Científicos avanzan en el desarrollo de la “caña papaya”

Tras conocerse cuáles son los genes que actúan en el proceso de separación celular de la raíz de la cañamiel, se podrá desarrollar una variedad para la producción de etanol celulósico con el culmo blando

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Durante el período de maduración de la papaya (Carica papaya), las células de la pared celular del fruto se separan, se ablanda el tejido y se vuelve más fácil su digestión. Este proceso permite que queden disponibles los contenidos celulares y facilita la extracción del azúcar (sacarosa) de la fruta cuando se la ingiere.

Recientemente, se constató que la raíz de la caña de azúcar realiza un proceso similar. Durante su desarrollo, las paredes celulares se modifican y se forman espacios que son ocupados por aire (se los denomina aerénquimas) que separan las células.

“Los aerénquimas son muy comunes en plantas anegadas como el arroz, pues favorecen su sostén o su flotación en el agua, la llegada del oxígeno y la extracción de dióxido de carbono de las partes sumergidas del vegetal”, dijo Marcos Buckeridge, docente del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP), en Brasil.

Durante los últimos años, Buckeridge y sus colaboradores se han dedicado a estudiar los genes que toman parte en la separación celular de la raíz de la caña de azúcar, con el fin de desarrollar variedades transgénicas de esta planta que permitan que el mencionado proceso transcurra en otras partes, como el culmo o tallo, donde se acumulan biomasa y sacarosa.

De esa forma sería posible cultivar variedades de caña con la pared celular ablandada como la de una papaya: la llamada “caña papaya”. Y así facilitar la degradación de la pared celular y viabilizar la producción a gran escala de bioetanol celulósico o de segunda generación (obtenido de la biomasa).

Ahora, un grupo de investigadores vinculados al Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol –uno de los INCTs apoyados por la FAPESP en São Paulo en colaboración con el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico de Brasil (CNPq)– han dado un importante paso en tal sentido.

En colaboración con pares de otras universidades e institutos de investigación de Brasil y del exterior, los científicos lograron describir las primeras secuencias de los genes implicados en la separación celular en la raíz de la caña de azúcar y dilucidar sus funciones en este proceso. Los resultados de este estudio salieron publicados en Journal of Experimental Botany.

“Si logramos promover el efecto de separación de la pared celular de la raíz en el culmo de la caña, será posible no sólo disminuir la cantidad de cocteles enzimáticos que actualmente se utilizan para realizar la hidrólisis enzimática [la degradación y la conversión de hidratos de carbono de la paja y del bagazo de la caña en azúcares pasibles de fermentación] para obtener etanol de segunda generación, como así también para aumentar la extracción de sacarosa”, declaró Buckeridge, quien también coordina el INCT del Bioetanol, a Agência FAPESP.

Se secuenciaron dos genes considerados esenciales en las etapas iniciales de desarrollo de los aerénquimas en la raíz de la caña de azúcar. El primero (scRAV1) es el que codifica a la proteína RAV, factor de transcripción que controla el envejecimiento de las hojas de las plantas. El segundo gen es el de la endopoligalacturonasa (scEPG1), una enzima que ataca a los polisacáridos (pectinas) que mantienen a las células unidas y, de esta forma, efectúa la separación celular durante la maduración de los frutos y la formación de los aerénquimas.

Debido a la alta complejidad del genoma de la caña de azúcar, que posee diversas copias de cada cromosoma y numerosas variantes de cada gen, se secuenciaron ambos genes con base en 17 clones cromosómicos bacterianos con regiones genómicas correspondientes a las de una variedad de caña: la R570.

Las secuencias de los genes se compararon con las del sorgo (Sorghum bicolor), toda vez que esta planta posee uno de los genomas más parecidos al de la caña. Se expresó una secuencia similar de cada uno de ambos genes en hojas de tabaco para la realización de ensayos de transactivación, en los cuales se evalúa qué otros genes activan.

“El tabaco es una planta fácil de transformar genéticamente y sirve como modelo para demostrar si mecanismos como éstos funcionan efectivamente”, dijo Buckeridge.

Los análisis de las regiones genómicas y de los ensayos de transactivación demostraron que el scRAV1 controla la degradación precoz de pectinas durante la formación de aerénquimas en la raíz de la caña. Y también que la proteína que produce el gen scRAV1 se une al promotor del gen scEPG1, reprimiendo su transcripción.

“Esto abre la perspectiva de emplear la biotecnología para efectuar la manipulación genética de la caña de azúcar y así poder incrementar la producción de etanol de segunda generación”, dijo Buckeridge.

El primer paso

Los investigadores desarrollaron una variedad de caña de azúcar con la expresión de scRAV1 aumentada. Descubrieron también un micro-ARN –una molécula reguladora de la expresión génica– capaz de inhibir específicamente el scRAV1 y estimular la expresión del scEPG1 en toda la planta.

“Estamos empezando a ver en esa variedad transformada genéticamente lo que parece ser un efecto de ablandamiento de la pared celular de la caña cercano al que anhelamos. El culmo de algunas plantas, por ejemplo, no logra permanecer erecto. Esto puede representar el primer paso rumbo al desarrollo de la caña papaya”, dijo Buckeridge.

Puede verse un video de la tomografía de la formación del aerénquima en la raíz de caña en: www.botany.one/2017/11/creative-destruction-death-leads-function/. 

Y el artículo intitulado The control of endopolygalacturonase expresion by the sugarcane RAV transcription factor during aerenchyma formation (DOI: 10.1093/jxb/ery362), de Eveline Q. P. Tavares, Amanda P. de Marciel de Souza, Grayce H. Romim, Adriana Grandis, Anna Plasencia, Jonas W. Gaiarsa, Jacqueline Grima-Pettenat, Nathalia de Setta, Marie-Anne Van Sluys y Marcos S. Buckeridge, puede leerse en Journal of Experimental Botany, en el siguiente enlace: academic.oup.com/jxb/article/70/2/497/5272591?searchresult=1.