Colombia reconstruye el genoma de su principal variedad de caña de azúcar

El genoma de la variedad CC 01-1940 es una tecnología clave para el mejoramiento genético moderno y constituye un logro de la ciencia regional.

Uno de los grandes retos de la ciencia alrededor de la agricultura es identificar y organizar la información genética de especies vegetales, especialmente de aquellas ampliamente cultivadas en el mundo, ya que con esta información el mejorador puede dirigir sus esfuerzos (cruzamientos y selección) para la consecución de las nuevas variedades.

Gracias a tecnologías de secuenciación de última generación y al desarrollo de herramientas informáticas especializadas poco a poco los esfuerzos científicos en ese sentido han dado resultados y hoy se cuenta con los genomas del arroz (2005), el maíz (2009), la soya (2010) y el algodón (2014), entre otros.

En Colombia se acaba de conseguir lo propio con el cultivo de la caña de azúcar, avance científico que ubica al país y a Cenicaña al nivel de sus pares de Brasil, China, Estados Unidos, la Unión Europea y Tailandia, grandes jugadores del mercado del azúcar a nivel mundial.

Durante los últimos cuatro años, Cenicaña y más específicamente el equipo de Biotecnología, del Programa de Variedades, probó, ensambló y descartó secuencias de ADN del genoma de la variedad de caña CC 01-1940, para tratar de reconstruir de manera ordenada su información genética, con la dificultad de encontrar piezas casi idénticas o peor aún, repetidas.

Sin embargo, a principios de este año se ensambló la última de las secuencias y se realizaron las validaciones con las cuales finalizó la construcción del primer genoma monoploide de un híbrido colombiano de caña de azúcar. 

“A pesar de que el genoma de CC 01-1940 fue ensamblado recientemente, el mismo ha facilitado la generación de resultados de investigación con usos potenciales para el mejoramiento genético y el sector agroindustrial. Entre esos resultados se destacan la construcción de un código de barras molecular que ayudará a identificar todas las variedades que Cenicaña tiene dentro de su banco de germoplasma (1600 individuos). También, la identificación de un número mayor de marcadores moleculares (32,000), para realizar estudios de asociación genotipo-fenotipo, y la identificación de genes relacionados con la producción a sacarosa y tolerancia al estrés hídrico”, precisa John Henry Trujillo, PhD en Ingeniería con énfasis en ciencias de la computación de la Universidad del Valle.

No es la primera vez que se construye un genoma de la caña de azúcar en el mundo. En Estados Unidos el año pasado concluyó el ensamblaje del genoma de Saccharum spontaneum (estudio en el que Cenicaña hizo contribuciones y que fue publicado en la revista científica Nature Genetics). Brasil también lo hizo con la variedad SP 80-3280; y Tailandia, con Khon Kaen KK3. Finalmente, Francia, con la contribución del Consorcio Internacional de Biotecnología de Caña de azúcar, ICSB, al que pertenece Cenicaña, secuenció las regiones ricas en genes del genoma de la variedad R570.

Los híbridos modernos de caña de azúcar contienen en su genoma múltiples cromosomas, denominados cromosomas homeólogos porque provienen de dos especies ancestrales diferentes, S. spontaneum y S. officinarum. Por esa razón, fue necesario utilizar diferentes herramientas de ensamblaje y combinar diferentes tipos de lecturas de secuenciación, largas (PacBio) y cortas (Illumina), enfocadas en regiones diferentes del genoma (Genoma completo, WGS, o regiones adyacentes a la cromatina, HiC).

Agrega el Dr. Trujillo: “Los resultados indican que el ensamblaje de CC 01-1940 tiene una mayor cantidad de información ensamblada con respecto a los otros genomas”, es decir de aquellos que ya fueron ensamblados en Brasil, Estados Unidos y Francia.

El genoma de CC 01-1940 tiene un tamaño total de 11.21 Gbp, su representación más simple o genoma monoploide mide 1.019 Gpb y, de acuerdo a experimentación en el laboratorio (citometría de flujo) se estima que tiene alrededor de 106 cromosomas. Estas estadísticas son un reflejo de la complejidad del genoma de la caña. Para ejemplificar esto vasta con considerar otros genomas como el del arroz que es 12 veces (0.84 Gpb) más pequeño, o el genoma humano que  es un tercio (6.4 Gpb) más pequeño que el de la caña de azúcar.

Hasta antes de contar con el genoma de C 01-1940, Cenicaña utilizaba como referencia el genoma del sorgo, por ser la especie más cercana a la caña de azúcar con un genoma secuenciado, para hacer investigación encaminada a apoyar el proceso de mejoramiento genético. Sin embargo, su cercanía no era suficiente en las comparaciones.

“Utilizando el genoma de sorgo como referencia solo logramos darle uso a un 30% de los datos que produjimos para una población de caña de azúcar compuesta por 220 individuos, y esto es debido a que aunque ambos genomas (sorgo y caña) son significativamente similares los porcentajes de mayor similitud están enfocados en regiones específicas que no necesariamente son capturadas en algunos procesos de secuenciación masiva de ADN. Con un genoma de referencia propio, el uso de esos datos se incrementó de 30% a 89% lo que nos brinda la posibilidad de identificar, por ejemplo, un mayor número de marcadores moleculares”, señala Jhon Jaime Riascos, líder del área de biotecnología en Cenicaña y director de la tesis doctoral de Jhon Henry Trujillo.

Los marcadores moleculares son secuencias de ADN que puede ser usada para seguir la herencia (segregación) de una región del genoma en particular (genes). Los marcadores moleculares tienen varios usos dentro de los que se destaca su utilidad en el conocimiento detallado de la diversidad genética de un grupo de individuos, la selección de individuos promisorios en el esquema de mejoramiento genético o la caracterización de parentales elites, con fines de incrementar la ganancia genética y probabilidades de éxito en la progenie.

“Hasta hace poco teníamos marcadores moleculares aparentemente prometedores en el uso eficiente del agua por parte de la planta. Una vez tuvimos el genoma de CC 01-1940 como referencia pudimos ubicar esos marcadores en dicho genoma e identificar los genes adyacentes. Esto nos permitió aislar el gen, clonarlo, ponerlo en una planta modelo y evaluar su función. Hoy sabemos que las plantas sin dicho gen vivieron menos y que las plantas a las que se les insertó el gen eran más grandes, así que es muy probable que contribuya a la producción de biomasa”, explica Riascos.

Estos resultados, a nivel de laboratorio, no tardarán mucho en ofrecer enormes ventajas para el proceso de desarrollo de variedades de la agroindustria, incluso con alcances internacionales por la cantidad de esfuerzos que en este sentido se realizan en el mundo. Por lo pronto, es gratificante saber que un avance científico de este nivel se haya producido en una región dulce por naturaleza.