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El potencial del sorgo para bioenergía como biocombustibles sostenibles


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El sorgo para bioenergía es un recurso importante para la producción de biocombustibles y bioproductos y un componente crítico de un futuro agrícola sostenible.

Los investigadores han estado trabajando arduamente para hacer que esta planta alta y tolerante a la sequía sea aún más productiva y resistente a las duras condiciones ambientales. Pero estos esfuerzos se ven obstaculizados por la falta de conocimiento sobre el funcionamiento interno de las células vegetales, lo que impide a los científicos proporcionar las instrucciones genéticas adecuadas para modificar sus características clave, incluida la producción de petróleo.

Un equipo dirigido por investigadores del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un Centro de Investigación de Bioenergía (BRC) del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU., ha creado un nuevo recurso valioso que ofrece una comprensión más profunda de este valioso cultivo bioenergético y la posibilidad de diseñar una planta de sorgo más resiliente en el futuro. El trabajo es una colaboración entre CABBI y el Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos (GLBRC), un colega de BRC; el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología; y el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL), una instalación para usuarios del DOE en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

Los investigadores identificaron patrones de expresión genética en los principales tipos de células que forman el tejido de los tallos de sorgo, que representan el 80 por ciento de la biomasa total de la planta, así como posibles promotores específicos de tipos de células y redes de genes reguladores subyacentes. Su objetivo era desarrollar una imagen de todos los patrones de expresión genética a nivel de tipo de célula individual, lo cual es clave para modificar esta planta mediante ingeniería genética, un proceso que los científicos utilizan para modificar uno o algunos genes objetivo para cambiar las características de la planta. planta. Su trabajo fue publicado en El diario de las plantas.

«Este estudio nos permite descifrar las características fisiológicas y moleculares del tallo de sorgo a nivel de tipo celular, pero también ayuda a otros científicos con diversos intereses a identificar genes candidatos para desarrollar un sorgo más grande y resistente», dijo el autor principal Jie Fu, Ph. .D. Amy Marshall-Colón, estudiante de laboratorio de CABBI Co-PI, profesora de biología vegetal en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Los investigadores adaptaron una técnica preexistente llamada microdisección por captura láser (LCM) para el tejido del tallo de sorgo con paredes celulares más rebeldes, donde utilizaron un láser ultravioleta (UV) como cuchillo para aislar diferentes tipos de células. Junto con una técnica de alto rendimiento llamada secuenciación de ARN, que puede probar patrones de expresión de todos los genes a la vez, pudieron lograr un atlas completo de patrones de expresión genética en la etapa inicial del crecimiento vegetativo, descubriendo la expresión específica del tipo de célula. . , vías y redes regulatorias subyacentes.

Este alto rendimiento base de datos de expresión genética puede servir como una herramienta básica para permitir a investigadores con diversos intereses en los BRC explorar las características moleculares y fisiológicas del tallo de sorgo a un nivel de tipo celular sin precedentes. Los patrones de expresión descubiertos en este estudio brindan a los investigadores del sorgo la oportunidad de diseñar promotores específicos de tipos de células que puedan permitir la expresión genética específica en la ubicación deseada manteniendo al mínimo la interferencia de otros tipos de células.

El trabajo respalda el enfoque de “plantas como fábricas” de CABBI y el objetivo principal de su investigación sobre producción de materias primas: proporcionar pastos resistentes y altamente productivos que produzcan grandes cantidades de lípidos y beneficien a otros BRC que utilizan sorgo o pastos similares. A largo plazo, el aislamiento exitoso del tipo de célula mediante microdisección por captura láser permitirá la recopilación de otros tipos de datos «ómicos» de tallos de sorgo y contribuirá a una base de datos multiómica valiosa y completa para esta especie modelo C4.

Como alternativa más limpia a los productos derivados del petróleo, los biocombustibles y bioquímicos producidos a partir de sorgo y otros cultivos bioenergéticos pueden ayudar a mitigar el cambio climático y garantizar la seguridad alimentaria al no competir con los cultivos alimentarios básicos por la tierra y el agua. El estudio acelerará los esfuerzos para diseñar una mejor materia prima de sorgo para bioenergía, proporcionando no solo más conocimiento sobre el tejido del tallo de sorgo sobre el tipo de célula, sino también varios posibles promotores específicos de tipos de células para la ingeniería genética.

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Por ejemplo, un obstáculo en la producción de lípidos del sorgo es que el aceite no se acumula en su tipo de célula más abundante (píldora) y se acumulan grandes cantidades de lípidos en una fase temprana de crecimiento, lo que perjudica el crecimiento de las plantas y da como resultado una baja biomasa. La aplicación de promotores específicos del tipo de célula aguas arriba de genes críticos identificados en el proceso de producción de lípidos de las plantas puede dirigir la acumulación de aceite en tipos de células deseables. Y con la investigación en curso del laboratorio sobre patrones reguladores temporales de genes, esto también podría conducir a la acumulación de lípidos en una fase de crecimiento más beneficiosa.

El estudio es el primer conocimiento de alta resolución sobre la expresión genética en entrenudos maduros: las secciones del tallo entre los nodos donde crecen las hojas, dijo CABBI Co-PI Kankshita Swaminathan de HudsonAlpha.

«Esto sienta las bases para diseñar tipos de células específicas para producir nuevos bioproductos», dijo.

Referencia: Fu J, McKinley B, James B, et al. La transcriptómica específica del tipo de célula revela redes reguladoras espaciales en tallos de sorgo bioenergético. El diario de las plantas. 2024: tpj.16690. hacer: 10.1111/tpj.16690

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Prudencia Febo

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