La caña de azúcar es una de las plantas más productivas de la Tierra, ya que proporciona el 80 por ciento del azúcar y el 30 por ciento del bioetanol producido en todo el mundo. Su tamaño y uso eficiente del agua y la luz le otorgan un enorme potencial para producir bioproductos y biocombustibles renovables con valor agregado.

Pero muy complicado Caña de azúcar El genoma plantea desafíos para la reproducción convencional, que requiere más de una década de experimentación para desarrollar una variedad mejorada.

Dos innovaciones publicadas recientemente por investigadores de la Universidad de Florida en el Centro de Bioenergía Avanzada e Innovación de Bioproductos (CABBI) del Departamento de Energía demuestran la primera microcría con éxito de la caña de azúcar utilizando la tecnología CRISPR / Cas9. Edición del genoma—Una forma más específica y eficaz de desarrollar nuevas variedades.

La tecnología CRISPR / Cas9 permite a los científicos realizar cambios sutiles en casi cualquier gen y, según el método elegido, desactivar el gen o reemplazarlo con una versión superior. Esto último es técnicamente más difícil y hasta la fecha rara vez se ha informado de cultivos.

En el primer informe, los investigadores demostraron la capacidad de desactivar números alterados de copias del gen de la quelatasa de magnesio, una enzima clave para la biosíntesis de clorofila en la caña de azúcar, lo que da como resultado plantas que se reconocen rápidamente con hojas de color verde claro a amarillo. Las plantas de color verde claro no mostraron una reducción en el crecimiento y podrían requerir menos fertilizante de nitrógeno para producir la misma cantidad de biomasa. Este estudio fue publicado en Fronteras en la edición del genoma, dirigido por los investigadores del CABBI Fredy Altpeter, profesor de agronomía en el Instituto de Ciencias Agrícolas y Alimentarias (IFAS) de la Universidad de Florida, y Ayman Eid, investigador postdoctoral en el laboratorio de Altpeter.

El segundo estudio, también publicado en Fronteras en la edición del genoma, logró una focalización genética eficiente y reproducible en la caña de azúcar, demostrando el reemplazo preciso de múltiples copias del gen objetivo por una copia superior, lo que confiere resistencia a los herbicidas. Los científicos crearon conjuntamente un modelo de reparación con una herramienta de edición de genes para dirigir el proceso de reparación del ADN de la planta de modo que uno o dos de los miles de bloques de construcción del gen, llamados nucleótidos, se reemplacen con precisión en el sitio objetivo. El resultado fue que el producto génico seguía siendo completamente funcional y ya no podía ser inhibido por el herbicida. Ese estudio fue dirigido por Altpeter y el ex postdoctorado de CABBI Mehmet Tufan Oz.

Altpeter Lab, parte del proyecto de desarrollo insignia de CABBI Nuevas variedades de caña de azúcar ricas en aceite, fue un pionero en la investigación de la edición del genoma de la caña de azúcar utilizando Sistema de edición de genes TALEN. Pero las dos publicaciones recientes son las primeras en demostrar con éxito la edición de genes CRISPR en la caña de azúcar, así como el direccionamiento de genes para reemplazar con precisión los nucleótidos en la caña de azúcar utilizando cualquier herramienta de edición del genoma.

“Ahora contamos con herramientas muy efectivas para modificar la caña de azúcar en un cultivo con mayor rendimiento o sostenibilidad mejorada”, dijo Altpeter. «Es importante porque la caña de azúcar es el cultivo ideal para impulsar la bioeconomía emergente».

La caña de azúcar es una mezcla de dos tipos de plantas madre, por lo que tiene múltiples conjuntos de cromosomas en lugar de solo dos, como ocurre con las plantas humanas o «diploides». Esto crea una redundancia genética, con muchos conjuntos de genes que realizan la misma función, lo que puede contribuir a la productividad de la planta: si uno de los conjuntos funciona mal, hay una copia de seguridad. Pero dificulta mucho la modificación del azúcar de caña. Los científicos de cultivos deben apuntar a todos los genes y transcripciones que gobiernan un rasgo en particular para poder realizar mejoras.

Con el mejoramiento convencional, se cruzan dos tipos de caña de azúcar para volver a mezclar la información genética presente en cada padre con la esperanza de promover un rasgo deseable como la resistencia a enfermedades. El problema es que los genes se transmiten de padres a hijos en grupos, y los rasgos deseables a menudo se asocian con material genético dañino. Esto significa que los científicos a menudo tienen que pasar por múltiples rondas de cruces cruzados y examinar miles de plantas para restaurar el trasfondo de élite o las características botánicas básicas, así como para mejorar un solo rasgo que están tratando de modificar. Este proceso lleva más tiempo y es más caro en plantas con genomas complejos como la caña de azúcar.

Las tecnologías de edición de genes de precisión como CRISPR-Cas9 ofrecen una vía más específica para la mejora de cultivos porque evitan la reorganización de la información genética y simplemente cambian copias de genes inferiores en copias superiores. Dada la complejidad del genoma de la caña de azúcar, Alpeter y su equipo se centraron inicialmente en los genes que controlan los rasgos observados (el color de las hojas y la resistencia a los herbicidas) para poder determinar si las modificaciones estaban funcionando.

Además de proporcionar un fenotipo fácilmente reconocible, el objetivo genes Puede resultar útil en investigaciones futuras. La alteración del contenido de clorofila en la caña de azúcar tiene el potencial de aumentar la fotosíntesis a nivel del dosel o reducir la necesidad de fertilizantes nitrogenados, según modelos de plantas anteriores. La caña de azúcar es una planta alta y tupida, las hojas superiores reciben mucha luz solar y las hojas inferiores se tiñen. Si las hojas superiores contienen menos clorofila, los rayos del sol pueden penetrar profundamente en la planta, aumentando su biomasa con la misma cantidad de luz y menos fertilizante. La resistencia a los herbicidas no es solo un rasgo deseable desde el punto de vista agrícola para facilitar el manejo de malezas; También facilitará los esfuerzos futuros de edición de genes al permitir la supresión de células vegetales no modificadas.

En CABBI, Altpeter y su equipo ya están aplicando los resultados para desarrollar líneas mejoradas de caña de azúcar. La caña de azúcar contiene muchos objetivos genéticos diferentes que podrían traducirse en más biomasa o producción de lípidos o ácidos grasos especializados, todo lo cual mejoraría los objetivos de CABBI para producir combustible y otros productos a partir de Las plantas para reemplazar el petróleo. Dado que la cosecha ya se ha cosechado y procesado para extraer azúcar, la infraestructura básica para procesar las materias primas en un producto listo para usar está esencialmente en su lugar.

«Agregar flujos de valor es relativamente económico en comparación con otras alternativas de cultivo», dijo Alpeter.