La caña de azúcar híbrida moderna es uno de los cultivos más cosechados del planeta y se utiliza para fabricar productos que incluyen azúcar, melaza, bioetanol y materiales de origen biológico. También tiene uno de los patrones genéticos más complejos.
por Lauren Biron, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
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 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 del 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 publica hoy 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 docente del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología. «Esto demuestra lo lejos que 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 creíamos 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 miscanthus. 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 un puñado de 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, R570 es un híbrido obtenido cruzando especies domesticadas de caña de azúcar (que sobresalieron en la producción de azúcar ) y una especie silvestre (que portaba genes de resistencia a enfermedades).
«Conocer la imagen genética completa de R570 permitirá a los investigadores rastrear qué genes descienden de cada padre, lo que permitirá a los criadores 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. Investigador 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 Instituto Conjunto de BioEnergía, un DOE. Centro de Investigación en Bioenergía dirigido por Berkeley Lab.
«Con una mejor comprensión de la genética de la caña de azúcar, podremos 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».
Más información: Adam Healey, La compleja arquitectura del genoma poliploide de la caña de azúcar, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07231-4 . www.nature.com/articles/s41586-024-07231-4
