Sequências da equipe de pesquisa de bioenergia Miscanth Genome – ScienceDaily

O projeto genoma, liderado por cientistas do Centro de Inovação em Bioenergia Avançada e Bioprodutos (CABBI), um centro de pesquisa em bioenergia do Departamento de Energia (DOE), fornece um roteiro para os pesquisadores explorarem novos caminhos para maximizar a produtividade. da planta e decifrar a base genética de seus traços desejáveis.

O estudo, publicado em Comunicações da natureza, foi supervisionado pelos pesquisadores do CABBI Daniel Rokhsar, professor do Departamento de Biologia Celular e Molecular da Universidade da Califórnia (UC), Berkeley; e Kankshita Swaminathan, pesquisador docente do Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia, Huntsville, Alabama (foto). A equipe, que incluía mais de 40 colaboradores, era liderada por Therese Mitros, Adam Session e Guohong Albert Wu do laboratório Rokhsar; e Brandon James do laboratório de Swaminathan. Mitros e James são pesquisadores do CABBI, e Session e Wu são afiliados ao DOE Joint Genome Institute (JGI), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

O capim Miscanthus, também usado em jardins, produção de papel e telhados, é uma fonte promissora de biomassa, uma alternativa renovável aos combustíveis fósseis à base de petróleo. Pertencem à família Andropogoneae de gramíneas, que inclui milho, sorgo e cana-de-açúcar, plantas altamente produtivas e de importância mundial que são cultivadas como fonte de alimentos, rações e biocombustíveis.

O Miscanthus é extremamente adaptável e fácil de cultivar. Pode prosperar em terras marginais, requer apenas fertilização limitada, tem uma alta tolerância a secas e temperaturas frias e usa a forma mais eficiente de fotossíntese C4.

A sequência da equipe CABBI e a análise genômica de Miscanthus sinensis, uma inovação em qualquer tipo de miscanthus, fornecem uma base para melhorias sistemáticas para otimizar essas características desejáveis. O projeto também produziu um atlas de genes que se ligam e desligam em diferentes partes da planta durante seu ciclo de vida sazonal, revelando novos reguladores de perenidade, uma característica desejável para biocombustíveis e outras culturas.

“O kit de ferramentas genômicas que criamos para os miscanthus será um recurso valioso para os pesquisadores que estudam esta planta e melhoram a biomassa e outras características”, disse Swaminathan. “Comparando miscanthus ao sorgo, cana-de-açúcar e outras gramíneas relacionadas, os pesquisadores da CABBI e além esperam desvendar a base genética para inovações ligadas à produtividade e adaptabilidade.”

O estudo foi baseado em extensas coletas de campo ao longo de várias safras na Universidade de Illinois que capturaram todo o ciclo de vida da planta. Liderados por Swaminathan, os cientistas mediram a expressão gênica nas folhas, caules e rizoma (a parte subterrânea do caule). O catálogo de genes com tecido preferido fornecerá pistas sobre como modificar geneticamente a planta para melhorar certos processos, disse Mitros, que liderou o trabalho computacional na montagem, anotação e análise da sequência do genoma.

O estudo também revelou um grupo de genes envolvidos no importante ciclo de remobilização de nutrientes. No outono, quando as folhas da planta morrem, o nitrogênio e outros nutrientes são enviados para o rizoma, onde são armazenados no subsolo para o inverno; Na primavera, essa energia é absorvida por outros tecidos conforme a planta cresce, em vez de voltar ao solo, reduzindo a necessidade de fertilizantes. Os rizomas também produzem novos caules, permitindo que a planta cresça a cada ano e ajudando no armazenamento de carbono. Tudo isso torna os miscanthus mais sustentáveis, menos caros de gerenciar e mais ecologicamente corretos.

Muitas linhas de M. sinensis são usadas como ervas decorativas e crescem tanto do rizoma quanto da semente. A erva com potencial bioenergético, tipo Miscanthus x giganteus “Illinois”, não cria sementes viáveis ​​e, portanto, é mais difícil de propagar. Pesquisadores do CABBI como Erik Sacks, professor associado do Departamento de Ciências de Culturas de Illinois, estão trabalhando em novos híbridos, cruzando M. sinensis e M. sacchariflorus para criar múltiplas variedades de giganteus que seriam mais adaptáveis ​​a diferentes regiões e produziriam sementes.

O sequenciamento genético é uma plataforma para a compreensão de variações em todos os tipos de variedades de miscanthus, disse Rokhsar. Os híbridos de Miscanthus evoluíram naturalmente na Ásia, e Sacks e outros criadores esperam combinar o melhor das populações para criar as variedades mais adequadas para locais específicos.

Em um nível fundamental, o estudo ajudará os cientistas a encontrar respostas para perguntas básicas sobre a biologia vegetal, como os circuitos envolvidos na ciclagem de nutrientes do rizoma, como funciona ao longo das estações e como evoluiu. E dará a eles mais informações sobre as regras de cruzamento e combinação de miscanthus para que possam produzir híbridos ideais, disse Rokhsar.

“Os tipos de dados apresentados neste estudo também são essenciais para a implementação de técnicas como edição de genes para ajudar a decifrar a função dos genes que controlam características e adaptações importantes para o sucesso desta erva de alto rendimento”, disse Swaminathan.

Por exemplo, os dados de expressão gênica apontam para um conjunto de genes que podem estar envolvidos na capacidade do miscanto de armazenar energia em um caule subterrâneo modificado (o rizoma) durante o inverno e se recuperar mais a cada ano do que antes. Swaminathan está intrigado com o que faz do caule um órgão de armazenamento nas gramíneas Andropogoneae; quer entender os mecanismos moleculares que direcionam o rizoma dos miscantos para armazenar carboidratos complexos, enquanto os colmos da cana-de-açúcar e do sorgo doce armazenam açúcar.

Miscanthus e outras plantas têm genomas complexos, com uma história de mais duplicação genômica do que a observada em animais. Ter várias cópias de cromossomos permite plantas maiores e mais diversidade genética, ao mesmo tempo que fornece mais alvos para engenheiros genéticos. Mas também tornou o sequenciamento e a montagem um desafio, disse Rokhsar. “Usamos muitas tecnologias diferentes para fazer isso acontecer.”

A análise da equipe determinou que o miscanto é um “paleo-alotetraplóide”, o que significa que surgiu da antiga hibridização de duas espécies ancestrais, em vez de se duplicar em uma única espécie, como ocorreu na cana-de-açúcar. Os dois pais dos miscantos estão extintos há muito tempo, eles morreram após a hibridização há cerca de 2 milhões de anos, mas seus cromossomos vivem nos miscantos. A sessão usou análise computacional para descobrir as origens antigas de cada cromossomo e identificar segmentos que trocaram de cromossomos. Ele também destacou diferenças sutis na forma como os dois conjuntos de cromossomos evoluíram desde a duplicação, informação vital para engenheiros genéticos que desejam excluir genes específicos, disse Mitros.

O artigo é o culminar de um esforço interdisciplinar de vários anos para sequenciar o genoma de um miscanthus que envolve dezenas de pesquisadores nos Estados Unidos, Europa e Ásia. É baseado no trabalho de cientistas como Sacks, que coletaram germoplasma de milhares de linhagens de Miscanthus no Japão, Coréia e outros países.

Outros pesquisadores instrumentais incluíram os professores Stephen Moose e Matthew Hudson, cientistas agrícolas da Universidade de Illinois que estiveram envolvidos no projeto genoma quando o projeto estava sob os auspícios do Energy Biosciences Institute, uma iniciativa financiada pela BP em Illinois, UC Berkeley. e Berkeley Lab. O professor Stephen Long, outro cientista agrícola da Universidade de Chicago, foi um dos primeiros a propor o miscanto como base para uma nova economia de biocombustíveis como parte de uma equipe científica do College of Agricultural Sciences, Consumidor e Ambiental. Moose liderou o grupo de matérias-primas da EBI e foi pioneiro no trabalho de genômica, produzindo mapas de cromossomos de M. sinensis e conjuntos de dados de expressão genética precoce para várias linhagens de Miscanthus. O JGI realizou grande parte do sequenciamento do genoma sob a supervisão de Rokhsar, que também fez parte do projeto EBI original e tem um interesse de longa data em genomas complexos de plantas e animais.

Swaminathan foi um cientista da equipe Moose durante o projeto EBI. A equipe, que incluía Rokhsar e Mitros, começou tentando decifrar o genoma de M. x giganteus Illinois, mas “era um quebra-cabeça que não se encaixava”, disse ele. Os pesquisadores perceberam que M. x giganteus era muito complicado e se voltaram para uma linha dupla haploide de M. sinensis gerada por Katarzyna Glowacka, então uma estudante de graduação na Polônia e agora membro do corpo docente da Universidade de Nebraska. Usando os melhores dados disponíveis na época, eles montaram um conjunto de genoma fragmentado. Swaminathan ingressou na HudsonAlpha em 2016, trazendo um freezer cheio de amostras com ele, e James e seu colega de pós-doutorado Mohammad Belaffif começaram a processar as amostras e analisar os dados.

A CABBI foi formada em 2017 e assumiu o projeto genoma. Mitros montou a análise genômica. A equipe de Swaminathan se concentrou na expressão gênica e Sacks contribuiu com dados de suas coleções de diversidade. Pesquisadores da Europa compartilharam dados e informações genotípicas sobre o genoma de M. sacchariflorus, e o projeto cresceu.

“Foi necessário um esforço concentrado, com alguém no centro reunindo todos os dados para dar sentido a eles”, disse Swaminathan. “Isso simplesmente não teria acontecido sem CABBI.”