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La investigación podría ahorrar años de cría de nuevos híbridos de Miscanthus


A medida que el cambio climático se vuelve cada vez más difícil de ignorar, los científicos están trabajando para diversificar y mejorar las alternativas a la energía basada en combustibles fósiles. 


por Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Los cultivos de bioenergía renovables, como el pasto perenne Miscanthus, son prometedores para la producción de etanol celulósico y otros usos, pero los híbridos actuales están limitados por las condiciones ambientales y la susceptibilidad a plagas y enfermedades.

Los criadores han estado trabajando para desarrollar nuevos híbridos de Miscanthus durante años, pero la esterilidad del cultivo clonal, el genoma complejo y el largo tiempo de maduración dificultan la reproducción convencional. En un nuevo estudio, los investigadores de la Universidad de Illinois explotan el vasto potencial genómico del cultivo en un esfuerzo por acelerar el proceso de mejoramiento y maximizar sus rasgos más deseables.

«El método que estamos utilizando, la selección genómica , puede acortar el tiempo que lleva criar un nuevo híbrido al menos a la mitad», dice Marcus Olatoye, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias de Cultivos de Illinois. «Ese es el objetivo general».

En la reproducción convencional, un enfoque típico es que los investigadores hagan crecer individuos de un conjunto diverso de poblaciones y seleccionen aquellos con los mejores rasgos para el apareamiento. Pero, para Miscanthus, esos rasgos no aparecen hasta que las plantas tienen 2-3 años. Incluso después de que las plantas de esta primera generación se apareen, la descendencia tarda otros 2-3 años en revelar si los rasgos deseados se transmitieron fielmente.

En la selección genómica, los científicos toman muestras genéticas de semillas o plántulas en una población objetivo . Este es el grupo de plantas que normalmente tendrían que crecer hasta la madurez antes de realizar cruces experimentales. Mientras tanto, los investigadores compilan datos genéticos y fenotípicos de poblaciones relacionadas, conocidos como conjuntos de referencia o entrenamiento, en un modelo estadístico . La referencia cruzada de datos genéticos de la población objetivo con los datos del modelo permite a los investigadores predecir el resultado fenotípico de cruces hipotéticos dentro de la población objetivo.

Esto permite a los criadores ir al grano, persiguiendo solo los cruces más prometedores con más pruebas de campo.

«Idealmente, este proceso podría permitir a los mejoradores hacer selecciones basadas en valores fenotípicos predichos antes de que las plantas sean plantadas», dice Alex Lipka, profesor asociado de biometría en el Departamento de Ciencias de Cultivos y coautor del estudio. «Específicamente, queremos hacer selecciones para optimizar la resistencia al invierno, la biomasa, la tolerancia a las enfermedades y el tiempo de floración en Miscanthus, todo lo cual limita el rendimiento del cultivo en varias regiones de América del Norte».

Aunque no es un proceso simple en el mejor de los casos, la selección genómica en Miscanthus es mucho más desafiante que en otros cultivos. El híbrido de interés, Miscanthus × giganteus, es el producto de dos especies separadas, Miscanthus sinensis y Miscanthus sacchariflorus, cada una de las cuales tiene diferentes números de cromosomas y contiene una gran cantidad de variación dentro y entre las poblaciones naturales.

«Hasta donde sabemos, nadie ha tratado de entrenar modelos de selección genómica de dos especies separadas antes. Decidimos volvernos completamente locos aquí», dice Lipka. «Desafortunadamente, encontramos que las dos especies progenitoras no hacen un buen trabajo al predecir los rasgos de biocombustibles en Miscanthus × giganteus».

El problema era doble. Primero, el modelo estadístico simplemente reveló demasiada variación genética entre las subpoblaciones parentales para capturar el impacto de los genes que controlan los rasgos de los biocombustibles. Esto significaba que las poblaciones parentales elegidas para el conjunto de referencia eran demasiado diversas para predecir de manera confiable los rasgos en el híbrido Miscanthus × giganteus. Y segundo, los genes que controlan un rasgo particular, como los relacionados con el potencial de biocombustibles, parecían ser diferentes en las dos especies parentales.

En otras palabras, los genomas que contribuyen a Miscanthus × giganteus son altamente complejos, lo que explica por qué el enfoque estadístico tuvo dificultades para predecir rasgos en la descendencia de los dos padres.

Aún así, el equipo de investigación siguió intentándolo. En un estudio de simulación, Olatoye creó 50 familias de Miscanthus × giganteus, cada una derivada de padres seleccionados al azar de ambas especies. Marcó selectivamente las contribuciones genéticas de cada padre hacia arriba y hacia abajo, y estas contribuciones formaron la base genética de los fenotipos simulados. La intención del estudio era proporcionar una mejor visión de qué individuos y poblaciones podrían ser más valiosos para los cruces en la vida real.

«Los resultados sugieren que la mejor estrategia para utilizar la diversidad en los padres es ajustar los modelos de selección genómica dentro de cada especie parental por separado, y luego agregar los valores predichos Miscanthus × giganteus de los dos modelos por separado», dice Olatoye.

Aunque los investigadores tienen más trabajo por hacer, el estudio de simulación demostró que la selección genómica puede funcionar para Miscanthus × giganteus. El siguiente paso es refinar aún más qué poblaciones se usan para entrenar el modelo estadístico y evaluar cruces en el campo.

El artículo, «Capacitación para la optimización de la población para la selección genómica en Miscanthus», se publica en G3: Genes, Genomes, Genetics .


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