En el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI) que pertenece al Departamento de Energía de EEUU, los investigadores modificaron el genoma de tres tres especies de miscanthus utilizando CRISPR/Cas9, una forma mucho más específica y eficiente para desarrollar nuevas variedades que los métodos tradicionales anteriores.


Según los investigadores, los resultados acelerarán los esfuerzos para aprovechar el enorme potencial de este cultivo, que con mejor genética podría ser altamente productivo como fuente de biocombustibles, bioproductos renovables y para el secuestro de carbono.
El estudio, publicado en Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, fue dirigido por tres investigadores de CABBI del Instituto de Biotecnología HudsonAlpha en Alabama: Kankshita Swaminathan, Mohammad Belaffif, y Nancy Reichert.


Swaminathan codirigió un equipo internacional que secuenció el genoma del miscanthus en 2020. Ese trabajo proporcionó una hoja de ruta para los investigadores que exploran nuevas formas de maximizar la productividad de la planta y descifrar la base genética de sus características deseables. El miscanthus es extremadamente adaptable y fácil de cultivar. Puede prosperar en tierras marginales, requiere una fertilización limitada, tiene una alta tolerancia a la sequía y las temperaturas frías, y utiliza la forma de fotosíntesis C4, que es más eficiente.

Hasta la fecha, los esfuerzos para mejorar genéticamente el miscanthus se han concentrado en transformar plantas mediante la introducción de genes externos en lugares aleatorios de sus genomas, en lugar de apuntar a sitios específicos o modificar genes existentes.


El equipo de CABBI desarrolló procedimientos de edición de genes utilizando CRISPR/Cas9 que permitirán a los investigadores apuntar selectivamente a los genes existentes dentro de las plantas de miscanthus para anular o modificar su función e introducir nuevos genes en ubicaciones precisas. Esa capacidad de orientación presenta una nueva vía para la mejora genética de este cultivo con enorme potencial para la bioeconomía.


El estudio demostró la edición de genes en tres especies de miscanthus: el altamente productivo Miscanthus x giganteus , que se cultiva comercialmente para bioenergía, y sus padres, M. sacchariflorus y M. sinensis.


Los investigadores de CABBI se basaron en una edición de genes similar en Zea mays (maíz), que identificó el gen lemon white 1 (lw1) como un objetivo útil para la confirmación visual de los cambios genéticos. Ese gen está involucrado en la biosíntesis de clorofila y carotenoides, que afecta el color de la hoja, y estudios previos demostraron que la edición de lw1 a través de CRISPR/Cas9 produjo fenotipos de hoja de color verde pálido/amarillo, rayado o blanco.


Usando información de secuencia tanto de miscanthus como de sorgo, los investigadores identificaron que podrían apuntar a homeólogos, o copias de genes duplicados, de lw1 en el tejido vegetal de miscanthus. Las hojas de las plantas de miscanthus editadas mostraban los mismos fenotipos que se encuentran en el maíz, con hojas de color verde/amarillo pálido, rayadas o blancas en lugar del verde típico.


El trabajo mejora la misión de CABBI de desarrollar una producción sostenible de bioenergía y diseñar materias primas seleccionadas (miscanthus, sorgo y caña de azúcar) para producir nuevos bioproductos, como aceites y productos químicos especiales. Antes de este estudio, el trabajo de bioingeniería se limitaba al sorgo y la caña porque no se habían desarrollado los métodos para la ingeniería precisa en miscanthus.


«Identificar germoplasma transformable, desarrollar métodos de transformación confiables y demostrar la edición de genes en miscanthus son pasos cruciales hacia la ingeniería genética en miscanthus», dijo Swaminathan. «La capacidad de editar miscanthus con precisión para mejorar la productividad, permitir el crecimiento continuo en tierras marginales y producir productos químicos especiales como aceites ayudará a eliminar el ‘potencial’ de su estado como cultivo bioenergético viable.

«Esta investigación nos ayuda a avanzar unos pasos más hacia la reducción de nuestra dependencia de la energía basada en el petróleo».


Para identificar las líneas de miscanthus que se transformaron bien, los investigadores seleccionaron germoplasma de proveedores comerciales y colaboradores del estudio. La mayoría de las líneas fueron proporcionadas por el coautor Erik Sacks, profesor de Ciencias de Cultivos en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, quien ha recolectado germoplasma de todo el mundo. Sacks y Swaminathan son líderes temáticos adjuntos para la investigación de producción de materia prima de CABBI.


«Este proyecto de investigación fue un esfuerzo multiinstitucional altamente colaborativo con investigadores que trabajaron en distintas disciplinas para lograr un objetivo importante. Reforzó el enfoque de ‘panorama general’ de la investigación dentro de CABBI, así como en otros centros de investigación de semillas», dijo Reichert.

Fuente: BioEconomía