Identifican genes blancos para el mejoramiento de la caña energía

Científicos brasileños hallan genes asociados al metabolismo de la pared celular de la planta destinada a la producción de etanol celulósico. Este estudio salió estampado en la tapa de Plant Molecular Biology

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – El desarrollo de variedades de caña de azúcar con menor tenor de sacarosa (azúcar) y una mayor cantidad de fibra y materia orgánica vegetal (biomasa), la llamada caña energía, destinada a la producción de etanol celulósico o de bioelectricidad, o con mayor tenor de sacarosa, direccionada a la producción de azúcar y de etanol de primera generación, puede estar cerca de convertirse en realidad.

Investigadores brasileños de los Institutos de Química (IQ) y de Biociencias (IB) de la Universidad de São Paulo (USP), en colaboración con colegas de los Departamentos de Biología Vegetal y de Fitotecnia de la Universidad Federal de Viçosa (UFV), de Minas Gerais, del Centro de Ciencias Agrarias de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), de São Paulo, y del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (INCT) del Bioetanol, identificaron genes asociados a la producción de compuestos químicos (biosíntesis) de la pared celular de la caña de azúcar. Entre ellos la lignina, que es importante para la producción de bioelectricidad, pues tiene un alto poder calorífico.

Este estudio, producto de un Proyecto Temático financiado por la FAPESP en el marco del Programa de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN) y de un acuerdo de cooperación con la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais (Fapemig), salió publicado en forma de artículo y estampado en la portada de la edición de mayo de la revista Plant Molecular Biology.

El trabajo también forma parte de un estudio de posdoctorado realizado con Beca de la FAPESP.

“Nuestros descubrimientos abren el camino hacia la identificación de vías bioquímicas importantes que pueden ayudar a desarrollar nuevas variedades de caña o de plantas transgénicas útiles para la producción de bioetanol y de nuevos materiales en biorrefinerías”, declaró Glaucia Mendes Souza, docente del IQ-USP y coordinadora del proyecto, a Agência FAPESP.

Los investigadores realizaron un análisis de la expresión de genes (transcriptoma) de tres especies ancestrales de la caña de azúcar –Saccharum officinarum, S. spontaneum y S. robustum–, utilizadas en los programas de mejoramiento para generar cultivares, y de una variedad comercial de la planta, la RB867515.

Con base en ese análisis del transcriptoma de las plantas, construyeron por primera vez redes de genes que podrían alterarse para mejorar características de interés en la caña, tales como la producción de sacarosa y de fibra en la pared celular de la planta.

Los análisis de las redes genéticas resultaron en la identificación de 18 genes denominados factores de transcripción –que codifican proteínas que activan o inactivan la expresión de otros genes–, que pueden ser reguladores claves de la biosíntesis de la pared celular de la caña de azúcar.

Uno de esos genes, denominado ScMYB52, fue apuntado como un buen candidato para la realización de estudios posteriores.

“Logramos identificar genes que están relacionados con puntos claves de la regulación del metabolismo de la pared celular de la caña de azúcar. Ahora contamos con blancos para hacer análisis más minuciosos y verificar si, al enfocar esos genes, es posible alterar la composición de las fibras y de la sacarosa de la planta”, dijo Mendes Souza, quien integra la coordinación del BIOEN.

La partición del carbono

Los resultados de este estudio permiten expandir la comprensión del funcionamiento de la partición de carbono en la caña, esto es, de qué manera la planta distribuye el carbono que absorbe de la atmósfera y lo fija químicamente en forma de carbohidratos. Y con base en ello, orientarlo hacia la producción de moléculas de interés, tales como sacarosa, fibra y lignina.

Hoy en día se sabe que, una vez que lo absorbe de la atmósfera, la planta utiliza el carbono para la producción de moléculas más complejas, tales como las de sacarosa y celulosa, que pueden convertirse en energía cuando se rompen en el marco de procesos de combustión u oxidación.

Un tercio del carbono de los cultivares modernos de caña de azúcar se almacena bajo la forma de sacarosa. Los otros dos tercios están embutidos en la biomasa de la caña, distribuidos en las fibras del culmo –el tallo– y de la paja de la planta.

“Pero esto no siempre ha sido así. En los ancestros de la caña de azúcar hay genotipos con una relación mayor de fibra con respecto a la sacarosa”, explicó Mendes Souza.

Con el fin de desarrollar variedades con mayor tenor de sacarosa, destinadas a incrementar la producción de azúcar o de etanol –producido mediante la fermentación del jugo de la caña–, o con mayor tenor de fibra y de biomasa, para la producción de etanol celulósico, en los programas de mejoramiento genético de la caña de azúcar se han venido seleccionando y cruzando especies ancestrales de hace siglos y cultivares de esta gramínea.

Sin embargo, esta estrategia puede estar agotándose, señaló Mendes Souza. “Los programas de mejoramiento de la caña están llegando a un límite, no se está logrando aumentar mucho más la cantidad de sacarosa de la planta, por ejemplo”, afirmó.

Mediante estudios como el que se está realizando, será posible que en los programas de mejoramiento de la caña de azúcar se utilicen herramientas de la biología molecular para realizar un mejoramiento guiado –aumentando así la expresión de genes relacionados con características tales como el aumento del tenor de fibra, sacarosa y biomasa e insertando más copias de los mismos en el genoma de variedades de la planta, o alterando su expresión–, apuntó Mendes Souza.

“A través de estos factores de transcripción que hemos identificado, podremos analizar si es posible aumentar o disminuir los tenores de fibra, sacarosa y compuestos químicos elaborados por la caña, tal como la lignina, que es sumamente importante para la producción de bioelectricidad, por ejemplo, porque tiene un alto poder calorífico”, afirmó.

“La idea consiste –en un futuro– en direccionar en la planta la producción de compuestos de interés comercial sin competir con la producción de sacarosa y de fibras, por ejemplo”, indicó.

Los investigadores también detectaron en el mismo estudio que la acumulación de sacarosa en la caña de azúcar puede controlarse epigenéticamente, a través de cambios hereditarios en la expresión de los genes que independen de alteraciones en la secuencia primaria del ADN de la planta.

Puede leerse el artículo intitulado “Co-expression network analysis reveals transcription factors asociated to cell wall biosynthesis in sugarcane” (doi: 10.1007/s11103-016-0434-2), de Glaucia Mendes Souza y otros, en la revista Plant Molecular Biology, en el siguiente enlace: http://link.springer.com/article/10.1007/s11103-016-0434-2.