Genetic Transformation of Sugarcane, Current Status and Future Prospects
https://doi.org/10.3389/fpls.2021.768609
Abstract
Sugarcane (Saccharum spp.) is a tropical and sub-tropical, vegetative-propagated crop that contributes to approximately 80% of the sugar and 40% of the world’s biofuel production. Modern sugarcane cultivars are highly polyploid and aneuploid hybrids with extremely large genomes (>10 Gigabases), that have originated from artificial crosses between the two species, Saccharum officinarum and S. spontaneum. The genetic complexity and low fertility of sugarcane under natural growing conditions make traditional breeding improvement extremely laborious, costly and time-consuming. This, together with its vegetative propagation, which allows for stable transfer and multiplication of transgenes, make sugarcane a good candidate for crop improvement through genetic engineering. Genetic transformation has the potential to improve economically important properties in sugarcane as well as diversify sugarcane beyond traditional applications, such as sucrose production. Traits such as herbicide, disease and insect resistance, improved tolerance to cold, salt and drought and accumulation of sugar and biomass have been some of the areas of interest as far as the application of transgenic sugarcane is concerned. Although there have been much interest in developing transgenic sugarcane there are only three officially approved varieties for commercialization, all of them expressing insect-resistance and recently released in Brazil. Since the early 1990’s, different genetic transformation systems have been successfully developed in sugarcane, including electroporation, Agrobacterium tumefaciens and biobalistics. However, genetic transformation of sugarcane is a very laborious process, which relies heavily on intensive and sophisticated tissue culture and plant generation procedures that must be optimized for each new genotype to be transformed. Therefore, it remains a great technical challenge to develop an efficient transformation protocol for any sugarcane variety that has not been previously transformed. Additionally, once a transgenic event is obtained, molecular studies required for a commercial release by regulatory authorities, which include transgene insertion site, number of transgenes and gene expression levels, are all hindered by the genomic complexity and the lack of a complete sequenced reference genome for this crop. The objective of this review is to summarize current techniques and state of the art in sugarcane transformation and provide information on existing and future sugarcane improvement by genetic engineering.
Resumen
La caña de azúcar (Saccharum spp.) es un cultivo tropical y subtropical, propagado vegetativamente, que contribuye aproximadamente al 80% de la producción mundial de azúcar y al 40% de la producción global de biocombustibles. Los cultivares modernos de caña de azúcar son híbridos altamente poliploides y aneuploides, con genomas extremadamente grandes (>10 gigabases), originados a partir de cruzamientos artificiales principalmente entre las especies Saccharum officinarum y S. spontaneum.
La complejidad genética y la baja fertilidad de la caña de azúcar bajo condiciones naturales de crecimiento hacen que la mejora genética tradicional sea extremadamente laboriosa, costosa y prolongada. Esto, junto con su propagación vegetativa, que permite la transferencia y multiplicación estable de transgenes, convierte a la caña de azúcar en un cultivo candidato para el mejoramiento mediante ingeniería genética.
La transformación genética tiene el potencial de mejorar características de importancia económica en caña de azúcar, así como diversificar sus aplicaciones más allá de los usos tradicionales, como la producción de sacarosa. Entre los caracteres de interés para la aplicación de caña de azúcar transgénica se incluyen la resistencia a herbicidas, enfermedades e insectos; una mayor tolerancia al frío, la salinidad y la sequía; y la acumulación mejorada de azúcar y biomasa.
Aunque ha existido un gran interés en el desarrollo de caña de azúcar transgénica, solo existen tres variedades oficialmente aprobadas para comercialización, todas ellas con resistencia a insectos, recientemente liberadas en Brasil. Desde principios de la década de 1990, se han desarrollado exitosamente diferentes sistemas de transformación genética en caña de azúcar, incluyendo la electroporación, el uso de Agrobacterium tumefaciens y la biobalística.
Sin embargo, la transformación genética de la caña de azúcar es un proceso muy laborioso, que depende en gran medida de procedimientos intensivos y sofisticados de cultivo de tejidos y regeneración vegetal, los cuales deben optimizarse para cada nuevo genotipo que se desea transformar. Por lo tanto, continúa siendo un gran desafío técnico desarrollar un protocolo eficiente de transformación para cualquier variedad de caña de azúcar que no haya sido previamente transformada.
Además, una vez obtenido un evento transgénico, los estudios moleculares requeridos para su liberación comercial por parte de las autoridades regulatorias —que incluyen la determinación del sitio de inserción del transgén, el número de copias transgénicas y los niveles de expresión génica— se ven dificultados por la complejidad genómica del cultivo y la ausencia de un genoma de referencia completamente secuenciado.
El objetivo de esta revisión es resumir las técnicas actuales y el estado del arte en transformación genética de caña de azúcar, así como proporcionar información sobre las estrategias actuales y futuras para el mejoramiento de este cultivo mediante ingeniería genética.