Gli scienziati hanno creato un genoma di riferimento altamente accurato per una delle colture moderne più importanti e hanno scoperto un raro esempio di come i geni conferiscano resistenza alle malattie nelle piante. Esplorare il codice genetico della canna da zucchero potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare colture più resilienti e produttive, con implicazioni sia per la produzione di zucchero che per i biocarburanti.
Fino ad ora, la genetica complicata della canna da zucchero l’ha resa l’ultima grande coltura senza un genoma completo e altamente accurato. I ricercatori hanno combinato più tecniche per mappare con successo il DNA della canna da zucchero e identificare aree chiave, tra cui diverse relative alla produzione e al trasporto dello zucchero, nonché alla resistenza alla ruggine bruna.
Il genoma di riferimento della canna da zucchero potrebbe essere utilizzato per aiutare a creare colture più resilienti o per aumentare la produzione di zucchero, con applicazioni in agricoltura e bioenergia.
La canna da zucchero ibrida moderna è una delle colture più raccolte sul pianeta, utilizzata per produrre prodotti tra cui zucchero, melassa, bioetanolo e materiali biobased. Ha anche uno dei più complessi progetti genetici.
Fino ad ora, la genetica complicata della canna da zucchero l’ha resa l’ultima grande coltura senza un genoma completo e altamente accurato. Gli scienziati hanno sviluppato e combinato più tecniche per mappare con successo il codice genetico della canna da zucchero.
Con quella mappa, sono stati in grado di verificare la posizione specifica che fornisce resistenza alla malattia della ruggine bruna che, se non controllata, può devastare un raccolto di zucchero. I ricercatori possono anche utilizzare la sequenza genetica per comprendere meglio i molti geni coinvolti nella produzione di zucchero.
La ricerca è stata condotta come parte del Community Science Program presso il U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (JGI), una struttura utente dell’Ufficio Scienza del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Lo studio è stato pubblicato il 27 marzo sulla rivista Nature, e il genoma è disponibile tramite il portale delle piante del JGI, Phytozome.
“Questa è stata la sequenza del genoma più complicata che abbiamo completato finora”, ha detto Jeremy Schmutz, responsabile del programma delle piante al JGI e ricercatore presso l’HudsonAlpha Institute for Biotechnology. “Mostra quanto siamo progrediti. Questo è il tipo di cosa che 10 anni fa la gente pensava fosse impossibile. Ora siamo in grado di raggiungere obiettivi che non pensavamo fossero possibili da fare in genomica vegetale.”
Il genoma della canna da zucchero è così complesso sia perché è grande sia perché contiene più copie di cromosomi rispetto a una pianta tipica, una caratteristica chiamata poliploidia. La canna da zucchero ha circa 10 miliardi di coppie di basi, i mattoni del DNA; per confronto, il genoma umano ne ha circa 3 miliardi.
Molte sezioni del DNA della canna da zucchero sono identiche sia all’interno che tra diversi cromosomi. Questo rende difficile ricostruire correttamente tutti i piccoli segmenti di DNA durante la ricostruzione del progetto genetico completo. I ricercatori hanno risolto il puzzle combinando più tecniche di sequenziamento genetico, tra cui un metodo appena sviluppato noto come sequenziamento PacBio HiFi che può determinare con precisione la sequenza di sezioni più lunghe di DNA.
Avere un “genoma di riferimento” completo rende più facile studiare la canna da zucchero, consentendo ai ricercatori di confrontare i suoi geni e percorsi con quelli in altre colture ben studiate come il sorgo o altre colture di interesse per i biocarburanti, come lo switchgrass e il miscanthus. Confrontando questo riferimento con altre colture, diventa più facile capire come ogni gene influenzi un tratto di interesse, come quali geni sono altamente espressi durante la produzione di zucchero o quali geni sono importanti per la resistenza alle malattie. Questo studio ha scoperto che i geni responsabili della resistenza alla ruggine bruna, un patogeno fungino che in precedenza ha causato danni per milioni di dollari alle colture di canna da zucchero, si trovano in una sola posizione nel genoma.
“Quando abbiamo sequenziato il genoma, siamo stati in grado di colmare una lacuna nella sequenza genetica intorno alla malattia della ruggine bruna”, ha detto Adam Healey, primo autore dell’articolo e ricercatore presso HudsonAlpha.
“Ci sono centinaia di migliaia di geni nel genoma della canna da zucchero, ma sono solo due geni, che lavorano insieme, a proteggere la pianta da questo patogeno. Tra le piante, ci sono solo pochi casi che conosciamo in cui la protezione funziona in modo simile. Una migliore comprensione di come funziona questa resistenza alle malattie nella canna da zucchero potrebbe aiutare a proteggere altre colture che affrontano patogeni simili in futuro.”
I ricercatori hanno studiato una cultivar di canna da zucchero nota come R570 che è stata utilizzata per decenni in tutto il mondo come modello per comprendere la genetica della canna da zucchero. Come tutte le cultivar moderne di canna da zucchero, R570 è un ibrido ottenuto incrociando la specie domestica di canna da zucchero (che eccelleva nella produzione di zucchero) e una specie selvatica (che portava i geni per la resistenza alle malattie).
“Conoscere il quadro genetico completo di R570 consentirà ai ricercatori di tracciare quali geni discendono da quale genitore, consentendo agli allevatori di identificare più facilmente i geni che controllano i tratti di interesse per una produzione migliorata”, ha detto Angélique D’Hont, ultimo autore dell’articolo e ricercatore di canna da zucchero presso il Centro di Ricerca Agricola Francese per lo Sviluppo Internazionale (CIRAD).
Migliorare le future varietà di canna da zucchero ha potenziali applicazioni sia in agricoltura che in bioenergia. Migliorare il modo in cui la canna da zucchero produce zucchero potrebbe aumentare il rendimento che gli agricoltori ottengono dalle loro colture, fornendo più zucchero dalla stessa quantità di spazio coltivato.
La canna da zucchero è una materia prima importante, o materiale di partenza, per la produzione di biocarburanti, in particolare etanolo, e altri bioprodotti. I residui che rimangono dopo la pressatura della canna da zucchero, noti come bagasse, sono un tipo importante di residuo agricolo che può anche essere scomposto e convertito in biocarburanti e bioprodotti.
“Stiamo lavorando per capire come geni specifici nelle piante si relazionano alla qualità della biomassa che otteniamo a valle, che possiamo poi trasformare in biocarburanti e bioprodotti”, ha detto Blake Simmons, Chief Science and Technology Officer per il Joint BioEnergy Institute, un centro di ricerca sui biocarburanti del DOE guidato da Berkeley Lab.
“Con una migliore comprensione della genetica della canna da zucchero, possiamo comprendere e controllare meglio i genotipi delle piante necessari per produrre gli zuccheri e gli intermedi derivati dalla bagasse di cui abbiamo bisogno per le tecnologie di conversione della canna da zucchero sostenibili su una scala rilevante per la bioeconomia.”
Questo studio ha coinvolto collaborazioni con istituti di tutto il mondo, tra cui Francia (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); Australia (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture – University of Queensland, Sugar Research Australia); Repubblica Ceca (Istituto di Botanica Sperimentale dell’Accademia delle Scienze Ceca); e Stati Uniti (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). Il genoma è stato sequenziato al JGI con lavori completati nei laboratori partner del JGI, l’Arizona Genomics Institute e l’HudsonAlpha Institute for Biotechnology.
Il Joint Genome Institute è una struttura utente dell’Ufficio Scienza del Dipartimento dell’Energia. Il Joint BioEnergy Institute è un centro di ricerca sui biocarburanti del DOE.