Del laboratorio al campo: aceite de sorgo para biocombustible y alimento para ganado

Investigadores del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI - Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation) han desarrollado una nueva variante de sorgo que puede superar a la soja en la producción de aceite, con un gran potencial como fuente limpia de combustible renovable.

Los científicos han trabajado durante mucho tiempo para crear nuevas fuentes sostenibles de aceites vegetales, conocidos como triacilgliceroles (TAG), para satisfacer la creciente demanda de combustibles renovables, como el combustible de aviación sostenible (SAF) y el diésel renovable.

Actualmente, la palma aceitera y las semillas oleaginosas como la soja proporcionan la mayor parte de los TAG para los combustibles renovables, pero estas fuentes por sí solas no pueden satisfacer las necesidades globales futuras. Para abordar esto, los investigadores han estado diseñando cultivos de alta biomasa como el sorgo para producir aceite. Estos cultivos son muy eficientes en la fotosíntesis, producen grandes cantidades de biomasa y pueden crecer en climas duros, lo que los convierte en excelentes candidatos.

En su nuevo estudio, publicado en Plant Biotechnology Journal, los científicos de CABBI destacan la utilidad de una cañería del laboratorio al campo para entregar sorgo con alto contenido de TAG. Los investigadores diseñaron sorgo para que acumulara hasta un 5,5% de peso seco de TAG en sus hojas y 3,5% del peso seco en sus tallos en condiciones de campo: 78 veces y 58 veces más que el sorgo no modificado, respectivamente. Este nivel de producción podría proporcionar alrededor de 1,4 veces más aceite por hectárea que la soja, lo que la convierte en una nueva materia prima prometedora para combustibles renovables.

“Este trabajo es la culminación de un gran esfuerzo de equipo que demuestra cómo se puede utilizar la investigación fundamental para desarrollar nuevas materias primas agrícolas para abordar las demandas energéticas globales”, dijo Edgar Cahoon, Director del Centro para la Innovación en Ciencias Vegetales de la Universidad de Nebraska y uno de los autores correspondientes en el artículo. Cahoon trabajó con Kiyoul Park, investigador asociado senior en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Nebraska y autor principal del artículo; y Tom Clemente, Profesor Distinguido de Biotecnología Eugene W. Price en la Universidad de Nebraska; junto con muchos otros expertos de CABBI.

A diferencia de las semillas y frutos ricos en aceite de plantas como la palma aceitera y la soja, el TAG normalmente sólo se acumula en los órganos vegetativos de una planta (hojas y tallos) como respuesta al estrés al daño de la membrana.

Para diseñar sorgo para la acumulación de aceite vegetativo, los investigadores utilizaron una estrategia de ’empujar-tirar-proteger’, que los investigadores de CABBI habían utilizado anteriormente para aumentar la acumulación de aceite vegetativo en otras plantas. Introdujeron genes para ’empujar’ más carbono de la fotosíntesis a la producción de aceite, ‘atraer’ ácidos grasos a las moléculas TAG y ‘proteger’ el aceite almacenado para que no se descomponga. Este enfoque se basó en éxitos anteriores con otros cultivos, centrándose en el sorgo por su tolerancia al calor y la sequía y su genoma bien comprendido.

Mediante el uso de métodos avanzados de transferencia de genes, los científicos del CABBI diseñaron líneas de sorgo que, cuando se cultivaron en el campo en el Centro de Investigación, Extensión y Educación del Este de Nebraska, no sólo mantuvieron una producción de aceite estable durante múltiples generaciones, sino que también evitaron las reducciones de biomasa observadas en cultivos similares con otros cultivos de biomasa.

“La amplia experiencia de CABBI nos ha permitido tomar un concepto del laboratorio y ponerlo en práctica para la producción de campo de una nueva materia prima para bioenergía y bioproductos”, dijo Cahoon.

Estas líneas de sorgo oleaginoso, producto de bioingeniería de altísimo desarrollo, proporcionan nuevas fuentes potenciales de materias primas para diésel renovable y SAF, reduciendo la dependencia de los cultivos oleaginosos tradicionales y al mismo tiempo satisfaciendo la creciente demanda de energía renovable. Y este sorgo oleaginoso también tiene el potencial de proporcionar nuevas fuentes de ingresos y mercados para los agricultores. El bioprocesamiento de sorgo oleaginoso abre nuevas formas de estimular la bioeconomía y apoyar la vitalidad rural.

El equipo de investigación continuará estudiando cómo aumentar aún más la producción de aceite para cumplir con el objetivo de CABBI de producir cultivos con un 10% de TAG en peso seco.

“La base para seguir mejorando los rendimientos de TAG dependerá de un análisis en profundidad de los efectos del enfoque de ingeniería metabólica ‘push-pull-protect’ aplicado en el estudio”, dijo Jörg Schwender, científico principal del Plant Science Group at Brookhaven National Laboratory y otro autor correspondiente del artículo. “Por ejemplo, en el estudio actual, el equipo utilizó la secuenciación del transcriptoma completo (o secuenciación de ARN), una técnica que analiza la actividad de miles de genes al mismo tiempo en muestras de tejido”.

Este análisis encontró que las líneas de sorgo oleaginoso aumentan la producción de una enzima en sus hojas que descompone los lípidos y, como tal, probablemente también ataca a los TAG. Análisis adicionales del flujo metabólico con trazadores de isótopos confirmaron que los lípidos, aunque se producen a un ritmo mayor en las hojas de sorgo oleaginoso, al mismo tiempo se degradan más rápido. Es probable que estos hallazgos puedan traducirse en una estrategia de ingeniería refinada que aumente aún más los niveles de aceite. El equipo de investigación pretende perfeccionar este enfoque para hacer del sorgo una materia prima para biocombustibles fiable y sostenible.

Otros coautores de este estudio incluyen a los investigadores del CABBI: Truyen Quach, Teresa J. Clark, Hyojin Kim, Tieling Zhang, Shirley Sato, Tara J. Nazarenus; los investigadores privados del CABBI, Stephen P. Moose y Kankshita Swaminathan; Mengyuan Wang del Centro de Investigación Central de Transformación de Plantas en Nebraska; Ming Guo y Chi Zhang del Centro para la Innovación en Ciencias Vegetales de Nebraska; y Rostislav Blume y Yaroslav Blume del Instituto de Biotecnología y Genómica de Alimentos de Ucrania.

• El paper Development of vegetative oil sorghum: From lab-to-field, fue publicado en Plant Biotechnology Journal. Autores: Kiyoul Park, Truyen Quach, Teresa J. Clark, Hyojin Kim, Tieling Zhang, Mengyuan Wang, Ming Guo, Shirley Sato, Tara J. Nazarenus, Rostislav Blume, Yaroslav Blume, Chi Zhang, Stephen P. Moose, Kankshita Swaminathan, Jörg Schwender, Thomas Elmo Clemente & Edgar B. Cahoon

• El artículo From lab to field: CABBI pipeline delivers oil-rich sorghum, firmado por la especialista en comunicaciones de CABBI, April Wendling, fue publicado en CABBI

English version

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From lab to field: CABBI pipeline delivers oil-rich sorghum for biofuel and feedstock

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Researchers at the Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) have developed a new sorghum variant that can outperform soybeans in oil production, with great potential as a clean source of renewable fuel.

Scientists have long worked to create new sustainable sources of vegetable oils, known as triacylglycerols (TAG), to meet the growing demand for renewable fuels like sustainable aviation fuel (SAF) and renewable diesel.

Currently, oil palm and oilseeds such as soybeans provide most TAG for renewable fuels, but these sources alone cannot meet future global needs. To address this, researchers have been engineering high-biomass grasses like sorghum to produce oil. These grasses are highly efficient at photosynthesis, produce large amounts of biomass, and can grow in tough climates, making them excellent candidates.

In their new study, published in Plant Biotechnology Journal, CABBI scientists highlight the utility of a lab-to-field pipeline to deliver sorghum that’s high in TAG. Researchers engineered sorghum to accumulate up to 5.5% dry weight TAG in its leaves and 3.5% dry weight in its stems under field conditions — 78 times and 58 times more than unmodified sorghum, respectively. This level of production could provide about 1.4 times more oil per hectare than soybeans, making this a promising new feedstock for renewable fuels.

“This work is the culmination of a large team effort that demonstrates how fundamental research can be used to develop new crop feedstocks to address global energy demands,” said Edgar Cahoon, Director of the Center for Plant Science Innovation at University of Nebraska and one of the corresponding authors on the paper. Cahoon worked with Kiyoul Park, Senior Research Associate in the Department of Biochemistry at University of Nebraska and lead author on the paper; and Tom Clemente, Eugene W. Price, Distinguished Professor of Biotechnology at the University of Nebraska; along with many other CABBI experts.

In contrast to oil-rich seeds and fruit from plants like oil palm and soybean, TAG typically only accumulates in a plant’s vegetative organs (leaves and stems) as a stress response to membrane damage.

To design sorghum for vegetative oil accumulation, the researchers used a “push-pull-protect” strategy, which ** CABBI** researchers have previously used to increase vegetative oil accumulation in other plants. They introduced genes to “push” more carbon from photosynthesis into oil production, “pull” fatty acids into TAG molecules, and “protect” the stored oil from breaking down. This approach built on previous successes with other crops, focusing in on sorghum for its heat and drought tolerance and well-understood genome.

By using advanced gene transfer methods, CABBI scientists engineered sorghum lines that, when grown in the field at the E astern Nebraska Research, Extension, and Education Center, not only maintained stable oil production over multiple generations, but also avoided the biomass reductions seen in similar studies with other biomass crops.

“The breadth of expertise in CABBI has allowed us to take a concept from the lab and put it to practice for field production of a new bioenergy and bioproduct feedstock,” Cahoon said.

These newly engineered oil sorghum lines provide potential new sources of feedstocks for renewable diesel and SAF, reducing reliance on traditional oil crops while meeting the growing demand for renewable energy. And this oil sorghum also has the potential to provide new income streams and markets for farmers. Oil sorghum bioprocessing opens up new ways to spur the bioeconomy and support rural vitality.

Oil sorghum bioprocessing opens up new ways to spur the bioeconomy and support rural vitality

The research team will continue to study how to further increase oil yields to meet CABBI’s goal of growing crops that are 10% TAG by dry weight.

“The basis for further improvement of TAG yields will depend on in-depth analysis of the effects of the ‘push-pull-protect’ metabolic engineering approach applied in the study,” said Jörg Schwender, Senior Scientist of the Plant Science Group at Brookhaven National Laboratory and another corresponding author on the paper. “For example, in the current study, the team used whole transcriptome shotgun sequencing (or RNA sequencing), a technique that analyzes the activity of thousands of genes at the same time in tissue samples.”

This analysis found that the oil sorghum lines increase production of an enzyme in their leaves that breaks down lipids, and as such likely also attacks TAG. Further analysis of metabolic flux with isotope tracers confirmed that lipids, although being made at a higher rate in the oil sorghum leaves, are degraded faster at the same time. These findings likely can be translated into a refined engineering strategy that further increases oil levels. The research team aims to refine this approach to make sorghum a reliable, sustainable biofuel feedstock.

Other co-authors on this study include CABBI researchers Truyen Quach, Teresa J. Clark, Hyojin Kim, Tieling Zhang, Shirley Sato, Tara J. Nazarenus; CABBI PIs Stephen P. Moose and Kankshita Swaminathan; Mengyuan Wang from the Plant Transformation Core Research Facility at Nebraska; Ming Guo and Chi Zhang from the Center for Plant Science Innovation at Nebraska; and Rostislav Blume and Yaroslav Blume from the Institute of Food Biotechnology and Genomics in Ukraine.

• The paper Development of vegetative oil sorghum: From lab-to-field, about an experimental study was published in Plant Biotechnology Journal. Authors: Kiyoul Park, Truyen Quach, Teresa J. Clark, Hyojin Kim, Tieling Zhang, Mengyuan Wang, Ming Guo, Shirley Sato, Tara J. Nazarenus, Rostislav Blume, Yaroslav Blume, Chi Zhang, Stephen P. Moose, Kankshita Swaminathan, Jörg Schwender, Thomas Elmo Clemente & Edgar B. Cahoon

• The article From lab to field: CABBI pipeline delivers oil-rich sorghum, signed by CABBI Communications Specialist April Wendling, was published in CABBI