Dos nuevas publicaciones podrían ayudar al desarrollo de biocombustibles. Un equipo de científicos ha publicado recientemente el genoma de Miscanthus sinensis, una planta que se encuentra comúnmente en los jardines como hierba ornamental. La investigación ya ha arrojado algunos resultados en la búsqueda de un parte del genoma asociado con el tiempo de floración en la hierba. Ser capaz de sincronizar los tiempos de floración ayudará a los científicos a cruzar diferentes Miscanthus plantas, para criar las características más productivas.

¿Qué plantas se secuencian?

A pesar de ser una hierba ornamental popular, recolectar el material no fue tan simple como visitar el centro de jardinería local para obtener suministros. “Este documento hizo uso de un M. sinensis genotipo haploide que fue caracterizado por la Universidad de Illinois y creado por el Instituto de Genética Vegetal, Academia Polaca de Ciencias”, dijo Daniel Rokhsar, quien codirigió la publicación sobre el genoma. "La planta era pequeña y difícil de mantener con vida, por lo que no era óptima para la producción de cultivos de biomasa, pero debido a su complejidad genómica reducida, hizo que el ensamblaje del genoma fuera más fácil; dicho esto, incluso el genoma básico es el resultado de una duplicación del genoma completo relativamente reciente".

El equipo pasó a explorar M. sinensis después de iniciar un proyecto con una especie híbrida de Miscanthus, dijo el codirector, Kankshita Swaminathan. “Inicialmente comenzamos con la exploración del genoma de Miscanthus × giganteus. Si bien sabíamos que se trataba de un triploide (3 genomas en lugar de los 2 típicos que tienen la mayoría de los organismos), no sabíamos sobre la duplicación del genoma completo. Estos estudios iniciales nos dijeron que se trataba de un genoma complejo que era difícil de ensamblar. Usando poblaciones de mapeo independientes de diploides M. sinensis líneas, un equipo de IBERS y de la Universidad de Illinois generaron mapas genéticos de M. sinensis y descubrió que Miscanthus albergaba una duplicación del genoma completo que aumentaba aún más la complejidad de este gran genoma. Estos datos iniciaron la búsqueda de un Miscanthus haploide doble y agregaron investigadores de la Academia de Ciencias de Polonia a la colaboración”.

Iain Donnison, quien supervisó el artículo floreciente, tenía una fuente diferente para su material. “La cruz familiar de mapeo del tiempo de floración se hizo en el Miscanthus Programa de mejoramiento genético en el que participaron John Clifton-Brown y Charlotte Hayes. La Dra. Karen Petersen suministró el clon hembra, seleccionado en 1988 en la zona templada de Japón (isla de Honshu) por el recolector de plantas danés Dr. Poul Erik Brander. Formó parte del programa europeo de mejora del miscanto (EMI) (1997-2000). La Dra. Oene Dolstra suministró el genotipo macho de la población BIOMIS como parte de un proyecto de colaboración entre el Reino Unido y los Países Bajos, financiado por el Departamento de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales (Defra). Esta familia es una población de mapeo F1 de hermanos completos por cruzamiento externo entre la hembra EMI11 (número de acceso danés MS-88-110) y el macho H0023.

“Además, IBERS ha recopilado nuevas incorporaciones de Miscanthus especies y genotipos de la naturaleza en Taiwán, Japón, China, Corea del Sur (bajo los protocolos de la ONU Convención de Diversidad Biológica y Acceso y Distribución de Beneficios).”

¿Cómo se involucra tanta gente?

Los documentos son el resultado de la cooperación de personas que trabajan en múltiples institutos, un proceso que comenzó de manera orgánica. “La mayoría de estos grupos comenzaron a trabajar en Miscanthus de forma independiente”, dijo Kankshita Swaminathan. “Miscanthus es nativo del subcontinente asiático y para entender realmente Miscanthus diversidad y recolectar germoplasma para el mejoramiento, necesitábamos recolectar plantas representativas de toda la gama. Esto condujo a las muchas colaboraciones internacionales que ves aquí”.

Los investigadores se reunieron en conferencias, dijo Daniel Rokhsar. “Kankshita y Kerrie Farar organizan un taller anual en la reunión Plant & Animal Genome en San Diego que reúne a muchos miembros de esta comunidad. La conferencia ha brindado una oportunidad anual para que muchos involucrados en el proyecto y el documento se pongan al día a intervalos. Kankshita dirigió el proyecto de secuenciación y el manuscrito, incluida la coordinación con todos los autores”.

Para el artículo floreciente, la colaboración se debió a la financiación de BBSRC para una colaboración entre el Reino Unido y los EE. UU. otorgada a Iain Donnison con Malay Saha en la Fundación Samuel Roberts Noble en Oklahoma. “Los científicos de IBERS comenzaron a trabajar con la empresa biotecnológica estadounidense Ceres, donde Richard Flavell era director científico. IBERS también había recibido financiación BBSRC en el tiempo de floración en Miscanthus, y Ceres estaban interesados ​​en identificar marcadores moleculares para este rasgo. Ceres ya estaba trabajando con investigadores de switchgrass en la Fundación Noble, y la colaboración entre especies evolucionó cuando nos dimos cuenta de que teníamos aspiraciones y enfoques similares en el mejoramiento de la bioenergía. IBERS visitó Ceres y Noble en varias ocasiones y descubrió que las interacciones eran científicamente beneficiosas y divertidas”. dijo iain donnison

“Cuando los investigadores tienen un interés común y complejo, no es difícil que se reúnan”, agregó Kankshita Swaminathan. “Un par de correos electrónicos, llamadas y el intercambio de ideas en conferencias científicas suele ser todo lo que se necesita para establecer un interés en trabajar juntos hacia un objetivo común. Si no hay otros conflictos, la colaboración se forma naturalmente”.

Nuevas oportunidades

“Este manuscrito abre oportunidades para comprender la biología de esta hierba perenne de gran éxito. Proporciona a los criadores y genetistas la comprensión de los genes detrás de los rasgos y el uso de marcadores para unir los rasgos de interés”, dijo Kankshita Swaminathan.

“También es genial tener el nuevo genoma de referencia, ya que se usará para más genómica comparativa, y también mapeo genético y QTL para ubicar rasgos de interés en regiones del genoma, análisis de transcriptoma para comprender cómo Miscanthus los genes están regulados en diferentes partes de la planta y cómo responden bajo diversas condiciones, y para estudios GxE. Esto puede acelerar el futuro fitomejoramiento de Miscanthus y tanto los grupos de IBERS como los de Illinois están tratando de hacer esto a través de métodos de predicción genómica. Lo que es más importante, esto tiene un potencial real para abordar el cambio climático en un futuro cercano a través de enfoques como la bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) para crear emisiones negativas (de carbono) y, por lo tanto, permitir que las economías se descarbonicen y cumplan con los objetivos de cero emisiones netas”.

La publicación de un estudio del tiempo de floración en Miscanthus muestra que el genoma ya tiene valor para los investigadores. “El tiempo de floración es un rasgo tan clave y emocionante de estudiar, especialmente cuando se sabe tan poco al respecto en una especie estudiada relativamente recientemente”, dijo Elaine Jensen, una de las primeras autoras del estudio de floración. "El género Miscanthus es increíblemente diverso".

“Hemos recolectado accesiones de un rango latitudinal que se extiende desde 18^oN en Hainan, China, a 45^oN en Preide, China. Sabemos por otras especies que el tiempo de floración es un rasgo complejo y que es probable que la latitud de origen tenga alguna relación con el tiempo de floración (donde las accesiones derivadas de la latitud norte florecerán antes), y hemos descubierto que M. sinensis los genotipos demuestran una relación geográfica compleja que refleja la variación del clima. La única forma de hacer cruces es sincronizar la floración, por eso hemos invertido en determinar qué factores afectan su tiempo. Sin embargo, una vez que hayamos hecho los cruces, queremos un medio de seleccionar la progenie para determinar si tendrán la característica deseada de floración tardía para permitir el máximo uso de la temporada de crecimiento: la floración óptima maximiza el rendimiento y la calidad de la biomasa y asegura la sostenibilidad de este cultivo perenne”.

¿Otra presión sobre las tierras agrícolas?

Pero ¿acaso la promesa de un cultivo para biocombustibles más eficiente implica una mayor demanda de tierras agrícolas, lo que a su vez generará una mayor presión sobre el suministro de alimentos? No necesariamente, afirma Iain Donnison. «La investigación en bioenergía suele presentarse como una competencia entre alimentos y combustibles, ya sea directamente o mediante el cambio de uso del suelo. Nuestro objetivo es utilizar cultivos específicos que crecen en tierras (marginales) menos aptas para la producción de alimentos. Los cultivos perennes como el miscanto son más sostenibles que los anuales, ya que no requieren un ciclo anual tan intensivo de arado, aplicación de herbicidas, pesticidas y fertilizantes».

“Las relaciones de energía de energía que entra y energía que sale pueden ser extremadamente altas, por ejemplo, x30 o incluso más. Miscanthus es único por tener una fotosíntesis C4 eficiente que funciona a temperaturas más bajas, razón por la cual los rendimientos son tan impresionantes, incluso en climas templados. Nuestras opciones para los combustibles renovables a base de carbono son muy limitadas, los cultivos energéticos tienen un papel distintivo que desempeñar en el sistema energético. Lo que es más importante para cumplir con los ambiciosos objetivos de cambio climático, como los acordados en el acuerdo de París 2015 en la COP21, necesitamos tecnologías de eliminación de GEI como BECCS que pueden crear las emisiones negativas necesarias para que las economías industriales lleguen a cero neto. En otras palabras, estas emisiones negativas son necesarias para compensar los sectores difíciles de descarbonizar por completo, como la aviación, la industria pesada y la ganadería (por ejemplo, carnes rojas y productos lácteos), y también para ir aún más lejos y ayudar a eliminar las emisiones históricas de la quema. de combustibles fósiles. Además, para ayudar a abordar el cambio climático, estas nuevas tecnologías verdes pueden contribuir a una recuperación post-Covid y crear puestos de trabajo, como se describe en el anuncio del Gobierno de una revolución industrial verde esta semana”.

“Por mucho que descarbonicemos el resto de los sectores, necesitamos estas emisiones negativas en las que los cultivos de crecimiento rápido fijan el carbono a través de la fotosíntesis y el carbono se fabrica en productos de larga duración o se quema en una central eléctrica y el CO2 se captura, se comprime y luego se bombea a tiendas subterráneas. Otras alternativas son el uso del CO2 en invernaderos para horticultura y nuevamente la fijación por plantas, o el uso industrial como parte de la economía circular. Dichos debates, incluido el establecimiento de objetivos, continuarán en la COP26 en Glasgow el próximo año”.

Un campo en crecimiento

Cualquiera que desee participar en la investigación debería poder encontrar un espacio para sí mismo. “Tenemos un equipo muy diverso con personas con experiencia en biología molecular, botánica, genética, matemáticas, análisis y programación computacional, estadísticas y análisis cuantitativos, etc. Lo importante es amar lo que haces y desarrollar experiencia en ello. Si hay una brecha en su experiencia para explorar un tema específico (y con la ciencia interdisciplinaria de hoy en día siempre la habrá), encuentre un buen colaborador que pueda ayudarlo”, dijo Kankshita Swaminathan.

““Los equipos de investigación de hoy son diversos e interdisciplinarios. Lo importante, además de desarrollar sus propias áreas de interés, es poder comunicarse con diversos investigadores y usuarios en diferentes partes del canal comercial para contribuir a la investigación más allá de su propia área de especialización”, dijo Iain Donnison.

“Creemos esto tan apasionadamente que incluso hemos establecido un programa de grado donde los biólogos cada año también estudiarán con estudiantes de otras disciplinas, incluidos negocios, economía, política internacional e inglés y escritura creativa”.

Dado que el cambio climático será un problema a largo plazo, es probable que siga siendo una fuente de investigación durante muchos años.