Bioenergia: Edição genética de precisão em miscanthus: os resultados irão acelerar os esforços para explorar o enorme potencial de bioenergia desta grama perene altamente produtiva, mas geneticamente complexa

Uma equipe do Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), um Centro de Pesquisa em Bioenergia (BRC) financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, editou os genomas de três espécies de miscanthus usando CRISPR/Cas9 – uma maneira muito mais direcionada e eficiente para desenvolver novas variedades do que os métodos anteriores.

Os resultados irão acelerar os esforços para explorar o enorme potencial desta grama altamente produtiva, mas geneticamente complexa, como fonte de biocombustíveis, bioprodutos renováveis ​​e sequestro de carbono. O estudo, publicado na Biotecnologia para Biocombustíveis e Bioprodutos, foi liderado por três pesquisadores do CABBI miscanthus no Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia no Alabama – o pesquisador do corpo docente Kankshita Swaminathan, o pesquisador associado Anthony Trieu e o ex-pesquisador de pós-doutorado Mohammad Belaffif – e Nancy Reichert, professora de ciências biológicas na Mississippi State University.

Swaminathan co-liderou uma equipe internacional que sequenciou o genoma do miscanthus em 2020. Esse trabalho forneceu um roteiro para os pesquisadores explorarem novas maneiras de maximizar a produtividade da planta e decifrar a base genética para suas características desejáveis. Miscanthus é extremamente adaptável e fácil de cultivar. Ele pode prosperar em terras marginais, requer fertilização limitada, tem alta tolerância à seca e temperaturas baixas e usa a forma mais eficiente de fotossíntese C4.

Até o momento, os esforços para melhorar geneticamente o miscanthus têm se concentrado na transformação de plantas pela introdução de genes externos em locais aleatórios de seus genomas, em vez de visar locais específicos ou modificar genes existentes.

A equipe do CABBI desenvolveu procedimentos de edição de genes usando CRISPR/Cas9 que permitirão aos pesquisadores direcionar seletivamente os genes existentes nas plantas miscanthus para desativar ou modificar sua função e introduzir novos genes em locais precisos. Essa capacidade de direcionamento apresenta um novo caminho para o melhoramento genético dessa importante cultura de biomassa.

O estudo demonstrou a edição de genes em três espécies de miscanthus – o altamente produtivo Miscanthus x giganteusque é cultivada comercialmente para bioenergia, e seus pais, M. sacchariflorus e M. sinensis. Como essas plantas são paleopoliplóides – com DNA duplicado semelhante ao sorgo antigo e múltiplos conjuntos de cromossomos – o design dos RNAs guia que localizam o material genético para edição precisava atingir todas as cópias de um gene, para explicar a redundância e garantir um “nocaute” completo.

Os pesquisadores do CABBI basearam-se na edição genética semelhante em Zea mays (milho), que identificou o gene lemon white 1 (lw1) como um alvo útil para confirmação visual de alterações genéticas. Esse gene está envolvido na biossíntese de clorofila e carotenóides, que afeta a cor da folha, e estudos anteriores demonstraram que a edição de lw1 via CRISPR/Cas9 produziu fenótipos de folha verde/amarelo pálido, listrado ou branco.

Usando informações de sequência do miscanthus e do sorgo, os pesquisadores identificaram RNAs guia que poderiam ter como alvo homeólogos, ou cópias duplicadas do gene, de lw1 no tecido vegetal do miscanthus. As folhas das plantas de miscanthus editadas exibiam os mesmos fenótipos encontrados no milho, com folhas verdes/amarelas pálidas, listradas ou brancas em vez do verde típico.

O trabalho reforça a missão da CABBI de desenvolver a produção sustentável de bioenergia e projetar matérias-primas selecionadas (miscanthus, sorgo e cana-de-açúcar) para produzir novos bioprodutos, como óleos e especialidades químicas. Antes deste estudo, o trabalho de bioengenharia limitava-se ao sorgo e à cana-de-açúcar porque os métodos de engenharia de precisão em miscanthus não haviam sido desenvolvidos.

“Identificar o germoplasma transformável, desenvolver métodos de transformação confiáveis ​​e demonstrar a edição de genes no miscanthus são etapas cruciais para a engenharia de caminhos no miscanthus”, disse Swaminathan. “A capacidade de editar miscanthus com precisão para aumentar a produtividade, permitir o crescimento contínuo em terras marginais e produzir especialidades químicas, como óleos, ajudará a remover o ‘potencial’ de seu status como uma cultura de bioenergia viável.

“Esta pesquisa nos ajuda a dar alguns passos para reduzir nossa dependência da energia baseada no petróleo.”

Para identificar as linhagens miscanthus que se transformaram bem, os pesquisadores analisaram germoplasma de fornecedores comerciais e colaboradores do estudo. A maioria das linhas foi fornecida pelo co-autor Erik Sacks, professor de ciências agrícolas da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, que coletou germoplasma de todo o mundo. Sacks e Swaminathan são vice-líderes temáticos da pesquisa de produção de matéria-prima do CABBI.

“Este projeto de pesquisa foi um esforço altamente colaborativo e multi-institucional com pesquisadores trabalhando em várias disciplinas para atingir um objetivo importante. Ele reforçou a abordagem de ‘quadro geral’ para a pesquisa no CABBI, bem como em outros BRCs”, disse Reichert.

Outros co-autores do CABBI no estudo incluíram Steve Moose, professor de Crop Sciences em Illinois; Tom Clemente, Professor Ilustre Eugene W. Price de Biotecnologia no Centro de Inovação em Ciências de Plantas da Universidade de Nebraska; A pesquisadora de pós-doutorado Pradeepa Hirannaiah, a técnica Shilpa Manjunatha, a estagiária Rebekah Wood e a especialista em desenvolvimento de força de trabalho Yokshitha Bathula, todas da HudsonAlpha; e a associada de pesquisa Rebecca Billingsley e a estudante de pós-graduação Anjali Arpan, do estado do Mississippi.