Pesquisadores decifram o complexo código genético da cana-de-açúcar
Uma equipe internacional de cientistas concluiu um genoma de referência altamente preciso para uma das culturas modernas mais importantes e encontrou um raro exemplo de como os genes conferem resistência às doenças nas plantas. A exploração do código genético da cana-de-açúcar poderia ajudar os pesquisadores a desenvolver cultivares mais resilientes e produtivas, com implicações tanto para a produção de açúcar como de biocombustíveis.
Pontos chave
- Até agora, a complicada genética da cana-de-açúcar fez dela a última grande cultura sem um genoma completo e altamente preciso. - Os pesquisadores combinaram diversas técnicas para mapear com sucesso o DNA da cana-de-açúcar e identificar áreas-chave, incluindo diversas relacionadas à produção e transporte de açúcar, bem como à resistência a doenças como a ferrugem marrom.
- O genoma de referência da cana-de-açúcar poderia ser usado para ajudar a criar cultivares mais resilientes ou aumentar a produção de açúcar, com aplicações na agricultura e na bioenergia.
Até agora, a complicada genética da cana-de-açúcar fez dela a última grande cultura sem um genoma completo e altamente preciso. Os cientistas desenvolveram e combinaram múltiplas técnicas para mapear com sucesso o código genético da cana-de-açúcar. Com esse mapa, eles conseguiram verificar o local específico que oferece resistência à chocante doença da ferrugem marrom que, se não for controlada, pode devastar uma lavoura de cana-de-açúcar. Os pesquisadores também podem usar o sequenciamento genético para compreender melhor os muitos genes envolvidos na produção de açúcar.
A pesquisa foi conduzida como parte do Programa de Ciências Comunitárias do Joint Genome Institute (JGI) do Departamento de Energia dos EUA, uma instalação do usuário do DOE “Office of Science no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley” (Berkeley Lab). O estudo foi publicado hoje em 27 de março de 2024 na revista Nature e o genoma está disponível no portal de plantas JGI, Phytozome.
“Esta foi a sequência do genoma mais complicada que concluímos até agora”, disse Jeremy Schmutz, líder do Programa JGI Plant e pesquisador do Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia. “Isso mostra o quão longe chegamos. Este é o tipo de coisa que há 10 anos as pessoas pensavam ser impossível. “Agora podemos atingir metas que simplesmente não acreditávamos serem possíveis na genômica de plantas”.
O genoma da cana-de-açúcar é tão complexo porque é grande e contém mais cópias de cromossomos do que uma planta típica, característica chamada poliploidia. A cana-de-açúcar tem cerca de 10 bilhões de pares de bases, os blocos de construção do DNA, para efeito de comparação, do genoma humano é de cerca de 3 bilhões. Muitas seções do DNA da cana-de-açúcar são idênticas dentro e entre diferentes cromossomos. Isso torna um desafio remontar corretamente todos os pequenos segmentos de DNA enquanto se reconstrói todo o modelo genético. Os pesquisadores resolveram o quebra-cabeça combinando múltiplas técnicas de sequenciamento genético, incluindo um método recém-desenvolvido conhecido como sequenciamento PacBio HiFi, que pode determinar com precisão a sequência de seções mais longas de DNA.
Ter um “genoma de referência” completo facilita o estudo da cana-de-açúcar, permitindo aos pesquisadores comparar seus genes e caminhos com os de outras culturas bem estudadas, como o sorgo, ou outras culturas de interesse para biocombustíveis, como a gramínea e o miscanthus. Ao comparar esta referência com outras culturas, é mais fácil compreender como cada gene influencia uma característica de interesse, como quais genes são altamente expressos durante a produção de açúcar ou quais genes são importantes para a resistência a doenças. Este estudo descobriu que os genes responsáveis pela resistência à ferrugem marrom, um patógeno fúngico que anteriormente causou milhões de dólares em danos às plantações de cana-de-açúcar, estão localizados em um único local do genoma.
“Quando sequenciamos o genoma, conseguimos preencher uma lacuna na sequência genética em torno da doença da ferrugem marrom”, disse Adam Healey, primeiro autor do artigo e pesquisador do HudsonAlpha. “Existem centenas de milhares de genes no genoma da cana, mas são apenas dois genes, trabalhando juntos, que protegem a planta desse patógeno. Em todas as fábricas, conhecemos apenas alguns casos em que a proteção funciona de forma semelhante. “Uma melhor compreensão de como funciona a resistência a esta doença na cana-de-açúcar poderia ajudar a proteger outras culturas que enfrentam patógenos semelhantes no futuro.”
genomacanaazucar SITE.jpg198.86 KB *Esta imagem mostra um mapa de ordem genética (criado com GENESPACE) que compara conjuntos de genomas entre espécies de plantas relacionadas. As linhas brancas horizontais representam cromossomos, e as tranças coloridas que os ligam mostram blocos de genes conservados. Isso permite que os pesquisadores rastreiem genes conservados de interesse de culturas bem pesquisadas (como o Sorghum bicolor; um tipo específico de sorgo) em genomas mais complexos, como a cana-de-açúcar selvagem e a cultivar R570, para entender melhor sua função. Em contraste, a montagem monoplóide de R570 acima é fornecida na linha superior, onde múltiplas cópias de cromossomos no genoma foram representadas como uma única montagem em mosaico. (Crédito: Adam Healey e John Lovell/HudsonAlpha)
Os pesquisadores estudaram uma cultivar de cana-de-açúcar conhecida como R570, usada há décadas em todo o mundo como modelo para o entendimento da genética da cana-de-açúcar. Como todas as cultivares modernas de cana-de-açúcar, a R570 é um híbrido obtido pelo cruzamento de uma espécie de cana domesticada (que se destacou na produção de açúcar) e uma espécie silvestre (que carregava genes de resistência a doenças).
“Conhecer o quadro genético completo do R570 permitirá aos pesquisadores rastrear quais genes descendem de cada progenitor, permitindo que os melhoristas identifiquem mais facilmente os genes que controlam as características de interesse para uma melhor produção”, disse Angélique D'Hont, última autora do artigo e especialista em cana-de-açúcar do Centro Francês de Pesquisa Agrícola para o Desenvolvimento Internacional (CIRAD).
Melhorar futuras variedades de cana-de-açúcar tem aplicações potenciais tanto na agricultura como na bioenergia. Melhorar a forma como a cana-de-açúcar produz açúcar poderia aumentar o rendimento que os agricultores obtêm das suas colheitas, proporcionando mais açúcar com a mesma quantidade de espaço de cultivo. A cana-de-açúcar é uma importante matéria-prima, para a produção de biocombustíveis, principalmente etanol, e outros bioprodutos. O resíduo deixado após a prensagem da cana-de-açúcar, conhecido como bagaço, é um importante tipo de resíduo agrícola que também pode ser decomposto e convertido em biocombustíveis e bioprodutos.
“Estamos trabalhando para entender como genes específicos em plantas se relacionam com a qualidade da biomassa que obtemos, que podemos então converter em biocombustíveis e bioprodutos”, disse Blake Simmons, diretor de ciência e tecnologia do Joint BioEnergy Institute, um DOE Center. of Bioenergy Research liderado pelo Berkeley Lab. "Com uma melhor compreensão da genética da cana-de-açúcar, podemos entender e controlar melhor os genótipos de plantas necessários para produzir os açúcares e intermediários derivados do bagaço que precisamos para a conversão sustentável da cana-de-açúcar em uma escala relevante para a bioeconomia”.
Este estudo envolveu colaborações com institutos de todo o mundo, incluindo França (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); Austrália (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture – University of Queensland, Sugar Research Australia); República Checa (Instituto de Botânica Experimental da Academia Checa de Ciências); e os Estados Unidos (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). O genoma foi sequenciado no JGI e o trabalho foi concluído nos laboratórios parceiros do JGI, o Arizona Genomics Institute e o HudsonAlpha Institute for Biotechnology.
O Joint Genome Institute é uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia. O Joint BioEnergy Institute é um centro de pesquisa em bioenergia do DOE.
*Esta notícia foi publicada pela ChileBio e pode ser acessada em seu idioma original através de: https://www.chilebio.cl/2024/04/02/dulce-exito-investigadores-descifran-el-complejo-codigo-genetico-de-la-cana-de-azucar/
