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Mundo Agropecuario (Venezuela)

La inteligencia artificial acelera la búsqueda de marcadores de resistencia a la enfermedad de la hoja amarilla de la caña de azúcar

Publicado em 30 outubro 2021

por FAPESP

Una plantación infectada solo puede salvarse cultivando plántulas en cultivo de tejidos en el laboratorio y plantándolas, un proceso que requiere mucho tiempo y personal especializado. Según un grupo de científicos que han estudiado el problema durante mucho tiempo, la forma más eficaz de controlar la enfermedad es desarrollar variedades resistentes al virus de la hoja amarilla de la caña de azúcar. Este es el propósito de un proyecto que se está llevando a cabo con el apoyo de la FAPESP.

Los científicos están afiliados a universidades (Universidad de Campinas — UNICAMP, Universidad Estadual de São Paulo — UNESP) e institutos estatales de investigación agroindustrial (Instituto Agronómico de Campinas — IAC, Instituto Biológico — IB) del estado de São Paulo, Brasil, y de Ecuador. Politécnico ESPOL. En un artículo publicado recientemente en la revista Scientific Reports , describen cómo utilizaron la genómica, el aprendizaje automático y las estadísticas para refinar y acelerar la búsqueda de marcadores moleculares de resistencia a la enfermedad.

El grupo descubrió que las variedades resistentes son en su mayoría tipos de la denominada caña energética, con mayor contenido de fibra y menor contenido de azúcar que la caña convencional y, por lo tanto, más aptas para la producción de etanol celulósico o de segunda generación, aunque al menos una es apta para azúcar o convencional. producción de etanol, tanto que acaba de ser lanzado comercialmente por IAC.

Los investigadores evaluaron 97 genotipos de caña de azúcar, incluidos germoplasmas silvestres de Saccharum officinarum, S. spontaneum y S. robustum, clones tradicionales de caña de azúcar y energía, y variedades comerciales desarrolladas por programas de mejoramiento brasileños.

«Analizamos la resistencia de cada una de estas variedades a la enfermedad de la hoja amarilla. El objetivo era asociar la resistencia a las enfermedades con rasgos genéticos. Utilizamos varios marcadores moleculares diferentes, que son variaciones del ADN, implementando la secuenciación de próxima generación para acceder a esta información», dijo. Ricardo Pimenta, investigador doctoral del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética de la UNICAMP (CBMEG).

Las variedades fueron seleccionadas por el programa de mejoramiento de caña de IAC. La mayoría fueron parte del programa, pero también hubo ejemplares de la Red Interuniversitaria para el Desarrollo de la Industria Azucarera y Etanol (RIDESA) y el Centro Tecnológico de la Caña de Azúcar (CTC).

«La colección fue representativa de la variabilidad de la caña brasileña, tanto plantada como utilizada en cruces para producir otras variedades», dijo Anete Pereira de Souza, profesora del Departamento de Biología Vegetal del Instituto de Biología de la UNICAMP y coordinadora del proyecto en CBMEG.

Los síntomas de la enfermedad de la hoja amarilla de la caña de azúcar suelen aparecer en las últimas etapas del desarrollo de la planta. El síntoma principal es un amarilleo intenso de las nervaduras centrales de las hojas. La enfermedad altera la eficiencia fotosintética, así como el metabolismo y el transporte de la sacarosa, lo que afecta el crecimiento y el rendimiento.

Métodos

Según Pimenta, el artículo describe un procedimiento experimental que nunca antes se había intentado. «El virus de la hoja amarilla es transmitido por el pulgón de la caña de azúcar Melanaphis sacchari», dijo. «El equipo de IAC plantó parcelas experimentales y al mismo tiempo crió pulgones en plantas ya infectadas por el virus. Luego, los pulgones se liberaron en las plantaciones no infectadas y se monitorearon en un proceso controlado de inoculación e infección. Los estudios anteriores utilizaron un enfoque similar, excepto que plantaron la caña y dejaron que se contagiara naturalmente, por así decirlo, en un proceso de inoculación menos controlado «.

La carga viral se midió mediante la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa con transcripción inversa (RT-qPCR). «Usamos PCR para cuantificar el virus en todo el conjunto de variedades de caña analizadas», explicó Pimenta. La gravedad de la enfermedad se evaluó observando la intensidad del amarillamiento de las hojas y otros síntomas, que a menudo pueden ser esquivos.

Para establecer asociaciones entre la resistencia a las enfermedades y los rasgos genéticos, los investigadores utilizaron técnicas genómicas, aprendizaje automático (un procedimiento de inteligencia artificial basado en el reconocimiento de patrones), selección de características y métodos de asociación entre marcadores y rasgos.

«Lo que normalmente encontramos en los estudios de asociación genómica son marcadores que influyen fuertemente en el fenotipo [características observables]. Eso es un problema porque no se pueden encontrar los otros que tienen menos influencia en el fenotipo. La selección de características captura marcadores que influyen en el fenotipo en un sentido más estrecho, por lo que utilizamos la técnica para seleccionar marcadores moleculares de manera más eficiente «, dijo Alexandre Hild Aono, también investigador de CBMEG.

El aprendizaje automático se utilizó para construir un modelo que predijo si una variedad era resistente o susceptible al virus, dados los marcadores genéticos especificados. «Para hacer esto, los algoritmos primero tienen que calificar los marcadores como ‘altamente importantes’ o ‘menos significativos’ con fines predictivos. Por lo tanto, la pregunta era la siguiente: si el sistema califica ciertos marcadores de manera alta, ¿influyen también en el fenotipo? Nuestra investigación confirmó esto fue de hecho el caso «, dijo Aono. «Combinamos las diversas metodologías y logramos filtrar y seleccionar marcadores con el mayor potencial para influir directamente en la configuración de la enfermedad, aunque no sean especialmente llamativos [en términos de influir en el fenotipo]».

Uno de los objetivos del estudio, recordó Souza, era comparar los resultados de las técnicas metodológicas para ver si convergían. «Encontramos un conjunto más grande de marcadores con la metodología propuesta, pero también fue validado por las estadísticas tradicionales. Se comunican entre sí y, al usarlos en asociación, pudimos obtener un conjunto de datos mucho más amplio para el análisis y una base más rica para mejora genética «, dijo.

El equipo multidisciplinario logró un nivel de detalle sin precedentes en este estudio, agregó: «Comparamos las metodologías y demostramos la eficiencia y la necesidad de utilizar un enfoque estadístico más refinado. Nada en la literatura sugiere que alguien haya realizado este tipo de análisis, o crió pulgones, infectó las plantas y luego midió la carga viral con PCR cuantitativa. Los resultados sirven como base y guía para futuras investigaciones, contribuyendo a una mejor comprensión del mecanismo molecular involucrado en la enfermedad «.

El estudio fue apoyado por la FAPESP a través de una beca de maestría y una beca de doctorado directa otorgada a Pimenta; una beca de doctorado directa otorgada a Aono; y una beca de posdoctorado otorgada a Carla Cristina da Silva, otra coautora del artículo.

Resistencia a enfermedades

Según Pimenta, las plantas genuinamente resistentes que no manifiestan síntomas ni acumulan carga viral representan una pequeña proporción del total. «Pocas son realmente resistentes. La mayoría de las plantas no muestran síntomas, pero acumulan carga viral, lo que eventualmente se convierte en un problema porque el patógeno está allí sin que el productor se dé cuenta. Nuestros hallazgos pueden ayudar a eliminar las variedades susceptibles, así como las tolerantes, que acumulan carga viral sin mostrar síntomas y pueden convertirse en reservorios virales ”, dijo, destacando que el principal desafío en el fitomejoramiento es seleccionar las mejores variedades sin perder demasiada variabilidad.

Muchas variedades resistentes son representantes de la caña energética. «Tienen un ancestro ‘salvaje’ reciente que es más resistente a las enfermedades, por lo que este resultado no es una sorpresa. Pero también descubrimos más variedades comerciales que resultaron resistentes, y estas son más interesantes. Una de ellas, IACSP04-6007, lo demostró prometiendo que acaba de ser lanzado por el programa de mejoramiento de IAC «, dijo Pimenta.

Además de esta, también se encontró que las siguientes variedades eran más resistentes a la enfermedad de la hoja amarilla (sin síntomas y baja carga viral): IACBIO241, IACBIO257, IACBIO266, IACBIO270, IACBIO271, IACBIO273, IACBIO275, IACBIO279, IACCTC 05-3616-, IACSP0279, IACCTC 05-3616-, IACSP0 2510, IACSP98-5046, IJ76293, IN8482, IN8488 y Krakatau.

Pimenta también señaló la importancia de los genes asociados con los marcadores identificados. «Algunos de los ejemplos más sorprendentes incluyen el gen de una peroxidasa, una enzima previamente asociada con la resistencia a esta enfermedad ; el gen de Dicer, una enzima muy importante en el mecanismo de respuesta viral de las plantas; y varios genes que contienen repeticiones ricas en leucina ampliamente involucrado en las respuestas inmunes de las plantas a los patógenos «, dijo.

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