Uma reportagem da revista “Nature” destaca como a biotecnologia agrícola está à beira de uma mudança histórica: cientistas reproduziram com sucesso culturas como sorgo, arroz e milho por meio de sementes clonais, um processo chamado apomixia. Isso poderia "fixar" o vigor híbrido e oferecer aos agricultores em todo o mundo — desde grandes produtores até pequenos produtores na África — a capacidade de plantar sementes de alto rendimento por várias gerações.
No mês que vem, uma cultura experimental de sorgo resistente poderá começar a brotar sob uma cobertura de tela no leste da Austrália. As plantas podem parecer comuns, mas seus genes escondem algo revolucionário. Se o experimento for bem-sucedido, cada planta evitará a reprodução sexuada e produzirá milhares de clones em cada uma de suas inflorescências.
O experimento com sorgo Hy-Gain é o ápice de décadas de trabalho da fisiologista vegetal Anna Koltunow, da Universidade de Queensland em Brisbane, Austrália, que iniciou pesquisas sobre a produção de "sementes assexuadas" no início da década de 1990. Essa tecnologia aproveita uma peculiaridade da natureza conhecida como apomixia. Mais de 300 espécies de plantas com flores produzem naturalmente sementes clonais por meio da apomixia, mas nenhuma delas é um grão importante. Pesquisadores afirmam que a busca pela apomixia em plantas como sorgo, arroz e milho está prestes a transformar a agricultura.
"Isso, sem dúvida, desencadeará uma revolução", afirma Kejian Wang, geneticista do Instituto Nacional de Pesquisa do Arroz da China, em Hangzhou, que trabalha separadamente em experimentos de apomixia.
Koltunow afirma que seu trabalho promete dar aos pequenos agricultores da África Subsaariana acesso a culturas de sorgo (Sorghum bicolor) e feijão-caupi (Vigna unguiculata) acessíveis e de alto rendimento. Esses agricultores poderiam economizar sementes clonais para plantar por vários anos, reduzindo ainda mais os custos. Essas são algumas das razões pelas quais a pesquisa de Koltunow é apoiada pela Fundação Gates, uma instituição de caridade com sede em Seattle, Washington.
Outra colaboradora do projeto Hy-Gain é a multinacional de sementes Corteva Agriscience, sediada em Indianápolis, Indiana. Isso ocorre porque as plantas apomíticas representam um potencial impulso para as empresas de sementes que vendem para mercados agrícolas de larga escala em todo o mundo. A apomixia poderia reduzir drasticamente o tempo necessário para criar novas variedades e fixar características desejáveis em plantas que produzem seus próprios clones. "A redução de custos poderia ser enorme" para essas empresas, diz Koltunow.
A produção de sementes clonais prontas para o mercado está ao alcance de algumas espécies, incluindo o arroz, um grão básico que alimenta mais da metade da população mundial. Nos últimos anos, houve um aumento nos pedidos de patentes para variedades de plantas cultivadas apomíticas. No entanto, pesquisadores afirmam que alguns obstáculos importantes permanecem antes que esses avanços possam realmente se consolidar. "Agora que o conceito está funcionando, precisamos refinar as coisas", diz Venkatesan Sundaresan, biólogo reprodutivo de plantas da Universidade da Califórnia, Davis.
Estabelecendo o Vigor
O advento das sementes assexuadas para o cultivo de culturas agrícolas pode transformar grande parte da agricultura, especialmente a produção de sementes híbridas. Para algumas das principais culturas do mundo, como milho, arroz e tomate, os agricultores plantam sementes híbridas há gerações.
Quando duas variedades parentais são cruzadas por meio da reprodução sexuada, os descendentes híbridos resultantes frequentemente superam seus pais, um fenômeno conhecido como vigor híbrido. Entre 1930 e meados da década de 1990, a produção de milho nos Estados Unidos aumentou sete vezes, em parte porque os agricultores adotaram a prática de plantar sementes híbridas para produzir fileiras e fileiras de plantas uniformemente robustas.
No entanto, criar híbridos é trabalhoso, demorado e caro, e as sementes híbridas precisam ser criadas — e compradas — novamente a cada ano. Isso ocorre porque, se os híbridos puderem se autopolinizar, eles produzirão uma safra heterogênea de plantas de qualidade variável, resultado da reprodução sexuada que mistura e combina os genes da planta para criar novas combinações.
Com a apomixia, o vigor híbrido seria "fixado", pois os híbridos se clonariam, proporcionando aos melhoristas — e agricultores — um suprimento infinito de plantas idênticas e de alta qualidade. Isso também poderia contribuir para a produção de culturas como trigo e soja, para as quais os híbridos se mostraram muito difíceis de produzir. A apomixia permitiria o desenvolvimento de variedades de elite dessas culturas, nas quais as características são fixadas de uma geração para a outra.
Na década de 1940, pesquisadores descobriram que a apomixia tinha uma base genética. Mas foi somente na década de 1990 que Koltunow e outros reconheceram que essa característica não elimina a reprodução sexuada. Em vez disso, é "uma espécie de via sexual alterada", diz Ueli Grossniklaus, geneticista de plantas da Universidade de Zurique, na Suíça. Essa via requer duas inovações: as divisões celulares devem ser interrompidas durante a formação de óvulos e espermatozoides; e o embrião deve se formar independentemente da fertilização. A equipe de Grossniklaus conduziu vários experimentos nos quais deliberadamente mutaram plantas para verificar se algum mutante exibia essas alterações.
Foi somente em 2009 que os pesquisadores conseguiram interromper com sucesso o processo de divisão celular sexuada, conhecido como meiose, para imitar o que ocorre em plantas apomíticas naturais. Raphael Mercier, geneticista de plantas que trabalhava no Instituto Nacional de Pesquisa Agrícola em Versalhes, França, tentava entender como a mitose — o processo simples pelo qual uma célula se divide em duas células idênticas — evoluiu para a meiose, um processo celular mais complexo, um componente-chave da reprodução sexuada. A meiose envolve duas divisões celulares em vez de uma, e os óvulos e espermatozoides resultantes contêm metade do número usual de cromossomos, de modo que, quando se combinam durante a fertilização, o conjunto completo de cromossomos é restaurado.
Usando Arabidopsis thaliana, um pequeno parente do repolho que se tornou o carro-chefe dos laboratórios de genética de plantas, Mercier identificou um gene envolvido em uma das três inovações cruciais que transformaram a mitose em meiose durante a evolução. Ele então alterou esse gene, juntamente com genes cruciais para os outros dois pilares da meiose, para ver se a meiose poderia ser transformada novamente em mitose.
"Funcionou exatamente como esperado", diz Mercier, que agora trabalha no Instituto Max Planck de Pesquisa em Melhoramento de Plantas em Colônia, Alemanha. Nas flores do mutante triplo resultante — denominado MiMe, que significa mitose em vez de meiose —, os espermatozoides e os óvulos continham o mesmo conjunto de cromossomos que seus progenitores, tendo sido formados pela divisão celular mais simples da mitose, em vez da meiose mais complexa. Mercier afirma ter reconhecido imediatamente o potencial do MiMe para a engenharia da apomixia em plantas. Ele e seus colegas realizaram o acompanhamento com o arroz MiMe em 2016 e o tomate MiMe em 2024. As plantas conseguiam se reproduzir, mas como os óvulos e os espermatozoides continham o dobro de cromossomos do normal, a prole também recebia uma dose dupla de cromossomos, levando à diminuição da fertilidade a cada geração. Foi um passo na direção certa, mas apenas metade do quebra-cabeça da apomixia.
Grossniklaus e sua equipe descobriram uma alternativa ao MiMe no milho. Uma análise de 60.000 mutantes revelou um único gene, chamado não redutor em female4 (nrf4), que, quando alterado, faz com que aproximadamente um terço dos óvulos se formem por mitose em vez de meiose. Este trabalho, que inclui a formação da primeira semente clonal em uma espécie de cultivo usando o mutante nrf4, é protegido por uma patente.
Nascimento Virginal
O segundo componente essencial da apomixia é a partenogênese, pela qual um embrião se forma diretamente a partir de um óvulo não fertilizado, sem a necessidade de um macho. Em 2006, Peggy Ozias-Akins, geneticista molecular da Universidade da Geórgia em Tifton, e seus colegas se concentraram na grama-de-fonte (Cenchrus squamulatus), uma espécie apomítica que ocorre naturalmente e que parecia uma boa candidata a conter um gene de apomixia. O gene que eles identificaram era semelhante ao gene BABY BOOM, que pode desencadear a formação espontânea de embriões em tecido vegetal. No entanto, o grupo de Ozias-Akins levou quase uma década para confirmar sua intuição sobre o papel do gene na apomixia. Eles introduziram o gene da grama-de-fonte no milheto perolado (Pennisetum glaucum), que se reproduz sexuadamente, e descobriram que os embriões se desenvolveram espontaneamente sem fertilização. "Foi muito emocionante", diz Ozias-Akins.
Enquanto isso, Sundaresan se concentrava no gene BABY BOOM de uma perspectiva completamente diferente. "Na verdade, meu laboratório não estava trabalhando em apomixia", explica ele. Em vez disso, seu grupo procurava genes ativos durante a transição crucial de um óvulo não fertilizado para um fertilizado, que pode se tornar um embrião.
Trabalhando com arroz, a equipe de Sundaresan extraiu RNA (o produto da leitura dos genes ativos) de óvulos individuais nas horas imediatamente após a polinização. Eles descobriram que o RNA para o gene BABY BOOM era abundante. O grupo de Sundaresan demonstrou que o BABY BOOM agia como um gatilho para a embriogênese, com a cópia ativa do gene sendo transferida para o óvulo pelo espermatozoide. Sundaresan e seu colega Imtiyaz Khanday, agrônomo da Universidade da Califórnia, Davis, posteriormente demonstraram que o espermatozoide não era necessário. Eles inseriram uma cópia do gene BABY BOOM com instruções para ativação no óvulo, onde sua própria cópia do gene foi silenciada. Com essa técnica, a equipe iniciou a embriogênese.
Após Sundaresan tomar conhecimento do trabalho com o arroz MiMe em 2016, ele contatou Mercier para colaborar na combinação de MiMe e BABY BOOM. Eles editaram os genes MiMe em arroz contendo BABY BOOM ativo no óvulo. Dessa forma, alcançaram o objetivo há muito almejado neste campo: uma planta apomítica que propaga clones de si mesma. Embora a eficiência tenha sido baixa (apenas 10 a 30% das sementes eram clonais), o trabalho forneceu uma prova de conceito para a combinação dos dois elementos essenciais da apomixia em uma espécie de cultivo valiosa.
Em 2022, Sundaresan, Khanday, Mercier e outros testaram o que um dia poderia se tornar o padrão: a criação de sementes clonais em uma única etapa para estabelecer o vigor de um híbrido. Eles editaram simultaneamente três genes para criar o sistema MiMe e introduziram uma cópia do BABY BOOM que seria ativada no óvulo. As sementes clonais resultantes não apenas demonstraram que o procedimento de uma etapa funcionou, como também aumentaram sua eficiência. Em alguns casos, mais de 95% das sementes férteis eram clones do híbrido. No entanto, nem todas as sementes eram férteis. Os apomíticos produziram de 20% a 40% menos sementes férteis do que o híbrido.
Tal redução poderia anular todos os benefícios da apomixia sintética, afirma Mercier. "Isso precisa ser muito, muito eficiente", conclui.
Em 2024, uma equipe de pesquisadores na China atingiu esse objetivo: aumentou a fertilidade para um nível comparável ao do híbrido no arroz apomítico, adicionando uma sequência que potencializa a atividade do BABY BOOM10. "No arroz, na minha opinião, é uma tecnologia pronta para comercialização", afirma Khanday.
Expandindo as Ferramentas
Apesar do rápido progresso no arroz, os esforços para produzir sementes clonais em espécies não herbáceas, incluindo importantes hortaliças e oleaginosas, têm tido menos sucesso. Esta é uma das razões pelas quais os cientistas estão trabalhando para expandir as ferramentas da apomixia sintética, substituindo os três genes MiMe originais por outros e substituindo o BABY BOOM por gatilhos alternativos de embriogênese.
Em 2022, Charles Underwood, geneticista de plantas da Universidade Radboud em Nijmegen, Holanda, e seus colegas identificaram um gatilho de embriogênese no dente-de-leão comum (Taraxacum officinale). O gene PARTHENOGENESIS (PAR) não se parece em nada com o BABY BOOM, mas pode induzir a formação de óvulos de alface, estruturas semelhantes a embriões — embora sem sementes totalmente formadas — sem fertilização. Ele também funciona no arroz, uma planta não relacionada ao dente-de-leão, cujo genoma não contém um gene equivalente. Quando combinado com o MiMe, o resultado são sementes clonais.
Pode haver mais genes apomíticos. Charity Goeckeritz, geneticista de plantas do Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia em Huntsville, Alabama, vem investigando a vasta coleção de variedades de maçã, tanto selvagens quanto domesticadas, mantida pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos para identificar o gene que torna algumas variedades apomíticas. Até agora, ela restringiu sua busca a uma região que cobre menos de 3% do genoma da maçã. "Espero ter excelentes candidatas em menos de um ano", diz ela. Ela também está procurando genes de apomixia em amoras-pretas.
Apesar dos avanços em laboratório, poucos apomíticos sintéticos chegaram ao campo, além do teste de campo planejado por Koltunow com sorgo apomítico. E ninguém superou com sucesso os obstáculos regulatórios para comercializar a tecnologia, mas isso pode estar próximo, de acordo com pesquisadores. Mesmo para variedades padrão ou híbridos, os melhoristas vegetais normalmente realizam testes de campo ao longo de três ou mais safras e em vários locais antes da comercialização, diz Koltunow. No caso de um apomítico de arroz híbrido com MiMe e PAR, pesquisadores na China descobriram que ele se compara bem aos seus progenitores híbridos.
À medida que os apomíticos sintéticos se aproximam da competitividade com os híbridos convencionais, surgem questões significativas sobre como os reguladores — e os consumidores — perceberão essa tecnologia. Mercier afirma que as grandes empresas multinacionais de sementes estão em melhor posição para forçar uma tecnologia, especialmente uma que envolva uma cultura alimentar geneticamente modificada, a passar por um processo de aprovação dispendioso.
Muitos pesquisadores que trabalham com apomíticos sintéticos estão otimistas quanto a um futuro promissor para a apomixia, que beneficiará agricultores com menos recursos para arcar com novas tecnologias. Um lugar onde as culturas apomíticas poderiam entrar no mercado é a África Subsaariana, diz Koltunow, que observa que o feijão-caupi geneticamente modificado e resistente a pragas já está sendo cultivado na Nigéria e em Gana. Culturas híbridas de alto rendimento são proibitivamente caras em muitas regiões agrícolas do mundo, mas a apomixia poderia permitir que agricultores de baixa renda cultivassem híbridos pela primeira vez.
Essa tecnologia poderia aumentar drasticamente o número e a diversidade de híbridos disponíveis, diz Mercier. Na prática, isso poderia significar que as sementes híbridas poderiam ser adaptadas às necessidades das condições climáticas locais em países de baixa e alta renda.
Ele compara isso à invenção da prensa mecanizada por Gutenberg no século XV. "A diversidade surgiu repentinamente de um ou dois livros", diz Mercier. E se as culturas apomíticas forem bem-sucedidas, diz ele, isso poderia levar a uma explosão semelhante de híbridos que poderiam estar disponíveis para agricultores em todo o mundo.
