Caña de azúcar será más rendidora gracias a CRISPR
La caña de azúcar tiene el genoma más complejo de todos los cultivos.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Florida en el Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bio productos (CABBI) aprovechó la complejidad genética de la caña de azúcar para utilizar el sistema CRISPR/Cas9 para determinar con precisión cómo afinar el ángulo de la hoja en este cultivo.
Estos ajustes genéticos permitieron que la caña de azúcar capturara más luz solar, lo que a su vez aumentó la cantidad de biomasa producida.
Sin embargo, como híbrido de Saccharum officinarum y Saccharum spontaneum, la caña de azúcar tiene el genoma más complejo de todos los cultivos. Esta complejidad significa que mejorar la caña de azúcar, mediante el mejoramiento convencional, es un desafío. Debido a esto, los investigadores recurren a herramientas de edición de genes, como el sistema CRISPR/Cas9, para apuntar con precisión al genoma de la caña de azúcar y mejorarlo.
La caña de azúcar es el mayor cultivo del mundo en términos de rendimiento de biomasa y proporciona el 80 por ciento del azúcar y el 40 por ciento del biocombustible producido en todo el mundo. El tamaño de la planta y el uso eficiente del agua y la luz la convierten en una de las principales candidatas para producir bio productos y bio combustibles renovables avanzados y de valor añadido.
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En Colombia el sector de la caña de azúcar es muy próspero, porque es un clúster con características únicas en el país. Se concentra en más de 50 municipios de 5 departamentos (Valle, Cauca, Risaralda, Caldas y Quindío) a lo largo del valle del río Cauca en donde se ubican 4.500 cultivadores, 14 plantas productoras de azúcar; seis de estos ingenios tienen destilerías anexas para la producción de bioetanol como oxigenante de la gasolina y hay una comercializadora internacional.
Todo lo anterior gracias a las 238.350 hectáreas sembradas en caña, de las cuales el 75 % pertenece a más de 4.500 agricultores.
Foto cortesía Asocaña
En 2022, la agroindustria de la caña colombiana tuvo una producción de 23 millones de toneladas de caña, 2,09 millones de toneladas de azúcar, 347 millones de litros de bioetanol a partir de caña de azúcar y 1.745 GWh de energía cogenerada a partir del bagazo de caña, 759 GWh de los cuales fueron entregados al Sistema de Interconexión Eléctrico Nacional. Esa es la importancia de este cultivo en el contexto colombiano.
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En el artículo, publicado en Plant Biotechnology Journal , se respalda el enfoque de “plantas como fábricas” del Centro de Investigación de Bioenergía CABBI, financiado por el DOE, y el objetivo principal de su investigación sobre producción de materias primas es sintetizar biocombustibles, bio productos y moléculas de alto valor directamente en los tallos de plantas como la caña de azúcar.
Eleanor Brant recolecta muestras de hojas para análisis molecular de caña de azúcar editada genéticamente. Crédito: Charles Keato.
La complejidad del genoma de la caña de azúcar se debe en parte a sus altos niveles de redundancia: posee muchas copias de cada gen. Por lo tanto, el fenotipo que muestra una planta de caña de azúcar generalmente depende de la expresión acumulativa de las múltiples copias de un determinado gen. El sistema CRISPR/Cas9 es perfecto para esta tarea porque puede diseñarse para editar pocas o muchas copias de un gen a la vez.
Este estudio se centró en LIGULELESS1, o LG1, un gen que desempeña un papel importante en la determinación del ángulo de las hojas de la caña de azúcar. El ángulo de la hoja, a su vez, determina cuánta luz puede capturar la planta, lo cual es fundamental para la producción de biomasa.
Dado que el genoma altamente redundante de la caña de azúcar contiene 40 copias de LG1, los investigadores pudieron ajustar el ángulo de la hoja editando diferentes números de copias de este gen, lo que resultó en ángulos de la hoja ligeramente diferentes dependiendo de cuántas copias de LG1 se editaron.
"En algunas de las cañas de azúcar editadas con LG1, simplemente mutamos algunas de las copias", dijo Fredy Altpeter, líder del equipo de investigación y profesor de Agronomía en la Universidad de Florida. "Y al hacerlo, pudimos adaptar la arquitectura de la hoja hasta que encontramos el ángulo óptimo que resultó en un mayor rendimiento de biomasa".
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Cuando los investigadores cultivaron caña de azúcar en pruebas de campo, descubrieron que los fenotipos de hojas verticales permitían que penetrara más luz en el dosel, lo que resultó en un mayor rendimiento de biomasa. Una línea de caña de azúcar en particular, que contenía modificaciones en ~12% de las copias LG1 y mostró una disminución del 56% en el ángulo de inclinación de las hojas, tuvo un aumento del 18% en el rendimiento de biomasa seca.
Al optimizar la caña de azúcar para capturar más luz, estas ediciones genéticas aumentan el rendimiento de la biomasa sin tener que agregar más fertilizante a los campos. Además de eso, desarrollar una comprensión más sólida de la genética compleja y la edición del genoma ayuda a los investigadores a trabajar hacia enfoques refinados para la mejora de cultivos.
"Esta es la primera publicación revisada por pares que describe una prueba de campo de caña de azúcar editada con CRISPR", dijo Altpeter. "Y este trabajo también muestra oportunidades únicas para la edición de genomas de cultivos poliploides, donde los investigadores pueden ajustar un rasgo específico".
Los coautores de este estudio incluyeron investigadores de CABBI del Departamento de Agronomía de la Universidad de Florida, Eleanor Brant, Ayman Eid, Baskaran Kannan y Mehmet Cengiz Baloglu.
Fuentes consultadas:
https://doi.org/10.1111/pbi.14380
https://www.asocana.org/publico/info.aspx?Cid=215
https://cabbi.bio/fine-tuning-leaf-angle-with-crispr-improves-sugarcane-yield/