanol y materiales de base biológica. También es uno de los cultivos genéticamente más complejos.
Hasta ahora, la complicada genética de la caña de azúcar la convertía en el último gran cultivo sin un genoma completo y de gran precisión. Los científicos han desarrollado y combinado múltiples técnicas para trazar con éxito el mapa del código genético de la caña de azúcar. Con ese mapa, pudieron verificar la localización específica que proporciona resistencia a la impactante enfermedad de la roya parda que, sin control, puede devastar un cultivo de azúcar. Los investigadores también pueden utilizar la secuencia genética para comprender mejor los numerosos genes que intervienen en la producción de azúcar.
La investigación se llevó a cabo en el marco del Programa de Ciencia Comunitaria del Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía de EE.UU., una instalación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) que es usuaria de la Oficina de Ciencia del DOE. El estudio se publica hoy en la revista Nature, y el genoma está disponible a través del portal de plantas del JGI, Phytozome.
"Se trata de la secuencia genómica más complicada que hemos completado hasta ahora", afirma Jeremy Schmutz, director del Programa de Plantas del JGI e investigador del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología. "Demuestra lo lejos que hemos llegado. Este es el tipo de cosas que hace 10 años la gente consideraba imposibles. Ahora somos capaces de alcanzar metas que no creíamos posibles en genómica vegetal."
El genoma de la caña de azúcar es tan complejo porque es grande y porque contiene más copias de cromosomas que una planta típica, una característica llamada poliploidía. La caña de azúcar tiene unos 10.000 millones de pares de bases, los componentes básicos del ADN; a modo de comparación, el genoma humano tiene unos 3.000 millones. Muchas secciones del ADN de la caña de azúcar son idénticas tanto dentro de los cromosomas como entre ellos. Por eso es difícil volver a ensamblar correctamente todos los pequeños segmentos de ADN al tiempo que se reconstruye el plano genético completo. Los investigadores resolvieron el rompecabezas combinando múltiples técnicas de secuenciación genética, incluido un método recientemente desarrollado conocido como secuenciación PacBio HiFi que puede determinar con precisión la secuencia de secciones más largas de ADN.
Disponer de un "genoma de referencia" completo facilita el estudio de la caña de azúcar, permitiendo a los investigadores comparar sus genes y vías con los de otros cultivos bien estudiados como el sorgo u otros cultivos de interés para biocombustibles, como el switchgrass y el miscanthus. Al comparar esta referencia con otros cultivos, resulta más fácil comprender cómo influye cada gen en un rasgo de interés, como qué genes se expresan en mayor medida durante la producción de azúcar o qué genes son importantes para la resistencia a enfermedades. Este estudio descubrió que los genes responsables de la resistencia a la roya parda, un hongo patógeno que anteriormente causaba millones de dólares en daños a los cultivos de caña de azúcar, se encuentran en una sola localización en el genoma.
"Cuando secuenciamos el genoma, pudimos llenar un vacío en la secuencia genética en torno a la enfermedad de la roya parda", dijo Adam Healey, primer autor del artículo e investigador de HudsonAlpha. "Hay cientos de miles de genes en el genoma de la caña de azúcar, pero sólo dos genes, trabajando juntos, protegen a la planta de este patógeno. En todas las plantas, sólo conocemos unos pocos casos en los que la protección funcione de forma similar. Comprender mejor cómo funciona esta resistencia a la enfermedad en la caña de azúcar podría ayudar a proteger otros cultivos que se enfrentan a patógenos similares en el futuro".
Los investigadores estudiaron un cultivar de caña de azúcar conocido como R570 que se ha utilizado durante décadas en todo el mundo como modelo para comprender la genética de la caña de azúcar. Como todos los cultivares modernos de caña de azúcar, el R570 es un híbrido obtenido cruzando la especie domesticada de caña de azúcar (que destacaba en la producción de azúcar) y una especie silvestre (que portaba los genes de resistencia a las enfermedades).
"Conocer el cuadro genético completo de la R570 permitirá a los investigadores rastrear qué genes descienden de cada progenitor, lo que permitirá a los mejoradores identificar más fácilmente los genes que controlan los rasgos de interés para mejorar la producción", afirma Angélique D'Hont, última autora del artículo e investigadora sobre la caña de azúcar en el Centro de Investigación Agronómica para el Desarrollo Internacional (CIRAD) de Francia.
La mejora de las futuras variedades de caña de azúcar tiene aplicaciones potenciales tanto en agricultura como en bioenergía. Mejorar la forma en que la caña de azúcar produce azúcar podría aumentar el rendimiento que los agricultores obtienen de sus cultivos, proporcionando más azúcar a partir de la misma cantidad de espacio de cultivo. La caña de azúcar es una importante materia prima para la producción de biocombustibles, sobre todo etanol, y otros bioproductos. Los residuos que quedan tras el prensado de la caña de azúcar, denominados bagazo, son un importante tipo de residuo agrícola que también puede descomponerse y convertirse en biocombustibles y bioproductos.
"Estamos trabajando para entender cómo genes específicos de las plantas se relacionan con la calidad de la biomasa que obtenemos aguas abajo, que luego podemos convertir en biocombustibles y bioproductos", dijo Blake Simmons, Director de Ciencia y Tecnología del Instituto Conjunto de Bioenergía, un Centro de Investigación de Bioenergía del DOE dirigido por Berkeley Lab. "Con una mejor comprensión de la genética de la caña de azúcar, podemos entender y controlar mejor los genotipos de plantas necesarios para producir los azúcares y los productos intermedios derivados del bagazo que necesitamos para las tecnologías sostenibles de conversión de la caña de azúcar a una escala relevante para la bioeconomía."
Este estudio ha contado con la colaboración de institutos de todo el mundo, como Francia (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); Australia (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture - University of Queensland, Sugar Research Australia); República Checa (Instituto de Botánica Experimental de la Academia Checa de Ciencias); y Estados Unidos (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). El genoma se secuenció en el JGI con trabajos realizados en los laboratorios asociados del JGI, el Arizona Genomics Institute y el HudsonAlpha Institute for Biotechnology.
El Instituto Conjunto del Genoma es una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. El Instituto Conjunto de Bioenergía es un Centro de Investigación sobre Bioenergía del DOE.
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Publicación original
A. L. Healey, O. Garsmeur, J. T. Lovell, S. Shengquiang, A. Sreedasyam, J. Jenkins, C. B. Plott, N. Piperidis, N. Pompidor, V. Llaca, C. J. Metcalfe, J. Doležel, P. Cápal, J. W. Carlson, J. Y. Hoarau, C. Hervouet, C. Zini, A. Dievart, A. Lipzen, M. Williams, L. et al. "The complex polyploid genome architecture of sugarcane"; Nature, 2024-3-27
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