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Dulce éxito: primer mejoramiento genético de precisión en caña de azúcar mediante CRISPR/Cas9

Fredy Altpeter de CABBI, evalúa el ensayo de campo con una caña de azúcar modificada genéticamente en la Universidad de Florida.

Las primeras ediciones exitosas en caña de azúcar, realizadas en la Universidad de Florida, lograron cambios en el contenido de clorofila (lo cual tiene el potencial de aumentar la fotosíntesis a nivel del dosel o reducir el requerimiento de fertilizante nitrogenado) y tolerancia a herbicidas para control de malezas. Los siguientes objetivos genético apuntan a la producción de bioproductos y biocombustibles renovables con valor agregado.

La caña de azúcar es una de las plantas más productivas de la Tierra, ya que proporciona el 80% del azúcar y el 30% del bioetanol producido en todo el mundo. Su tamaño y el uso eficiente del agua y la luz le otorgan un enorme potencial para la producción de bioproductos y biocombustibles renovables con valor agregado.

Pero el genoma de la caña de azúcar, altamente complejo, plantea desafíos para el mejoramiento genético convencional, que requiere más de una década de ensayos para el desarrollo de una nueva variedad mejorada.

Dos innovaciones publicadas recientemente por investigadores de la Universidad de Florida en el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI, por sus siglas en inglés) del Departamento de Energía, demostraron el primer mejoramiento de precisión exitoso en caña de azúcar mediante el uso de la herramienta de edición del genoma CRISPR/Cas9, una forma mucho más específica y eficiente de desarrollar nuevos variedades.

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CRISPR/Cas9 permite a los científicos introducir cambios con alta precisión en casi cualquier gen y, según el enfoque seleccionado, apagar el gen o reemplazarlo con una versión superior. Esto último es técnicamente más desafiante y hasta ahora rara vez se ha informado para los cultivos.

Ayman Eid, investigador asociado posdoctoral de CABBI en la Universidad de Florida, muestra una caña de azúcar editada genéticamente con contenido reducido de clorofila. Imagen: Rajesh Yarra, UF / IFAS Agronomy

En el primer estudio, los investigadores demostraron la capacidad de desactivar números variables de copias del gen de la quelatasa de magnesio, una enzima clave para la biosíntesis de clorofila en la caña de azúcar, produciendo plantas rápidamente identificables con hojas de color verde claro a amarillo. Las plantas de color verde claro no mostraron una reducción del crecimiento y pueden requerir menos fertilizante de nitrógeno para producir la misma cantidad de biomasa. Ese estudio, publicado en Frontiers in Genome Editing, fue dirigido por los investigadores de CABBI, Fredy Altpeter, profesor de agronomía en el Instituto de Ciencias Agrícolas y Alimentarias (IFAS) de la Universidad de Florida, y Ayman Eid, investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Altpeter.

El segundo estudio, también publicado en Frontiers in Genome Editing, logró un direccionamiento genético eficiente y reproducible en la caña de azúcar, lo que demuestra la sustitución precisa de múltiples copias del gen objetivo por una versión superior, lo que confiere resistencia a herbicidas. Los científicos introdujeron conjuntamente una plantilla de reparación junto con la herramienta de edición de genes para dirigir el propio proceso de reparación del ADN de la planta, de modo que uno o dos de los miles de bloques de construcción del gen, llamados nucleótidos, fueran reemplazados con precisión en la ubicación objetivo. El resultado fue que el producto génico seguía siendo completamente funcional y ya no podía ser inhibido por el herbicida. Ese estudio fue dirigido por Altpeter y el ex postdoctorado de CABBI Mehmet Tufan Oz.

El laboratorio de Altpeter, parte del innovador proyecto de CABBI para desarrollar nuevas variedades de caña de azúcar ricas en aceite, ha sido pionero en la investigación con la edición del genoma de la caña de azúcar utilizando el sistema de edición de genes TALEN. Pero las dos publicaciones recientes son las primeras en demostrar con éxito la edición de genes CRISPR en la caña de azúcar, así como la selección de genes para la sustitución de nucleótidos de precisión en la caña de azúcar utilizando cualquier herramienta de edición del genoma.

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«Ahora tenemos herramientas muy efectivas para modificar la caña de azúcar en un cultivo con mayor productividad o sustentabilidad mejorada», dijo Altpeter. «Es importante porque la caña de azúcar es el cultivo ideal para impulsar la bioeconomía emergente».

La caña de azúcar es un híbrido de dos tipos de plantas parentales, por lo que tiene múltiples conjuntos de cromosomas en lugar de solo dos, como ocurre con los humanos o las plantas «diploides». Eso crea redundancia genética, con muchos conjuntos de genes haciendo el mismo trabajo, lo que puede contribuir a la productividad de la planta: si un conjunto se rompe, hay una copia de seguridad. Pero hace que la caña de azúcar sea extremadamente difícil de modificar. Los científicos de cultivos deben apuntar a todos los genes y copias que gobiernan un rasgo en particular para poder realizar mejoras.

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Con el mejoramiento convencional, se cruzan dos tipos de caña de azúcar para reorganizar la información genética presente en cada padre con la esperanza de mejorar un rasgo deseable como la resistencia a enfermedades. El problema es que los genes se transfieren de los padres a la descendencia en bloques, y los rasgos deseables a menudo se relacionan con material genético deletéreo. Esto significa que los científicos a menudo tienen que hacer múltiples rondas de retrocruzamiento y seleccionar miles de plantas para restaurar el trasfondo de sus parentales de élite, o las características subyacentes de la planta, además de mejorar un rasgo que están intentando modificar. El proceso lleva más tiempo y es más costoso en plantas con genomas complejos como la caña de azúcar.

Las tecnologías precisas de edición de genes como CRISPR/Cas9 ofrecen un camino mucho más específico para la mejora de cultivos porque evita la reorganización de la información genética y simplemente cambia las versiones de genes inferiores en superiores. Dada la complejidad del genoma de la caña de azúcar, Altpeter y su equipo se centraron inicialmente en los genes que controlan rasgos notorios (el color de las hojas y la resistencia a los herbicidas) para poder determinar si las ediciones funcionaron.

Más allá de proporcionar un fenotipo fácilmente identificable, los genes diana pueden resultar útiles en investigaciones futuras. Cambiar el contenido de clorofila de la caña de azúcar tiene el potencial de aumentar la fotosíntesis a nivel del dosel o reducir el requerimiento de fertilizante nitrogenado, basado en modelos previos de plantas. La caña de azúcar es una planta alta y densa, cuyas hojas superiores reciben mucho sol y dan sombra al follaje inferior. Si las hojas superiores tienen menos clorofila, la luz solar puede penetrar más profundamente en la planta, aumentando su biomasa con la misma cantidad de luz y menos fertilizante. La resistencia a herbicidas no es solo un rasgo deseable desde el punto de vista agronómico para facilitar el manejo de malezas; también facilitará los esfuerzos futuros de edición de genes al permitir la supresión de células vegetales no editadas.

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En CABBI, Altpeter y su equipo ya están aplicando los resultados para desarrollar líneas mejoradas de caña de azúcar. La caña de azúcar tiene muchos objetivos genéticos diferentes que pueden traducirse en más biomasa o en la producción de lípidos o ácidos grasos especiales, todo lo cual haría avanzar los objetivos de CABBI de producir combustibles y otros productos a partir de plantas para reemplazar el petróleo. Debido a que el cultivo ya está cosechado y procesado para la extracción de azúcar, la infraestructura básica para procesar su materia prima en un producto en un estante está esencialmente en su lugar.

«Agregar flujos de valor es relativamente económico en comparación con otras alternativas de cultivos», dijo Altpeter.

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