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), ha creado un nuevo y valioso recurso que ofrece una comprensión más profunda de este valioso cultivo bioenergético y su 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 miembro del 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 % de la biomasa total de la planta), así como posibles promotores específicos de cada tipo de célula 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 fundamental para la modificación de esta planta mediante ingeniería genética, un proceso que los científicos utilizan para modificar uno o algunos genes objetivo para cambiar los rasgos de la planta. Su trabajo fue publicado en The Plant Journal .

"Este estudio nos permite descifrar las características fisiológicas y moleculares del tallo del 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. candidata con CABBI Co-PI Amy Marshall-Colon, 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 temprana de crecimiento vegetativo, descubriendo la expresión específica del tipo de célula. , vías y redes regulatorias subyacentes.

Esta base de datos de expresión genética de alto rendimiento puede servir como una herramienta básica que permita a los investigadores con diversos intereses en los BRC explorar los rasgos moleculares y fisiológicos del tallo del 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:ofrecer 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 elaborados 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 sólo más conocimiento sobre el tejido del tallo de sorgo en el tipo de célula, sino también varios posibles promotores específicos de tipos de células para la ingeniería genética.

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 (médula), y se acumulan grandes cantidades de lípidos en una etapa temprana de crecimiento, lo que perjudica el crecimiento de las plantas y resulta en una baja biomasa.

La aplicación de promotores específicos de tipo celular aguas arriba de genes críticos identificados en el proceso de producción de lípidos de la planta puede dirigir la acumulación de aceite en tipos de células deseables. Y con la investigación en curso del laboratorio sobre los patrones reguladores temporales de los genes, eso podría eventualmente conducir a la acumulación de lípidos también en una etapa 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 del Instituto HudsonAlpha. "Sienta las bases para diseñar tipos de células específicas para producir bioproductos novedosos", afirmó.