Concluyen la mayor secuenciación del genoma de la caña de azúcar comercial

Con el apoyo de la FAPESP, científicos lograron mapear el 99,1% de los genes de la planta. Este conocimiento vuelve posible el mejoramiento genético de características tales como la resistencia a las enfermedades, la producción de biomasa para combustible o la producción de azúcar

André Julião  |  Agência FAPESP  –  Un grupo científico internacional encabezado por investigadores brasileños concluyó la secuenciación más completa hasta ahora realizada del genoma de la caña de azúcar comercial. Se mapearon en ese trabajo 373.869 genes, cifra que corresponde al 99,1% del total.

Este estudio es el resultado de casi 20 años de investigaciones con el apoyo de la FAPESP, y abre el camino hacia el mejoramiento genético del cultivo más producido en el mundo en toneladas, de acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO). 

El artículo publicado en GigaScience lleva la firma en carácter de primeras autoras de Glaucia Mendes Souza, docente del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP) y coordinadora del Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN- FAPESP), y Marie-Anne Van Sluys, docente del Instituto de Biociencias de la USP e integrante de la Coordinación Adjunta de Ciencias de la Vida de la FAPESP.

“Es la primera vez que se visualizan todos los genes de la caña, o su gran mayoría. En proyectos anteriores de diversos grupos de investigación, las secuencias aparecían montadas de manera colapsada, por falta de una herramienta de montaje adecuada. Por ende, constituían tan solo aproximaciones”, dijo Mendes Souza, quien coordina el Proyecto Temático intitulado “Redes regulatorias y señalización asociadas a la caña energía”. 

“Este conocimiento abre diversas posibilidades, que van desde las aplicaciones en biotecnología y el mejoramiento genético hasta la edición génica [el reemplazo o la eliminación de genes con funciones específicas]”, dijo Van Sluys, quien coordina el Proyecto Temático intitulado “El aporte de genes, genomas y elementos de transposición en la interacción entre plantas y microorganismos: un estudio de caso en caña de azúcar”. 

Los retos

Tal como lo explicaron las investigadoras, la secuenciación del genoma de la caña de azúcar no constituye una tarea fácil. La caña de azúcar es el resultado cruzamientos acaecidos a lo largo de algunos milenios entre distintas variedades de dos especies –Saccharum officinarum y S. spontaneum−, y por ello actualmente posee un genoma bastante complejo. 

El genoma de la caña de azúcar está compuesto por 10 mil millones de pares de bases, distribuidos en entre 100 y 130 cromosomas. Por eso se requiere de una gran capacidad computacional para unir los fragmentos secuenciados de ADN, por un lado, y mantener separados los cromosomas homólogos, por el otro. Para hacerse una idea: el genoma del trigo posee 17 mil millones de pares de bases divididos en 46 cromosomas. El genoma humano, a su vez, cuenta con 3.200 millones de pares de bases también organizados en 46 cromosomas.

Si bien la tecnología disponible al comienzo del proyecto ya permitía la producción de secuencias largas, estas se producían a partir de fragmentos menores. Para realizar el montaje del genoma con base en esas secuencias, fue necesaria una gran capacidad de procesamiento computacional, suministrada por Microsoft.

El desafío de secuenciar el genoma completo de la caña de azúcar se determinó al comienzo del Programa BIOEN, en 2008. Luego de hacerse presente en una disertación de Mendes Souza, durante una conferencia promovida por Microsoft y por la FAPESP en 2014, David Hackerman, investigador del Microsoft Research Institute, con sede en Los Ángeles, quedó fascinado con los desafíos computacionales de la iniciativa y le propuso a la empresa una colaboración con la FAPESP, que llegó bajo la forma del proyecto intitulado “Desarrollo de un algoritmo para el montaje del genoma poliploide de la caña de azúcar”, bajo la coordinación de Mendes Souza y con el apoyo de la Fundación en el marco del Programa de Investigación en Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE). Este proyecto hizo posible la entrada de otros socios como Bob Davidson, investigador de Microsoft con base en la unidad de Seattle, y David Heckerman actualmente en Amazon.

Con la secuenciación publicada ahora, por primera vez ha sido posible identificar la diversidad en las secuencias de los promotores, las áreas de los genes que controlan su expresión. 

“Pese a que en algunos casos los genes son un 99,9% idénticos, podemos detectar diferencias en sus promotores que incluso ayudan a determinar si las copias tienen su origen en el antepasado S. officinarum o en S. spontaneum”, dijo Mendes Souza. 

Esta revelación hace posible la realización de estudios de las funciones de las distintas copias en lo concerniente al aumento de la productividad y en el incremento de azúcar y de fibra, por ejemplo. Asimismo, permite verificar qué copias pueden estar dotando de ventajas a los diferentes genotipos seleccionados en el marco de los programas de mejoramiento de variedades de caña para azúcar y para energía.

“Este resultado confirma el liderazgo de Brasil y del estado de São Paulo en la investigación sobre esta planta tan importante para el país que es la caña de azúcar. Y refleja también la anticipación de la comunidad científica de São Paulo y de la FAPESP con relación al desafío de aprender sobre el genoma de la planta, para extraer de ello el conocimiento que lleve al incremento de la eficiencia y de la productividad. Siempre es bueno recordar que la investigación sobre la caña de azúcar constituye uno de los factores que llevaron a Brasil a realizar algo que ningún país de un tamaño similar ha logrado hasta ahora: obtener el 40% de su energía total producida en forma renovable y con baja emisión de carbono”, afirmó Carlos Henrique de Brito Cruz, director científico de la FAPESP.

El historial

La variedad seleccionada para la secuenciación fue la SP80-3280, debido a que era la que poseía la mayor cantidad de datos disponibles en la literatura científica. Durante el Proyecto Genoma Caña –conocido como Proyecto FAPESP Sucest, que se extendió desde 1999 hasta 2002–, se habían secuenciado parcialmente 238 mil fragmentos de genes funcionales de esa variedad (lea más en: https://revistapesquisa.fapesp.br/es/2012/08/22/el-mapa-de-la-cana-de-azucar/). 

Actualmente, la SP80-3280 está presente en el ranking de las 20 principales variedades de caña de azúcar cultivadas en el estado de São Paulo. Asimismo, forma parte de la genealogía de diversas variedades comerciales, pues se la emplea en los nuevos cruzamientos. Esta variedad exhibe una buena productividad agrícola y brotes de las llamadas soqueiras (las raíces que sobran después del corte), y constituye así una de las opciones para la zafra tardía, el final de la zafra en el estado de São Paulo.

“El conocimiento obtenido para esta variedad puede aplicarse al estudio de otros genotipos, fundamentalmente en el descubrimiento de genes que controlan la acumulación de biomasa”, explicó Augusto Lima Diniz, coautor del estudio, quien actualmente lleva adelante una pasantía en el Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), en  Estados Unidos, como parte de su posdoctorado en el IQ-USP.

Recientemente, Mendes Souza y Van Sluys tomaron parte en un equipo internacional que secuenció el genoma de S. spontaneum, antepasado que corresponde a entre el 10% y el 15% del genoma de la caña de azúcar comercial, en tanto que S. officinarum aportó entre el 80% y el 85%, y el 5% corresponde a cromosomas recombinantes de esos dos progenitores. Este estudio salió publicado en Nature Genetics.

En 2018, Van Sluys fue una de las autoras de un artículo donde figuran los resultados del mapa de aproximadamente la mitad del genoma monoploide de la caña de azúcar (tan solo un cromosoma de cada par). 

Con base en la información recabada en la secuenciación actual, el grupo de la USP está desarrollando herramientas destinadas al mejoramiento genético de la caña de azúcar, y está testeando distintos genes posibles en plantas transgénicas. También lleva adelante estudios de genómica comparativa de grandes familias de genes con miras a entender su aporte a las diversas variedades de caña de azúcar utilizadas en los programas de mejoramiento en Brasil. El objetivo consiste en hallar genes que puedan elevar la productividad y la tolerancia a la sequía, además de permitir el desarrollo de nuevos compuestos partiendo de la caña de azúcar.

“También hemos puesto a disposición de la comunidad un Genome Browser, que es una herramienta que permite buscar los genes de interés y analizar las secuencias en comparación con las secuenciaciones anteriores. Será algo de gran valía en proyectos de biotecnología, y no solamente relacionados con la caña de azúcar, sino también con otras plantas cultivadas”, dijo Mendes Souza.

Puede leerse el artículo intitulado Assembly of the 373K gene space of the polyploid sugarcane genome reveals reservoirs of functional diversity in the world’s leading biomas crop (doi: doi.org/10.1093/gigascience/giz129), de Glaucia Mendes Souza, Marie-Anne Van Sluys, Carolina Gimiliani Lembke, Hayan Lee, Gabriel Rodrigues Alves Margarido, Carlos Takeshi Hotta, Jonas Weissmann Gaiarsa, Augusto Lima Diniz, Mauro de Medeiros Oliveira, Sávio de Siqueira Ferreira, Milton Yutaka Nishiyama-Jr., Felipe ten Caten, Geovani Tolfo Ragagnin, Pablo de Morais Andrade, Robson Francisco de Souza, Gianlucca Gonçalves Nicastro, Ravi Pandya, Changsoo Kim, Hui Guo, Alan Mitchell Durham, Monalisa Sampaio Carneiro, Jisen Zhang, Xingtan Zhang, Qing Zhang, Ray Ming, Michael C. Schatz, Bob Davidson, Andrew Paterson y David Heckerman, en el siguiente enlace: (https://academic.oup.com/gigascience/article/8/12/giz129/5647371).