Un equipo internacional de científicos completó un genoma de referencia de gran precisión para uno de los cultivos modernos más importantes y encontraron un raro ejemplo de cómo los genes confieren resistencia a las enfermedades en las plantas.
Explorar el código genético de la caña de azúcar podría ayudar a los investigadores a desarrollar cultivos más resilientes y productivos, con implicaciones tanto para la producción de azúcar como para los biocombustibles.
Puntos clave
- Hasta ahora, la complicada genética de la caña de azúcar la convertía en el último cultivo importante sin un genoma completo y altamente preciso.
- Los investigadores combinaron múltiples técnicas para mapear con éxito el ADN de la caña de azúcar e identificar áreas clave, incluidas varias relacionadas con la producción y el transporte de azúcar, así como con la resistencia a enfermedades como la roya parda.
- El genoma de referencia de la caña de azúcar podría usarse para ayudar a generar cultivos más resistentes o aumentar la producción de azúcar, con aplicaciones en agricultura y bioenergía.
Berkeley Lab.- Hasta ahora, la complicada genética de la caña de azúcar la convertía en el último cultivo importante sin un genoma completo y altamente preciso. Los científicos han desarrollado y combinado múltiples técnicas para mapear con éxito el código genético de la caña de azúcar. Con ese mapa, pudieron verificar la ubicación específica que proporciona resistencia a la impactante enfermedad de la roya parda que, si no se controla, puede devastar un cultivo de caña de azúcar. Los investigadores también pueden utilizar la secuencia genética para comprender mejor los numerosos genes implicados en la producción de azúcar.
La investigación se llevó a cabo como parte del Programa de Ciencias Comunitarias en el Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía de EE. UU., una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). El estudio se publicó hoy [27 de marzo, 2024] en la revista Nature y el genoma está disponible a través del portal de plantas del JGI, Phytozome.
«Esta fue la secuencia del genoma más complicada que hemos completado hasta ahora», dijo Jeremy Schmutz, líder del Programa de Plantas del JGI e investigador del profesorado del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología. “Esto demuestra hasta dónde hemos llegado. Este es el tipo de cosas que hace 10 años la gente pensaba que era imposible. Ahora podemos lograr objetivos que simplemente no pensábamos que fueran posibles en la genómica de las plantas”.
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 alrededor de 10 mil millones de pares de bases, los componentes básicos del ADN; a modo de comparación, el genoma humano tiene alrededor de 3 mil millones. Muchas secciones del ADN de la caña de azúcar son idénticas tanto dentro como entre diferentes cromosomas. Eso hace que sea un desafío volver a ensamblar correctamente todos los pequeños segmentos de ADN mientras se reconstruye el modelo 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.
Tener un “genoma de referencia” completo facilita el estudio de la caña de azúcar, lo que permite 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 pasto varilla y el miscanto. Al comparar esta referencia con otros cultivos, resulta más fácil comprender cómo cada gen influye en un rasgo de interés, como qué genes se expresan altamente durante la producción de azúcar o qué genes son importantes para la resistencia a las enfermedades. Este estudio encontró que los genes responsables de la resistencia a la roya parda, un hongo patógeno que anteriormente causó daños por millones de dólares a los cultivos de caña de azúcar, se encuentran en una sola ubicación del 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 son sólo dos genes, trabajando juntos, los que protegen a la planta de este patógeno. En todas las plantas, conocemos sólo unos pocos casos en los que la protección funciona de manera similar. Una mejor comprensión de cómo funciona la resistencia a esta enfermedad en la caña de azúcar podría ayudar a proteger otros cultivos que enfrenten 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 de caña de azúcar modernos, el R570 es un híbrido obtenido del cruce de especies domesticadas de caña de azúcar (que sobresalieron en la producción de azúcar) y una especie silvestre (que portaba genes de resistencia a las enfermedades).
«Conocer la imagen genética completa de R570 permitirá a los investigadores rastrear qué genes descienden de cada padre, lo que permitirá a los mejoradores identificar más fácilmente los genes que controlan los rasgos de interés para una mejor producción», dijo Angélique D’Hont, última autora del artículo y experta en caña de azúcar del Centro Francés de Investigación Agrícola para el Desarrollo Internacional (CIRAD).
La mejora de las futuras variedades de caña de azúcar tiene aplicaciones potenciales tanto en la agricultura como en la 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 con la misma cantidad de espacio de cultivo. La caña de azúcar es una materia prima importante, o material de partida, para producir biocombustibles, en particular etanol, y otros bioproductos. Los residuos que quedan después del prensado de la caña de azúcar, conocidos como bagazo, son un tipo importante de residuo agrícola que también puede descomponerse y convertirse en biocombustibles y bioproductos.
«Estamos trabajando para comprender cómo se relacionan genes específicos en las plantas con la calidad de la biomasa que obtenemos, que luego podemos convertir en biocombustibles y bioproductos», dijo Blake Simmons, director de ciencia y tecnología del Joint BioEnergy Institute, un DOE del Centro de Investigación en Bioenergía dirigido por Berkeley Lab. «Con una mejor comprensión de la genética de la caña de azúcar, podemos comprender y controlar mejor los genotipos de plantas necesarios para producir los azúcares y los intermediarios 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 implicó colaboraciones con institutos de todo el mundo, incluida Francia (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); Australia (CSIRO Agricultura y Alimentación, Alianza de Queensland para la Agricultura y la Innovación Alimentaria/Centro de Excelencia ARC para el éxito de las plantas en la naturaleza y la agricultura – Universidad de 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 fue secuenciado en el JGI y el trabajo se completó en los laboratorios asociados del JGI, el Instituto de Genómica de Arizona y el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología.
El Joint Genome Institute es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. El Joint BioEnergy Institute es un centro de investigación de bioenergía del DOE.
- Fuente: https://newscenter.lbl.gov/2024/03/27/sweet-success-researchers-crack-sugarcanes-complex-genetic-code/
- Estudio: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07231-4
