Los jardineros y agricultores de todo el país reconocen que las variedades de cultivos crecen mejor en ciertas regiones. La mayoría de las especies de plantas se han adaptado a sus entornos locales; por ejemplo, las semillas de cultivos y ornamentales que se venden para la parte superior del Medio Oeste a menudo son muy diferentes a las que se cultivan en Texas.La identificación y reproducción de variedades que tienen una alta productividad en una variedad de entornos se está volviendo cada vez más importante para la alimentación, el combustible y otras aplicaciones, y los criadores no están interesados en esperar décadas para desarrollar nuevos cultivos.
Un ejemplo es un esfuerzo de colaboración en curso para mejorar el cultivo bioenergético emergente de pasto varilla Panicum virgatum, que ha establecido 10 jardines experimentales ubicados en ocho estados repartidos a lo largo de 1,100 millas. El pasto interruptor es una hierba perenne que crece rápidamente en una variedad de suelos ycondiciones del agua, más alto que la estrella del baloncesto LeBron James. En cada jardín, las plantas de pasto varilla propagadas clonalmente a partir de esquejes representan una colección diversa procedente de la mitad de los Estados Unidos.
Como se informó el 27 de enero de 2021 en Naturaleza, el equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Texas UT en Austin, el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología HudsonAlpha y el Instituto Conjunto del Genoma JGI del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOEubicado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, ha producido una secuencia de referencia de alta calidad del complejo genoma de la hierba varilla utilizando muestras recolectadas en estos jardines. A partir de este trabajo, los investigadores de los cuatro Centros de Investigación de Bioenergía BRC del DOE,El Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos GLBRC, el Centro de Innovación en Bioenergía, el Centro de Bioenergía Avanzada y el Instituto de Bioproductos y el Instituto Conjunto de Bioenergía han ampliado la red de jardines comunes y están explorando mejoras en el pasto interruptor a través de técnicas de edición del genoma más específicas.para personalizar el cultivo para productos finales adicionales.
La diversidad genética dentro de este conjunto de plantas, cada una con un genoma completamente secuenciado, y estos jardines permiten a los investigadores probar qué genes afectan la adaptabilidad de la planta a diversas condiciones ambientales ". Para acelerar la reproducción de bioenergía, necesitamos hacer conexiones entrelos rasgos y la diversidad genética de la planta ", dijo John Lovell, biólogo evolutivo de HudsonAlpha y primer autor del estudio." Para eso, es necesario tener el genoma de la planta como referencia. Además, tener los jardines como recurso ayuda a los criadores a encontrarregiones genéticas de interés ". La combinación de datos de campo e información genética ha permitido al equipo de investigación asociar las adaptaciones climáticas con la biología del pasto varilla, información que podría ser útil para el interés del DOE en aprovechar el cultivo como materia prima de biomasa candidata versátil para producir alternativas sosteniblescombustibles.
Los jardines comunes son un esfuerzo comunitario
Los huertos comunes comenzaron hace casi una década con una propuesta de Tom Juenger de UT-Austin, colaborador de JGI desde hace mucho tiempo y autor principal de este estudio. El uso de pasto varilla como materia prima para combustibles a base de biomasa fue fomentado inicialmente por Bioenergy del DOEResearch Centers, que iniciaron la secuenciación del genoma de la hierba varilla. El Informe de mil millones de toneladas del DOE identificó áreas potenciales de producción de hierba varilla en los EE. UU., Y guió la ubicación de los huertos comunes. "Los jardineros y agricultores comprenden perfectamente que cuando se mueven las plantas fuera de su hábitat nativoo zonas de resistencia al frío, tienen diferentes niveles de rendimiento ", dijo Juenger." La novedad aquí es que estamos tratando de averiguar qué está causando esas diferencias en lugar de solo observarlas. ¿Podemos cuantificarlas? ¿Podemos vincularlas ael genoma? Podemos utilizar plantaciones de jardín comunes de plantas propagadas clonalmente para abordar estas preguntas ".
Se aplicaron múltiples métodos de recolección para recolectar la diversidad de plantas de pasto varilla representadas en los jardines. "Tom me dio un camión y conduje por todo Texas con una pala", recordó el coautor del estudio David Lowry, quien comenzó como becario postdoctoralen el laboratorio Juenger y continúa trabajando en el proyecto desde un laboratorio de la Universidad Estatal de Michigan que está afiliado al GLBRC. Se obtuvieron muestras adicionales de los centros de inventario, colaboradores y colecciones del Departamento de Agricultura de EE. UU. en otros sitios de campo. "Este documento es uncombinación de genómica y análisis genético realmente de vanguardia con recopilación de datos a gran escala ", agregó.
Jeremy Schmutz, director del Programa de Plantas JGI, trazó paralelismos entre estos jardines comunes y los cultivados anteriormente para el álamo de materia prima candidato del DOE. "Estás recolectando diversidad natural y estás plantando diversidad natural en múltiples ubicaciones, y luegoestán extrayendo vínculos entre la variación genética y el rendimiento fenotípico ", dijo. Tanto el pasto varilla como el álamo son plantas insignia de JGI.
Cosecha de beneficios de inversión a largo plazo
Switchgrass tiene un genoma poliploide grande, lo que significa que la mayoría de los genes se encuentran como copias múltiples en los cromosomas. "En el pasado, necesitábamos sistemas modelo para probar hipótesis genéticas en especies con genomas grandes y complejos", dijo Lovell. "Sin embargo,Las nuevas tecnologías de secuenciación nos han permitido construir los recursos genómicos necesarios para probar directamente los genes involucrados en el rendimiento de la biomasa y la adaptación climática en el pasto varilla, a pesar de su tamaño físico y la complejidad del genoma ".
El trabajo en la secuencia del genoma de switchgrass comenzó hace más de una década. A medida que las tecnologías de secuenciación han avanzado, el ensamblaje y la anotación de la secuencia del genoma han mejorado en paralelo. Por ejemplo, la versión actual del genoma se ensambla en secuencias de 5,5 millones de pares de basespb de longitud, mientras que la versión anterior tenía un promedio de piezas de 25,000 pb. Esa es la diferencia entre armar un rompecabezas de 10,000 piezas y hacer el mismo rompecabezas con solo 50 piezas.
La combinación de nuevas herramientas genéticas y jardines experimentales permite a los investigadores detectar coincidencias de genes climáticos, que pueden explotarse para la mejora acelerada de cultivos ". Debido a la inversión a largo plazo del DOE y el esfuerzo que se ha realizado en esto, la gente vapara poder modelar más investigaciones sobre esta especie compleja y, al mismo tiempo, aprovechar lo que podemos hacer ahora con la genómica para realmente hacer avances en la biología de las plantas y mejorar el pasto varilla como especie de cultivo ", dijo Schmutz.
Los genotipos de hierba varilla que se plantaron en los jardines comunes fueron secuenciados y ensamblados por el JGI, lo que permitió al equipo de investigación realizar un mapeo de asociaciones, vinculando genes con rasgos. Uno de los hallazgos del equipo es que el rendimiento de la hierba varilla en los sitios del jardín dependíasobre el origen o la ubicación de recolección de las plantas individuales de hierba varilla. Pudieron identificar muchas regiones en el genoma de la hierba varilla que están asociadas con diferencias genéticas que conducen a la productividad en diferentes entornos.
Por ejemplo, muchas plantas recolectadas de hábitats nativos en Texas y otros lugares del sur no sobrevivieron al frío invierno de 2019 en el jardín común más al norte de Dakota del Sur. Por el contrario, las plantas de pasto varilla nativa del medio oeste superior se desempeñaron mal en los jardines comunes del sur enTexas. Esta ventaja recíproca del lugar de origen es una prueba directa de la adaptación climática. La base de datos del equipo de genes que subyacen a la adaptación al clima proporciona a los fitomejoradores una base sólida para mejorar la productividad de los cultivos en climas específicos.
El abastecimiento de plantas de tantas partes del país también ayudó al equipo a comprender por qué algunas plantas de pasto varilla del noreste tienen rasgos similares a las del medio oeste, a pesar de que sus genomas eran muy diferentes.
La secuencia del genoma de referencia de alta calidad de switchgrass está disponible en el portal de datos de plantas de JGI Phytozome. Esta versión puede ayudar a los fitomejoradores a identificar las regiones genómicas de interés e introducir directamente estas características en nuevas variedades de cultivos. "Será importante tener todo estoinformación para facilitar la reproducción en el futuro ", señaló Lowry.
El equipo ha recibido fondos adicionales del DOE para continuar con el mantenimiento de los jardines, lo que entusiasma a Juenger. "Continuará la recopilación de datos e información de estas plantaciones existentes y luego se intentará aprovechar estos descubrimientos para comprender mejor cómo las plantas toleran el estrés ydesafíos en el ambiente natural ", dijo." No hay muchos esfuerzos que hayan podido estudiar plantas perennes nativas con estos recursos genéticos y genómicos, entretejidos con esta perspectiva de estudio longitudinal largo. Aunque ha sido una enorme inversión establecerestos jardines, los tenemos para estudiar durante varios años. Y eso es un beneficio real para el programa de investigación ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Massie S. Ballon. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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