Uma confluência única de arqueologia, genética molecular e serendipidade guiou uma colaboração de pesquisadores mexicanos e da Penn State para uma compreensão mais profunda de como o milho moderno foi domesticado a partir do teosinto, uma gramínea perene nativa do México e da América Central, há mais de 5.000 anos.

   Há muito interesse em como os antigos agricultores transformaram o teosinto de gramínea selvagem no milho moderno, uma das culturas mais importantes e bem-sucedidas da Terra, de acordo com o líder da equipe Jonathan Lynch, distinto professor de nutrição de plantas. Por décadas, seu grupo de pesquisa na Faculdade de Ciências Agrárias vem descobrindo como as raízes desempenham um papel crítico no desenvolvimento e na sobrevivência das plantas.

   “O milho não é exceção, e acontece que os primeiros produtores – provavelmente sem saber – selecionaram as características das raízes que apoiaram o aumento do desenvolvimento de sementes e espigas”, disse ele. “E embora seja inerentemente interessante aprender como o milho evoluiu de seu ancestral selvagem para o que conhecemos hoje, o que aprendemos sobre como a planta mudou para lidar com a seca e os solos duros pode ajudar os melhoristas vegetais amanhã.”

   Liderados por Ivan Lopez-Valdivia, inicialmente um estudante de pós-graduação em LANGEBIO no México e agora um estudante de doutorado no laboratório de Lynch, os pesquisadores examinaram dois antigos caules de raízes encontrados na caverna de San Marcos no Vale de Tehuacán, no México, para entender as mudanças que aconteceram no subsolo durante domesticação. Eles usaram tomografia de ablação a laser - uma plataforma de fenotipagem de alta resolução que combina óptica a laser e imagens em série com reconstrução e quantificação de imagens 3D - para entender a anatomia das plantas.

   Muitas vezes referida como LAT, a tecnologia foi desenvolvida há uma década pelo grupo de pesquisa de Lynch, incluindo o ex-aluno Ben Hall, que criou uma empresa com foco nessa técnica. Neste estudo, o LAT foi usado para reconstruir a estrutura tridimensional da raiz e a anatomia interna de dois espécimes antigos de raízes de milho, datados entre 4.956 e 5.280 anos atrás.

   Em descobertas publicadas no “Proceedings of the National Academy of Sciences”, os pesquisadores relataram que as células corticais externas das raízes apresentavam paredes espessas semelhantes às encontradas nas plantas de milho de hoje adaptadas ao solo duro. Mas, ao contrário do milho moderno, os dois espécimes não tinham raízes seminais. As raízes seminais, que fornecem água e nutrientes adicionais às mudas de milho, não estão presentes no teosinto.

   Os pesquisadores então analisaram o DNA de um terceiro espécime com aproximadamente a mesma idade e encontraram mutações em dois genes que contribuem para as raízes seminais do milho moderno. Esses primeiros espécimes de milho se assemelham mais ao teosinto em sua adaptação à seca.

   Os resultados indicam que algumas características relacionadas à adaptação à seca não estavam totalmente presentes no milho mais antigo de Tehuacán, fornecendo informações sobre as condições prevalecentes durante o cultivo de milho precoce na região, observou Lopez-Valdivia.

   A história por trás da pesquisa é quase tão interessante quanto o próprio trabalho. Tudo começou quando Lynch fez uma apresentação convidada sobre sua pesquisa de raízes no Laboratório Nacional de Genômica para a Biodiversidade – também conhecido como LANGEBIO, CINVESTAV – localizado em Irapuato, Guanajuato, México. Após a apresentação, ele conversou com um biólogo molecular daquela instituição que foi orientador de Lopez-Valdivia durante a busca do mestrado em biotecnologia vegetal.

   “Nós estávamos falando sobre as coisas legais que ele fez com raízes de milho antigas que foram preservadas nessas cavernas muito secas, e eu nem sabia sobre elas”, lembrou Lynch. “Decidimos analisar a anatomia e a arquitetura dessas amostras de raízes antigas para ver como elas mudaram ao longo do tempo com a domesticação do milho. Então, essa foi a origem. Ivan começou este trabalho no México e terminou na Penn State como estudante.”

   Lopez-Valdivia continua a pesquisa com sua tese de doutorado, que se concentrará em como as raízes de milho em evolução se adaptam ao ambiente por meio de sua evolução. Ele aprecia como seu trabalho inesperadamente passou da biotecnologia vegetal para a fenômica e a modelagem de simulação – movendo-se de um país para outro.

   “Para fornecer um pouco de contexto sobre as cavernas de Tehuacán, no México, o arqueólogo americano Richard MacNeish tentou encontrar nelas os restos mais antigos de milho”, disse ele. “Seus esforços oferecem algumas pistas sobre a origem da agricultura na Mesoamérica. Nos anos 60, ele encontrou milhares de restos de espigas e apenas uma dúzia de raízes, com apenas um nó escutelar preservado – a estrutura delicada da qual as raízes seminais se desenvolvem.”

   Esses espécimes estão sendo armazenados no Instituto Nacional de Antropologia e História do México, acrescentou Lopez-Valdivia, e os pesquisadores acabaram coletando amostras deles para concluir seu estudo.

   Contribuindo para a pesquisa na Penn State estavam os estudantes de pós-graduação Alden Perkins, Hannah Schneider e James Burridge; e do México Jean-Philippe Vielle-Calzada, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis; Miguel Vallebueno Estrada, Grupo de Desenvolvimento Reprodutivo e Apomixis e Grupo de Interação Núcleo-Mitocondrial e Paleogenómica, Unidade de Genómica Avanzada, Laboratório Nacional de Genómica para a Biodiversidad; Eduardo González-Orozco, Grupo de Desenvolvimento Reprodutivo e Apomixis; Aurora Montufar, Instituto Nacional de Antropologia e História da Cidade do México; e Rafael Montiel, Grupo de Interação Núcleo-Mitocondrial e Paleogenómica, Unidade de Genómica Avançada, Laboratório Nacional de Genómica para a Biodiversidad.

   O Centro Nacional de Ciencia y Tecnología, também conhecido como CONACyT; o Instituto Nacional de Alimentação e Agricultura do Departamento de Agricultura dos EUA; a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia dos EUA; e o Instituto Nacional de Antropologia e História apoiou este trabalho.