Un equipo colaborativo dirigido por investigadores de la Universidad de Texas (UT) en Austin, el Instituto de Biotecnología HudsonAlpha (HudsonAlpha) y el Instituto Conjunto del Genoma (DOE) (JGI) del Departamento de Energía de EE. UU., una oficina del Departamento de Energía del Usuario Científico Instalación, descubrió que la materia prima de cambio de hierba El candidato bioenergético puede adaptarse para expandir su hábitat, pero ¿a qué costo? En el siguiente artículo invitado, el investigador postdoctoral Joseph Napier del Juenger Lab y el biólogo computacional Paul Grabowski de HudsonAlpha describen las preguntas que hicieron y respondieron en el estudio que apareció recientemente en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Switchgrass, Panicum virgatum, generalizada, hierba perenne en América del Norte que ha sido objeto de muestreos naturales a gran escala y ensayos de campo debido a su potencial para restaurar hábitats y como materia prima para la producción de biocombustibles basados ​​en biomasa. Como lo demuestran muchos cultivos comerciales comúnmente cultivados, como el trigo, el maní, la avena, el plátano, la patata, etc., el cambio es poliploide. Esto significa que contiene más de dos copias del genoma, lo que puede tener claras consecuencias ecológicas y evolutivas.

un Estudio previo realizado por nuestro equipo de investigación para estudiar la diversidad genómica y fenotípica en el rango natural del pasto varilla, se encontró que la poliploidía mejoró la capacidad de adaptación del pasto varilla y es un elemento clave para proporcionar variación genética Disponible para selección para mejorar los rendimientos de biocombustibles a través de un futuro variable. Switchgrass tiene muchos niveles de ploidía natural, llamados citotipos, en todas las especies. Estos son principalmente tetraploides (4X o cuatro copias del genoma) y octoploides (8X u ocho copias del genoma).

Lovell et al. Se enfoca en la diversidad 4X, en gran parte porque se le ha dado prioridad en los esfuerzos de reproducción y también porque generalmente se piensa que el pasto varilla 8X tiene menos diversidad genética y fenotípica (características visibles). Después de que nuestro equipo terminó de analizar la diversidad encontrada en el pasto varilla 4X, nos sorprendió la cantidad de individuos 8X recolectados en el trabajo de campo. Al ver la distribución completa del pasto varilla en el mapa, estos individuos 8X ocurrieron en partes del rango de varilla donde 4X estuvo significativamente ausente (ver figura a la derecha).

Este patrón desafió la idea de que 8X switchgrass era un grupo homogéneo y sin complicaciones y planteó varias preguntas importantes. ¿De dónde vino la variante 8X? ¿Aparecieron varias veces o su amplia distribución indica múltiples eventos de origen independientes? ¿Los patrones celulares reaccionan de manera diferente en respuesta al medio ambiente? Nos propusimos explorar estas preguntas y resolver el misterio detrás de los patrones de cambio 8X observados. En el proceso, también esperábamos aprovechar esta oportunidad única para determinar cómo las transiciones de nivel superior podrían crear estos patrones observados. Dado que muchas otras especies de plantas tienen una variabilidad natural de la ploidía, también esperábamos que esto nos permitiera evaluar de manera más amplia cómo cambia la variación de la ploidía. diversidad geneticay aptitud y adaptabilidad.

Usando una combinación de enfoques de modelado genómico, cuantitativo, cuantitativo, paisajístico y especializado, comparamos la diversidad de Switchgrass 4X y 8X en cientos de genotipos naturales (en este caso, la composición genética completa de una planta) y 10 jardines comunes. Descubrimos que los grupos 8X surgieron varias veces de diferentes orígenes genéticos y que estos grupos 8X contienen nuevos grupos de diversidad genética. También encontramos que gran parte de la diferencia en características físicas Como se observa en 4X switchgrass a través de citotipo 8X. Sin embargo, los modelos celulares 4X y 8X difieren en su respuesta a los cambios climáticos entre jardines compartidos, lo que sugiere una compensación general (8X)-especialista (4X). Además, el modelado especializado indica una evolución favorable entre 4X y 8X asociada con la adaptación climática. En general, estos resultados indican que 8X representa una combinación única de variación genética que permitió la expansión del pasto varilla. posición ecológica. El conocimiento obtenido de 8X switchgrass es un recurso valioso para los esfuerzos por generar césped eléctrico resistente al clima para la producción de bioenergía.

Sobre la base del marco proporcionado por nuestro nuevo manuscrito de Switchgrass, planeamos usar datos existentes y crear recursos genómicos adicionales para abordar hipótesis ecológicas de larga data sobre cómo los pastos perennes C4 como Switchgrass responden a los cambios climáticos aparentes. (Las plantas C4 usan una forma más eficiente de fotosíntesis que reduce perdida de aguaen comparación con el proceso que usa la mayoría de la gente especies de plantas.) Comprender cómo la interacción entre el flujo de genes, las estadísticas de población y la adaptación mediaron la respuesta del pasto varilla al cambio climático en el pasado proporcionará una visión sin precedentes de los mecanismos que usarán los pastos perennes para responder a los cambios climáticos. Los cambios en la ploidía pueden desempeñar un papel importante en esta respuesta.

La generación de recursos genómicos 8X adicionales brindará una rara oportunidad para evaluar la generalidad del “pequeño salto”, cuando los interruptores (y, por lo tanto, taxones similares) experimentan fluctuaciones ambientales obvias. Los nuevos hallazgos de esta línea de investigación combinados con conocimientos previos permitirán la identificación de posibles nuevas combinaciones de diversidad genética presentes en el pasto varilla que pueden estar relacionadas con la adaptación climática y la expansión del rango. Posteriormente, esto representará un valioso recurso fértil para expandir el rango de condiciones de crecimiento adecuadas y mejorar la flexibilidad de la producción de materia prima de switchgrass.