Aplican IA para acelerar la búsqueda de marcadores de resistencia a la hoja amarilla de la caña de azúcar

Científicos brasileños se valen de algoritmos de aprendizaje de máquinas y métodos estadísticos tradicionales para asociar la robustez contra la enfermedad a ciertas características genéticas. Y una de las variedades consideradas resistentes acaba de presentarse comercialmente en Brasil

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – La hoja amarilla es una de las principales enfermedades que acomete a los cultivos de caña de azúcar en Brasil, causada por un virus resistente a los tratamientos térmicos. Una vez infectada, la planta solo puede recuperarse mediante un proceso de cultivo de tejidos vegetales en laboratorio, que requiere de tiempo e infraestructura. De acuerdo con un grupo de científicos que estudia este problema, la manera más eficaz de controlar la enfermedad consiste en hallar variedades de caña de azúcar resistentes a la misma. Y este es el objetivo de un proyecto que se lleva adelante con el apoyo de la FAPESP.

En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, el equipo compuesto por científicos de la Universidad de Campinas (Unicamp), del Instituto Agronómico (IAC), del Instituto Biológico de São Paulo (IB) y de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Brasil, y de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL), en Ecuador, aplicó análisis genómicos, algoritmos de aprendizaje de máquinas y métodos estadísticos para refinar y acelerar la búsqueda de marcadores moleculares de resistencia a la enfermedad. 

El grupo descubrió que la mayoría de las variedades resistentes representa a la llamada caña energía (más rica en biomasa que en azúcar y más adaptada a la producción del etanol de segunda generación o etanol celulósico), pero al menos una de ellas tiene potencial comercial para la fabricación de azúcar o etanol convencional, tan es así que el IAC la lanzó comercialmente el pasado mes de octubre.

La muestra experimental consistió en un panel de 97 genotipos de caña de azúcar, que incluía a representantes de las especies silvestres (que no pasaron por proceso de mejoramiento) Saccharum officinarum, Saccharum spontaneum y Saccharum robustum, aparte de variedades de caña de azúcar tradicional y de caña energía, con cultivares comerciales provenientes de programas brasileños de mejoramiento.   

“Analizamos la resistencia a la hoja amarilla de cada una de las variedades. Nuestro objetivo fue asociar la resistencia contra la enfermedad a ciertas características genéticas. Para ello empleamos varios tipos de marcadores moleculares distintos, que son variaciones del ADN, echando mano de la secuenciación de nueva generación para obtener esa información”, resume Ricardo Pimenta, del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) de la Unicamp.

El equipo del programa de mejoramiento de la caña de azúcar del Instituto Agronómico seleccionó el conjunto de variedades. La mayoría proviene del propio programa de mejoramiento del IAC, pero hay también muestras de la Red Intrauniversitaria para el Desarrollo del Sector de Azúcar y Energía (Ridesa, en portugués) y del Centro de Tecnologia Canavieira (CTC). 

“Esta colección representa una variabilidad que existe en la caña de azúcar en Brasil, tanto en la caña plantada como en la que se utiliza en cruzamientos para producir otras variedades”, aclara Anete Pereira de Souza, docente del Departamento de Biología Vegetal del Instituto de Biología de la Unicamp y coordinadora de proyectos en el CBMEG. 

La expresión de los síntomas de la hoja amarilla es compleja y ocurre generalmente en fases tardías del desarrollo de la planta, caracterizándose precisamente por el amarilleo de la nervura central de las hojas de la caña de azúcar. Esta enfermedad altera el metabolismo y el transporte de la sacarosa, como así también la eficiencia fotosintética, con lo cual perjudica el desarrollo de esta gramínea, lo que termina repercutiendo en una pérdida de la productividad.

El abordaje

De acuerdo con Pimenta, el artículo describe un logro inédito del equipo del IAC. “El virus de la hoja amarilla es transmitido por el pulgón amarillo (Melanaphis sacchari). El equipo del IAC plantó la caña y, al mismo tiempo, crio pulgones en plantas ya infectadas con el virus. Luego dispersó esos pulgones por las plantas no infectadas y los monitoreó, en un proceso controlado de inoculación e infección. En estudios anteriores ya se habían intentado cosas parecidas. En ellos se plantaba la caña en el campo y se la dejaba allí. Y la infección ocurría de manera natural, por decirlo de algún modo, en un proceso menos controlado de inoculación.” 

Según el investigador, el equipo abordó la cuestión de la resistencia a la hoja amarilla en las plantas infectadas por el pulgón de dos maneras. Primeramente, mediante RT-PCR cuantitativa, una metodología similar a la aplicada en los test de diagnóstico del COVID-19. “La PCR se empleó para cuantificar el virus en ese conjunto de variedades de caña de azúcar que analizamos”. Y, en segundo lugar, desde el punto de vista de la severidad de la enfermedad, lo que se revela en la aparición de síntomas (cuán amarilla queda la planta, por ejemplo), algo muchas veces difícil de analizar.
 
Con la intención de establecer asociaciones entre la resistencia a la hoja amarilla y ciertas características genéticas, el equipo efectuó análisis de asociación genómica y también se valió de algoritmos de aprendizaje de máquinas –una técnica de inteligencia artificial basada en el reconocimiento de patrones– junto con métodos de selección de atributos.

“Lo que normalmente encontramos en estudios de asociación genómica son marcadores que tiene mucho efecto sobre el fenotipo [las características observables]. Y esto es un problema, ya que los otros, los que poseen menor efecto fenotípico, no se los encuentra. El objetivo de la selección de atributos consistió en capturar las marcas que influyen en el fenotipo, pero de manera reducida, para efectuar una selección más eficiente de los marcadores moleculares”, aclara Alexandre Hild Aono, también del CBMEG. 

En tanto, el aprendizaje de máquinas se empleó para construir un modelo de predicción que, con base en los marcadores genéticos suministrados, logre vislumbrar si una variedad es resistente, tolerante o susceptible al virus. “Para hacer esto, los algoritmos ranquearán algunos marcadores como ‘muy importantes’ para la predicción y otros como ‘menos significativos’. Y lo que nos preguntamos fue lo siguiente: si el sistema considera que determinados marcadores son muy importantes, ¿no tendrán también influencia en el fenotipo? Y vimos que, en efecto, tienen influencia en el fenotipo. De este modo, acoplando esas distintas metodologías, logramos filtrar y seleccionar los marcadores que poseen mayor potencial para ejercer una influencia directa sobre la configuración de la hoja amarilla. Aunque no sean ‘los que aparecen más’ [los que generan más efectos en el fenotipo]”, explica Hild Aono. 

Pereira de Souza recuerda que uno de los objetivos del trabajo consistió en comparar los resultados de cada técnica metodológica y ver si existía una convergencia entre ellas. “Encontramos una colección más amplia de marcadores con la metodología que se propone ahora, pero esta también queda validada por la estadística tradicional. Ambas dialogan y, al utilizarlas en asociación, logramos obtener un conjunto de datos mucho más amplio para estudiarlo y suministrar una base más rica para el mejoramiento.”

De acuerdo con la investigadora, el nivel de minuciosidad del trabajo del equipo multidisciplinario es inédito. “Comparamos las metodologías y demostramos la eficiencia y la necesidad de aplicar una metodología estadística más refinada. No existe en la literatura algún trabajo en el que se haya realizado este tipo de análisis o se haya criado el pulgón e infectado a las plantas y después se haya cuantificado el virus con PCR cuantitativa. Se trata de un trabajo tendiente a orientar investigaciones en el futuro, con miras a ayudar a entender el mecanismo molecular implicado en la enfermedad.”

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante becas de maestría y de doctorado directo concedidas a Pimenta, una beca de doctorado directo otorgada a Hild Aono y una beca de posdoctorado concedida a Carla Cristina da Silva, una de las autoras del artículo. 

Resistentes

Según Pimenta, las plantas realmente resistentes, que no exhiben síntomas de la enfermedad y tampoco acumulan el virus, constituyen un porcentaje muy bajo de la muestra. “Pocas son realmente resistentes. La mayoría no exhiben síntomas, pero acumulan el virus, lo que termina erigiéndose como un problema, pues el patógeno está allí sin que el agricultor lo note. Nuestros resultados pueden ayudar a eliminar variedades susceptibles y también aquellas que son tolerantes, es decir, las que acumulan el virus sin exhibir los síntomas y que pueden convertirse en reservorios virales”, vaticina, haciendo hincapié en que el gran dilema del mejoramiento de plantas consiste en seleccionar las mejores variedades sin perder demasiada variabilidad. 

El investigador revela que muchas de esas variedades más resistentes son representantes de la llamada caña energía. “Tienen un ancestro ‘silvestre’ reciente más resistente a enfermedades, y no sorprende este resultado. Pero descubrimos también algunas variedades más comerciales que se mostraron resistentes y esas son más interesantes. Entre ellas, la IACSP04-6007 se ha mostrado prometedora y el programa de mejoramiento del IAC la ha lanzado ahora”, revela Pimenta.

Además de esta, las variedades de caña de azúcar que mostraron mayor resistencia a la hoja amarilla (es decir, que no exhibieron síntomas de la enfermedad y arrojaron una baja cuantificación viral) son las siguientes: IACBIO241, IACBIO257, IACBIO266, IACBIO270, IACBIO271, IACBIO273, IACBIO275, IACBIO279, IACCTC 05-3616, IACSP04-2510, IACSP98-5046, IJ76293, IN8482, IN8488 y Krakatau.

Pimenta hace hincapié a su vez en los genes asociados a los marcadores que se hallaron. “Algunos ejemplos más significativos son el gen de una peroxidasa, que es una enzima que ya se la ha asociado a la resistencia a la hoja amarilla anteriormente; el gen de una Dicer, una enzima muy importante en un mecanismo de respuesta de plantas a virus, y también varios genes que contiene repeticiones ricas en leucina ampliamente implicadas en respuestas inmunes a patógenos de plantas”.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Genome-wide approaches for the identification of markers and genes associated with sugarcane yellow leaf virus resistance, de Roberto Carlos Villavicencio Burbano, Alexandre Hild Aono, Alisson Esdras Coutinho, Carla Cristina da Silva, Ivan Antônio dos Anjos, Dilermando Perecin,  Marcos Guimarães de Andrade Landell,  Marcos Cesar Gonçalves, Luciana Rossini Pinto y Anete Pereira de Souza, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-021-95116-1.