Mejora de trigo y triticale para la producción de bioetanol lignocelulósico usando herramientas clásicas y moleculares

Abstract

La impronta del ser humano sobre el medio ambiente es hoy una realidad. El problema medioambiental que se cierne sobre la globalidad del planeta se ha visto acelerado por la masiva emisión de gases de efecto invernadero que produce la quema de combustibles fósiles para la obtención de energía. Por otro lado esta la demanda de energía, que se ve incrementada año a año por el constante aumento de la población mundial. Además, a estas tensiones sobre la demanda de energía hay que sumar la escasez de petróleo que se preveé en el corto-medio plazo, pues como sabemos, se trata de una fuente de energía no renovable. Es difícil encontrar alternativas energéticas viables que se adapten a las infraestructuras y necesidades energéticas actuales. Aun así, una de las alternativas más prometedoras para contribuir a paliar estos problemas, es el uso de la biomasa vegetal para la obtención de bioetanol. Pero a pesar de ser una muy buena opción, su uso supone destinar alimentos para la obtención de etanol. Esto provoca que los precios de los alimentos se encarezcan, creando un grave problema de abastecimiento y seguridad alimentaria en las poblaciones más desfavorecidas. El uso de los biocombustibles genera un intenso debate por su efecto en los precios de los alimentos, como también en su posible papel en la mitigación de cambio climático, así como en el desarrollo agrícola. Estos temas de debate fueron tratados en la Conferencia de Alto Nivel sobre Seguridad Alimentaria Mundial: “Los Desafíos del Cambio Climático y la Bioenergía”, donde se evaluó detalladamente la perspectiva futura, riesgos y oportunidades que podrían generar los biocombustibles, y que quedó como tema central del informe de la FAO de 2008 acerca de “El estado mundial de la agricultura y a alimentación”. La introducción del biocombustible de segunda generación, como aquellos que usan biomasa lignocelulósica para la producción de bioetanol, abre una posibilidad a la producción de un carburante menos contaminante que el petróleo, sin entrar en competencia directa por el alimento. La biomasa lignocelulósica para la producción de bioetanol proviene principalmente de residuos agrícolas como restos de poda, rastrojos, restos de madera, paja de maíz, trigo o arroz, bagazo (residuos de la caña de azúcar y el sorgo), etc. Esta biomasa es el principal componente de la pared celular de las plantas, que por sus características químicas y estructurales, es extremadamente resistente a la digestión enzimática necesaria que se pretende hacer para liberar los azúcares atrapados en ella. Tan recalcitrante es esta estructura, que la bioconversión en etanol de esta materia prima hace que el proceso actualmente sea inviable económicamente. El principal objetivo pues, es que el proceso de producción de bioetanol llegue a ser económicamente viable, y para conseguirlo podemos hacerlo a través una digestión más eficiente mediante, o por la obtención de biomasa menos recalcitrantes y más fácilmente accesibles a las enzimas, o ambas. Este trabajo ha abordado este reto mediante una búsqueda de materiales lignocelulósicos más fácilmente accesibles a las enzimas hidrolíticas. Para llevarlo a cabo se han usado herramientas de mejora clásicas y moleculares. Una colección de sesenta y seis genotipos de trigo, triticale y cebada se han caracterizado fenotípicamente a lo largo de su desarrollo. Los genotipos mostraron gran variabilidad para el factor sacarificación, que estuvo correlacionado negativamente con el contenido de lignina en la pared celular. Además, los resultados mostraron que éste y otros factores podrían ser evaluados con cierta precisión usando el tratamiento de imágenes con plataformas aéreas no tripuladas (UAV – unmanned aerial vehicle), antes de ser recolectadas, de forma rápida y no destructiva. Además, varios parentales provenientes de poblaciones de mapeo mostraron diferencias contrastantes para el grado de sacarificación. Por último, se hizo una selección de genes involucrados en la síntesis de componentes de pared y se silenciaron mediante micros-ARN (miARN) en Brachypodium distachyon. Las plantas transgénicas mostraron alteraciones en las células de pared en del tallo y en algunos componentes de pared que la forman, dando lugar a un mayor potencial de sacarificación y alteraciones en los principales componentes de la pared celular.

The imprint of the human being on the environment is today a reality. The environmental problem that hangs over the global nature of the planet has been accelerated by the massive emission of greenhouse gases produced by the burning of fossil fuels. On the other hand, this demand for energy increases every year due to the increase in world population. In addition, we must add to these tensions on demand, the shortage of oil that is expected in the short-medium term, as we know, it is a non-renewable source of energy. The infrastructures and energy needs that we have today do not make it easy for us to find economically viable energy alternatives. Even so, one of the most promising alternatives to help alleviate these problems is the use of vegetable biomass for bioethanol production. But this, despite being a very good option, means entering into competition with food production. As a result, large increases in food prices could occur, creating a serious problem of supply and food security in the most disadvantaged populations. The use of biofuels generates an intense debate because of its effect on food prices, as well as its possible role in mitigating climate change, as well as agricultural development. These topics were discussed at the High Level Conference onWorld Food Security: “The Challenges of Climate Change and Bioenergy”, where the future perspective, risks and opportunities that could be generated by biofuels were evaluated in detail, and that remained as central topic to the 2008 FAO report on “The global state of agriculture and food”. The introduction of second-generation biofuels, which use lignocellulosic biomass for the production of bioethanol, opens up a possibility for the production of fuel without competing with food. The lignocellulosic biomass for the production of bioethanol comes mainly from agricultural residue such as pruning remains, stubble, wood remains, corn stover, wheat and rice straw, bagasse (residue from sugarcane and sorghum stalks), etc. The lignocellulosic biomass is the main component of the cell wall of plants, which due to its chemical and structural characteristics is extremely resistant to enzymatic digestion, which is intended to release the sugars trapped in it. So recalcitrant is this structure, that the bioconversion in ethanol of this raw material makes the process currently economically unfeasible. The main objective is that the bioethanol production process becomes economically viable, to achieve this we could do it through a more efficient digestion using more efficient enzymes, by obtaining biomass less recalcitrant and more easily accessible to enzymes, or both. This work has addressed this challenge through a search for lignocellulosic materials more easily accessible to hydrolytic enzymes. For its approach, classical and molecular improvement tools have been used. A collection of sixty-six genotypes of wheat, triticale and barley have been phenotypically characterized throughout their development. The genotypes showed great variability for the saccharification factor, which was negatively correlated with the lignin content in the cell wall. In addition, the results showed that this and other factors could be evaluated with good accuracy using the treatment of images with unmanned aerial platforms (UAV - unmanned aerial vehicle), before harvested, quickly and non-destructively. Moreover, several parents from mapping populations showed contrasting differences for the degree of saccharification. Finally, a tracking of genes involved in the synthesis of wall components was made, and it was observed that the silencing done with miRNA in Brachypodium distachyon produced alterations in the wall cells in the stem, giving rise to, higher degrees of saccharification and alterations the main wall components.