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Biología molecular

La caña de azúcar mapeada

Un equipo de científicos coordinado por brasileños registró más de 370 mil genes al secuenciar un cultivar comercial de la especie

El ADN de la planta posee 10 mil millones de pares de bases

Léo Ramos Chaves

Un trabajo que ya lleva más de una década generó una contribución importante para la comprensión de la genética de la caña de azúcar. Un grupo internacional de científicos coordinado por brasileños secuenció parcialmente el genoma de la variedad comercial más importante de esa planta en el país, el cultivar SP80-3280, y halló 373.869 genes. Esa cifra es 14 veces mayor que la cantidad de genes registrada en julio de 2018 por un grupo francés que estudió una variedad cultivada en islas del océano Índico y del Caribe, y 10 veces superior a lo establecido por un equipo de investigación chino, también el año pasado, para la especie Saccharum spontaneum, la caña silvestre, no domesticada.

En el estudio, que será publicado en la revista científica GigaScience, también se determinaron las posibles regiones reguladoras que controlan el funcionamiento de los genes. “Nuestro trabajo fue el más abarcador, porque secuenciamos la totalidad del genoma de la caña de azúcar en lugar de hacerlo solamente en forma parcial, tal como se hizo en estudios anteriores”, compara la bioquímica Glaucia Souza, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), una de las líderes del equipo y miembro de la coordinación del Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (Bioen). El artículo servirá como base para la realización estudios tendientes a perfeccionar la producción de biomasa para generar energía y de alimentos a partir de un mejoramiento genético de la planta.

Técnicamente hablando, a los distintos cultivares de caña se los denomina híbridos poliploides. Su material genético proviene de más de una especie y contiene varias copias de sus 10 cromosomas básicos. Esta peculiaridad lleva a que su genoma contenga alrededor de 10 mil millones de pares de bases, las unidades químicas que componen el ADN, es decir, más de tres veces la cifra hallada en el Homo sapiens. “Los seres humanos poseen dos copias de cada cromosoma, uno heredado del padre y otro de la madre. La caña de azúcar comercial contiene normalmente de 6 a 12 copias de cada cromosoma”, explica la bióloga Marie-Anne Van Sluys, del Instituto de Biociencias (IB) de la USP, otra de las líderes del grupo.

En el estudio, también se determinó que tan solo un 12,5% del genoma del cultivar SP80-3280 proviene de la caña silvestre, conocida por su robustez natural, y alrededor de un 85% es de la especie Saccharum officinarum, cultivada por el hombre desde hace algunos miles de años. Un pequeño porcentaje de su ADN es fruto de la recombinación del material genético de los dos progenitores.

Las dos investigadoras, Souza y Van Sluys, trabajan desde 2008 en la organización del grupo de investigación con la participación de colegas de Estados Unidos, China, y Corea del Sur. La división de investigación de Microsoft (Microsoft Research), en la ciudad de Redmond, estado de Washington, EE.UU., también participó en los trabajos de secuenciación. Desde el punto de vista técnico, uno de los grandes avances del grupo fue el desarrollo de métodos de lectura y montaje de las largas cintas de ADN en las que el gigantesco genoma de la caña tuvo que ser fraccionado para poder secuenciárselo.

El equipo de la compañía estadounidense creó algoritmos que permitieron realizar esa tarea compleja y también utilizó su estructura computacional para procesar ese trabajo. “Logramos trasponer varios obstáculos, todos relacionados con la manipulación de un gran volumen de datos”, explica Bob Davidson, experto en software para el área de genomas de Microsoft, quien participó del estudio.

Pese a que se mapeó todo el genoma del cultivar antes mencionado, tan solo un 30% de las secuencias que se obtuvieron, unos 3 mil millones de pares de bases, se montó de acuerdo con el orden en el que aparecen en sus cromosomas. Esa porción del material es la más importante, pues contiene los genes de la planta, que proveen las instrucciones para la producción de sus proteínas. El montaje de un tercio del genoma puede parecer poca cosa, dada la enormidad y la complejidad del material genético de la caña, pero es bastante más de lo que hicieron otros grupos de investigación. En la secuenciación efectuada por el Centro de Cooperación Internacional en Investigación Agronómica para el Desarrollo (Cirad), los franceses trabajaron solamente con una copia de un cromosoma indeterminado. Por eso encontraron solamente 25 mil genes.

Más allá de que posee varias copias de sus cromosomas, el genoma de la caña de azúcar presenta una dificultad extra al momento de montárselo: cada cromosoma contiene muchos fragmentos móviles de ADN que se repiten en su interior, que se denominan elementos de transposición. “Esos elementos son muy similares. Por eso, todavía no hemos logrado alinear los genes en los cromosomas”, comenta Van Sluys. El gran reto consiste ahora en ordenar todas las secuencias identificadas a lo largo de cada cromosoma del cultivar brasileño.

Aunque no sea la versión final del genoma de la caña, la nueva secuenciación será de utilidad para los estudios de perfeccionamiento de las variedades plantadas en Brasil. Los científicos descubrieron, por ejemplo, que existen diferencias importantes en parte de las secuencias reguladoras de los genes de la cañamiel. Esas divergencias pueden hacer que una planta se adapte en forma distinta cuando queda expuesta a distintos tipos de estrés ambientales, tales como el exceso de salinidad, de calor y de sequía.

Como los cultivares comerciales de la caña distribuyen aproximadamente una tercera parte de su carbono en sacarosa, resulta importante estudiar el metabolismo de la producción de azúcar y los agentes principales de su regulación. Uno de los resultados presentados en el trabajo publicado se centra exactamente en la síntesis de ese tipo de hidrato de carbono. El cultivar SP80-3280 posee elementos reguladores que están particularmente involucrados en la producción de sacarosa y que nunca fueron hallados en el ancestro S. spontaneum. Los otros dos tercios del carbono de la caña plantada se concentran en el tallo y en las paredes celulares en general. A causa de su alto contenido de lignina, la molécula que le confiere su rigidez, esas partes duras pueden quemarse en calderas como combustible.

En este marco, los hallazgos científicos obtenidos indican que las secuencias genéticas del cultivar brasileño que regulan el proceso de distribución del carbono se encuentran en las redes de genes definidas durante el crecimiento y la maduración de la planta. “La comprensión de todos estos procesos que involucran al carbono, al azúcar y a las fibras resulta fundamental cuando se está en pos de un mejoramiento genético”, comenta Souza.

Según los autores del estudio, el rendimiento mundial de la caña, que es de 84 toneladas por hectárea, representa tan solo el 20% del potencial de la especie, que se estima en 381 toneladas por hectárea. Esta proyección impulsa una carrera internacional para el desarrollo, tanto de estrategias convencionales de mejora de la caña como aquellas que pueden surgir a partir de la biotecnología. Mediante el abordaje tradicional, el aumento de la productividad ha sido acotado, del 1% al 1,5% anual.

Ese avance modesto impulsa la búsqueda de nuevas tecnologías. En ese contexto, el trabajo genómico presentado ahora constituye un paso adelante en la disputa, que se traduce en cuestiones comerciales. “Aparte de los franceses y de los chinos, Estados Unidos también ahora procura montar un genoma completo de la caña de azúcar, pero todavía no ha sido publicado”, dice Souza.

Proyectos
1. Sugarcane signaling and regulatory networks (nº 08/52146-0); Modalidad Proyecto Temático; Programa de Investigación en Bioenergía (Bioen); Acuerdo Fapemig; Investigadora responsable Glaucia Souza (USP); Inversión R$ 4.318.073,60
2. Sugarcane genome sequence: Plant transposable elements are active contributors to gene structure variation, regulation and function (nº 08/52074-0); Modalidad Proyecto Temático; Programa Bioen; Investigadora responsable Marie-Anne Van Sluys (USP); Inversión R$ 4.190.155,40

Artículo científico
SOUZA, G. M. & VAN SLUYS, M.A. et al. Assembly of the 373K gene space of the poly­ploid sugarcane genome reveals reservoirs of functional diversity in the world’s leading biomass crop. GigaScience. En prensa.

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