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El equipo de investigación en bioenergía secuencia el genoma del miscanto

El equipo de investigación en bioenergía secuencia el genoma del miscanto
Crédito: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign Institute for Sustainability, Energy, and Environment

Un equipo de investigación internacional ha secuenciado el genoma completo de una variedad ornamental de miscanthus, una hierba silvestre perenne que emerge como una de las principales candidatas para cultivos bioenergéticos sostenibles.


por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


El proyecto del genoma, dirigido por científicos del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centro de investigación de bioenergía del Departamento de Energía (DOE), proporciona una hoja de ruta para que los investigadores exploren nuevas vías para maximizar la productividad de la planta y descifrar la base genética. por sus rasgos deseables.

El estudio, publicado en Nature Communications , fue supervisado por los investigadores del CABBI Daniel Rokhsar, profesor del Departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de California (UC), Berkeley; y Kankshita Swaminathan, investigadora de la facultad del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología, Huntsville, Alabama (en la foto). El equipo, que incluía a más de 40 colaboradores, estaba dirigido por Therese Mitros, Adam Session y Guohong Albert Wu del laboratorio de Rokhsar; y Brandon James del laboratorio de Swaminathan. Mitros y James son investigadores de CABBI, y Session y Wu están afiliados al DOE Joint Genome Institute (JGI), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).

Los pastos Miscanthus, también utilizados en jardines, producción de papel y techos, son una fuente prometedora de biomasa, una alternativa renovable a los combustibles fósiles a base de petróleo. Pertenecen a la familia de gramíneas Andropogoneae, que incluye el maíz, el sorgo y la caña de azúcar, plantas altamente productivas e importantes a nivel mundial que se cultivan como fuente de alimentos, piensos y biocombustibles.

El Miscanthus es extremadamente adaptable y fácil de cultivar. Puede prosperar en tierras marginales, solo requiere una fertilización limitada, tiene una alta tolerancia a la sequía y las temperaturas frías, y utiliza la forma de fotosíntesis C4 más eficiente.

La secuencia del equipo de CABBI y el análisis genómico de Miscanthus sinensis, el primero para cualquier tipo de miscanthus, proporcionan una base para mejoras sistemáticas para optimizar esos rasgos deseables. El proyecto también produjo un atlas de genes que se activan y desactivan en diferentes partes de la planta durante su ciclo de vida estacional, revelando nuevos reguladores de perenneidad, un rasgo deseable para biocombustibles y otros cultivos.

«El conjunto de herramientas genómicas que hemos reunido para el miscanthus será un recurso valioso para los investigadores que estudian esta planta y la reproducen para mejorar la biomasa y otros rasgos», dijo Swaminathan. «Al comparar el miscanto con el sorgo, la caña de azúcar y otros pastos relacionados, los investigadores del CABBI y más allá esperan descifrar la base genética de las innovaciones vinculadas a la productividad y la adaptabilidad».

El estudio se basó en extensas colecciones de campo durante varias temporadas de cultivo en la Universidad de Illinois que capturaron el ciclo de vida completo de la planta. Dirigidos por Swaminathan, los científicos midieron la expresión genética en las hojas, los tallos y el rizoma (la parte subterránea del tallo). El catálogo de genes preferidos por los tejidos proporcionará pistas sobre cómo modificar genéticamente la planta para mejorar ciertos procesos, dijo Mitros, quien dirigió el trabajo computacional sobre el ensamblaje, la anotación y el análisis de secuencias del genoma.

El estudio también reveló un grupo de genes involucrados en el importantísimo ciclo de removilización de nutrientes. En el otoño, cuando las hojas de la planta mueren, el nitrógeno y otros nutrientes se envían al rizoma, donde se almacenan bajo tierra durante el invierno; en la primavera, esa energía se absorbe en otros tejidos a medida que la planta crece en lugar de regresar al suelo, lo que reduce la necesidad de fertilizantes. Los rizomas también producen nuevos tallos, lo que permite que la planta crezca cada año y ayuda con el almacenamiento de carbono. Todo eso hace que el miscanthus sea más sostenible, menos costoso de administrar y más ecológico.

Muchas líneas de M. sinensis se utilizan como hierbas decorativas y crecen tanto del rizoma como de la semilla. La hierba con potencial bioenergético, tipo Miscanthus x giganteus «Illinois», no crea semillas viables y, por lo tanto, es más difícil de propagar. Investigadores de CABBI como Erik Sacks, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de los Cultivos de Illinois, están trabajando en nuevos híbridos, cruzando M. sinensis y M. sacchariflorus para crear múltiples variedades giganteus que serían más adaptables a diferentes regiones y producir semillas.

La secuencia genética es una plataforma para comprender las variaciones dentro de todo tipo de variedades de miscanthus, dijo Rokhsar. Los híbridos de Miscanthus han evolucionado naturalmente en Asia, y Sacks y otros criadores esperan combinar lo mejor de las poblaciones para crear las variedades más adecuadas para ubicaciones particulares.

En un nivel fundamental, el estudio ayudará a los científicos a encontrar respuestas a preguntas básicas sobre la biología de las plantas, como los circuitos involucrados en el ciclo de nutrientes del rizoma, cómo funciona a través de las estaciones y cómo evolucionó. Y les dará más información sobre las reglas para cruzar y combinar miscanthus para que puedan producir híbridos óptimos, dijo Rokhsar.

«Los tipos de datos presentados en este estudio también son fundamentales para implementar técnicas como la edición de genes para ayudar a descifrar la función de los genes que controlan los rasgos y adaptaciones importantes para el éxito de esta hierba de alto rendimiento», dijo Swaminathan.

Por ejemplo, los datos de expresión génica apuntan a un conjunto de genes que pueden estar involucrados en la capacidad del miscanto para almacenar energía en un tallo subterráneo modificado (el rizoma) durante el invierno y recuperarse cada año más grande que antes. Swaminathan está intrigado por lo que hace que un tallo se convierta en un órgano de almacenamiento en las gramíneas Andropogoneae; Quiere comprender los mecanismos moleculares que dirigen al rizoma del miscanto a almacenar carbohidratos complejos, mientras que los tallos de caña de azúcar y sorgo dulce almacenan azúcar.

Miscanthus y otras plantas tienen genomas complejos, con un historial de más duplicación genómica que la observada en animales. Tener múltiples copias de cromosomas permite plantas más grandes y más diversidad genética, al tiempo que proporciona más objetivos para los ingenieros genéticos. Pero también hizo que la secuenciación y el ensamblaje fueran un desafío, dijo Rokhsar. «Recurrimos a muchas tecnologías diferentes para que eso sucediera».

El análisis del equipo determinó que el miscanto es un «paleoalotetraploide», lo que significa que surgió por la hibridación antigua de dos especies ancestrales, en lugar de duplicarse dentro de una sola especie como sucedió en la caña de azúcar. Los dos progenitores del miscanthus se extinguieron hace mucho tiempo, murieron después de la hibridación hace unos 2 millones de años, pero sus cromosomas viven en miscanthus. Session utilizó análisis computacionales para descubrir los orígenes antiguos de cada cromosoma e identificar segmentos que han intercambiado cromosomas. También destacó diferencias sutiles en la forma en que los dos conjuntos de cromosomas han evolucionado desde la duplicación, información vital para los ingenieros genéticos que quieren eliminar genes particulares, dijo Mitros.

El documento es la culminación de un esfuerzo interdisciplinario de varios años para secuenciar un genoma de miscanthus en el que participaron decenas de investigadores en los EE. UU., Europa y Asia. Se basa en el trabajo de científicos como Sacks, que ha recolectado germoplasma de miles de líneas de Miscanthus en Japón, Corea y otros países.

Otros investigadores instrumentales incluyeron a los profesores Stephen Moose y Matthew Hudson, científicos de cultivos de la Universidad de Illinois que participaron en el proyecto del genoma cuando el proyecto estaba bajo los auspicios del Energy Biosciences Institute, una iniciativa financiada por BP en Illinois, UC Berkeley y Berkeley Lab. El profesor Stephen Long, otro científico de cultivos de la U de I, fue uno de los primeros en proponer el miscanto como base para una nueva economía de biocombustibles como parte de un equipo científico de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales. Moose dirigió el grupo de materias primas de EBI y fue pionero en el trabajo de genómica, produciendo mapas de cromosomas de M. sinensis y conjuntos de datos de expresión génica temprana para múltiples líneas de Miscanthus. El JGI llevó a cabo gran parte de la secuenciación del genoma bajo la supervisión de Rokhsar,

Swaminathan fue científico del equipo de Moose durante el proyecto EBI. El equipo, que incluía a Rokhsar y Mitros, comenzó tratando de descifrar el genoma de M. x giganteus Illinois, pero «era un rompecabezas que no encajaba», dijo. Los investigadores se dieron cuenta de que M. x giganteus era demasiado complicado y recurrieron a una línea doble haploide de M. sinensis generada por Katarzyna Glowacka, entonces estudiante de posgrado en Polonia y ahora miembro de la facultad de la Universidad de Nebraska. Usando los mejores datos disponibles en ese momento, armaron un ensamblaje de genoma fragmentado. Swaminathan se unió a HudsonAlpha en 2016, trayendo consigo un congelador lleno de muestras, y tanto James como su compañero postdoctoral Mohammad Belaffif comenzaron a procesar muestras y analizar los datos.

CABBI se formó en 2017 y asumió el proyecto del genoma. Mitros reunió el análisis genómico. El equipo de Swaminathan se centró en la expresión genética y Sacks contribuyó con datos de sus colecciones de diversidad. Investigadores de Europa compartieron datos e información genotípica sobre el genoma de M. sacchariflorus, y el proyecto creció.

«Se necesitó un esfuerzo concertado, con alguien en el centro reuniendo todos los datos para darle sentido», dijo Swaminathan. «Esto simplemente no hubiera sucedido sin CABBI».


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