Por primera vez, los investigadores han demostrado con éxito la edición genética de precisión en miscanthus, un cultivo perenne prometedor para la producción sostenible de bioenergía.
Un equipo del Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un Centro de Investigación de Bioenergía (BRC) financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., editó los genomas de tres especies de miscanthus utilizando CRISPR/Cas9, una forma mucho más específica y eficiente para desarrollar nuevas variedades que los métodos anteriores.
Los resultados acelerarán los esfuerzos para aprovechar el enorme potencial de esta hierba altamente productiva pero genéticamente compleja como fuente de biocombustibles, bioproductos renovables y secuestro de carbono. El estudio, publicado en Biotecnología para Biocombustibles y Bioproductos, fue dirigido por tres investigadores de CABBI miscanthus en el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología en Alabama: el investigador de la facultad Kankshita Swaminathan, el investigador asociado Anthony Trieu y el ex investigador postdoctoral Mohammad Belaffif, y Nancy Reichert, profesora de ciencias biológicas en la Universidad Estatal de Mississippi.
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. 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 más eficiente.
Hasta la fecha, los esfuerzos para mejorar genéticamente el miscanthus se han centrado 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 importante cultivo de biomasa.
El estudio demostró la edición de genes en tres especies de miscanthus: el altamente productivo Miscanthus x giganteusque se cultiva comercialmente para bioenergía, y sus padres, M. sacchariflorus y M sinensis. Debido a que esas plantas son paleo-poliploides, con ADN antiguo similar al sorgo duplicado y múltiples conjuntos de cromosomas, el diseño de los ARN guía que localizan el material genético para la edición necesitaba apuntar a todas las copias de un gen, para tener en cuenta la redundancia y asegurar un «golpe de gracia» completo.
Los investigadores de CABBI se basaron en una edición de genes similar en zea mays (maíz), que identificó el gen blanco limón 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 ARN guía 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 típico verde.
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 de vías 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 BRC», dijo Reichert.
Otros coautores de CABBI en el estudio incluyeron a Steve Moose, profesor de Ciencias de Cultivos en Illinois; Tom Clemente, Profesor Distinguido Eugene W. Price de Biotecnología en el Centro de Innovación en Ciencias de las Plantas de la Universidad de Nebraska; la investigadora postdoctoral Pradeepa Hirannaiah, la técnica Shilpa Manjunatha, la pasante Rebekah Wood y la especialista en desarrollo de la fuerza laboral Yokshitha Bathula, todos de HudsonAlpha; y la investigadora asociada Rebecca Billingsley y la estudiante de posgrado Anjali Arpan del estado de Mississippi.
