Quando diferentes variedades de uma espécie vegetal são cruzadas entre si, seus descendentes híbridos são frequentemente mais robustos e crescem mais rapidamente do que seus pais. No entanto, na próxima geração, esse efeito desaparece novamente. Novos métodos tornam possível preservar as qualidades vantajosas desses tipos de plantas híbridas a longo prazo e projetar deliberadamente plantas com quatro conjuntos de cromossomos em vez de dois. 

   Estas técnicas podem facilitar o cultivo de culturas particularmente resistentes e de alto rendimento que poderiam alimentar uma população global crescente, mesmo em tempos de crise climática.

 

FOTO: Tomate com um conjunto quádruplo de cromossomos. Três desses cromossomos são derivados do tomate comum de jardim, Solanum lycopersicum, enquanto um se origina do tomate selvagem, Solanum pennellii. Uma nova técnica de melhoramento foi empregada para produzir sementes geneticamente idênticas a partir de plantas híbridas (Pesquisa de Melhoramento Vegetal / Yazhong Wang).
 

   Já em 1759, mais de cem anos antes do monge agostiniano austríaco Gregor Johann Mendel publicar seu trabalho sobre herança em ervilhas, os cientistas já estavam ponderando a questão de como as plantas transmitem suas características para seus descendentes. Foi durante aquele ano em São Petersburgo que uma competição foi realizada pela Academia Russa de Ciências. A tarefa definida era provar que as plantas também possuem sexo.

   O vencedor foi Joseph Gottlieb Kölreuter, filho de um farmacêutico de Sulz am Neckar. Kölreuter, que mais tarde se tornou professor de história natural em Karlsruhe, cruzou duas plantas de tabaco consanguíneas e, ao fazê-lo, notou que características específicas de cada progenitor estavam presentes na próxima geração após o cruzamento. Ele concluiu que elas foram transmitidas das plantas progenitoras em graus iguais. Além disso, as plantas da primeira geração do cruzamento pareciam as mesmas, sendo uma descoberta que Mendel também formulou em seu princípio de uniformidade. Mas o botânico também notou outra coisa: a prole prosperou mais do que seus pais.

   Assim, há mais de 250 anos, Kölreuter descobriu o chamado efeito heterose, também conhecido como vigor híbrido. Isso ocorre quando híbridos de primeira geração, que derivam de um cruzamento deliberado de duas variedades consanguíneas da mesma espécie ou de espécies intimamente relacionadas, são superiores aos seus pais em termos de vitalidade e crescimento. Como esse fenômeno ocorre ainda não foi esclarecido de forma conclusiva. Ainda assim, a agricultura moderna tem esse efeito a agradecer pelo cultivo de variedades híbridas de alto desempenho de milho, colza, arroz, centeio e muitas outras culturas.

   Externamente, as variedades de culturas híbridas crescem mais rápido e são mais robustas a estresses abióticos e bióticos do que seus parentes consanguíneos. O milho híbrido, por exemplo, produz 30% mais rendimentos. Mas há um problema: o efeito heterose não dura. O aumento de rendimento alcançado pelo cruzamento na primeira geração de descendentes é perdido na segunda. As plantas também perdem sua uniformidade externa. A razão para isso são os processos envolvidos na reprodução sexual: durante a divisão celular meiótica necessária para a formação de células germinativas, ou seja, óvulos e pólen. Logo que o material genético das células germinativas é misturado ou recombinado, nenhuma das plantas da próxima geração é exatamente como seus pais. Dessa forma, a meiose aumenta a diversidade genética em plantas e animais. Se, no entanto, os híbridos pudessem ser propagados assexuadamente, ou seja, clonados, por meio de sementes, eles poderiam passar seu material genético completo e, portanto, suas características vantajosas exatamente como são para a próxima geração. Isso reduziria enormemente os custos associados à produção de sementes híbridas e poderia levar ao desenvolvimento de muito mais variedades híbridas do que as disponíveis atualmente.

   Raphaël Mercier, chefe do Departamento de Biologia Cromossômica do Instituto Max Planck de Pesquisa em Melhoramento de Plantas, e Charles Underwood, Líder do Grupo de Pesquisa no departamento de Mercier, pretendem tornar isso possível. Os dois cientistas apresentam seu progresso na produção de sementes híbridas nas estufas do instituto, nas quais, além do agrião-de-thale - uma erva selvagem discreta sobre a qual os cientistas obtiveram insights fundamentais - também crescem cevada, batata e tomate. Para isso, eles devem garantir que duas pré-condições sejam atendidas: primeiro, todo o material genético da planta-mãe deve ser preservado no gameta feminino, o que só é possível se a divisão celular meiótica, onde os genes são misturados, não ocorrer como de costume e um óvulo clonal for produzido. Em seguida, a nova planta deve se desenvolver a partir da célula-ovo clonal sem fertilização por um gameta masculino, porque, sem meiose, o número de cromossomos não é reduzido pela metade. Então, se uma célula de pólen fertilizasse esse tipo de célula-ovo, ela teria muitos cromossomos. “Então, precisamos tirar dois obstáculos do caminho: meiose e fertilização. Somente dessa forma podemos produzir sementes que sejam geneticamente idênticas entre si e à planta-mãe. Com esse tipo de semente híbrida clonal, o estado híbrido pode ser estendido quase indefinidamente”, explica Mercier.

FOTO: Um broto de uma planta de tomate crescendo em um meio de cultura. Graças aos fatores de crescimento que ele contém, um pequeno pedaço de tecido pode se desenvolver em uma planta completa com vários metros de altura (Frank Vinken).
 

   Mercier começou suas investigações em 2009 no Instituto INRA Jean-Pierre Bourgin Versailles-Saclay na França. "Até hoje, quero descobrir quais genes estão envolvidos na divisão celular meiótica e no desenvolvimento de células-ovo e pólen. Em um nível fundamental, quero saber como esses processos funcionam." No agrião, ele identificou três genes que controlam processos importantes para a meiose e tornam a meiose diferente da mitose, quando uma célula se divide em duas células-filhas idênticas. Quando Mercier desativou esses três genes simultaneamente, a meiose reverteu para mitose, e as plantas formaram células germinativas clonais. O material genético dos óvulos e o número de cromossomos eram, portanto, idênticos aos da planta-mãe. Assim, Mercier descobriu um processo que contornava a meiose.

   Em 2016, Mercier e Emmanuel Guiderdoni do Centro Francês de Pesquisa Agrícola para o Desenvolvimento Internacional CIRAD aplicaram o processo, denominado “MiMe” (mitose em vez de meiose), ao arroz e, portanto, pela primeira vez a uma cultura. Junto com o milho e o trigo, o arroz é uma das culturas de cereais mais importantes do mundo e é um alimento básico para 90% da população mundial. Os três genes foram conservados durante a evolução e controlam a meiose tanto no agrião quanto no arroz. Descobriu-se que, sem esses genes, também se formou uma célula-ovo que era geneticamente idêntica à planta-mãe no arroz.

   Em 2019, Mercier e Venkatesan Sundaresan, da Universidade da Califórnia Davis, enfrentaram o segundo obstáculo: por meio da ativação do gene BBM1 no óvulo, que de outra forma só é ativo no pólen e no embrião, o desenvolvimento do embrião poderia ser desencadeado sem fertilização. O BBM1 é um fator de transcrição que desencadeia a embriogênese. Ele se torna ativo na célula resultante da fertilização do óvulo por uma célula de pólen. A viabilidade da reprodução clonal por meio de sementes foi, portanto, comprovada para uma planta cultivada. Mas o processo ainda não está pronto para ser colocado em prática. “Comparado ao arroz que se reproduz sexualmente, essas plantas ainda produzem 30% menos sementes. Isso é um problema, é claro, porque isso significa 30% menos rendimento em culturas para as quais as sementes são o que colhemos. Mas estou confiante de que isso pode ser resolvido em um futuro próximo.”

 

FOTO: Yazhong Wang, Charles Underwood e Raphaël Mercier (da esquerda para a direita) examinam uma planta de tomate super-híbrida que possui a informação genética completa de ambas as plantas progenitoras (Frank Vinken).
 

   Outra cultura com a qual os pesquisadores agora testaram a técnica “MiMe” é o tomate, a cultura vegetal número um do mundo. Entre outros tomates, os cientistas usaram tomates tâmara e vide em sua pesquisa – variedades híbridas que também estão disponíveis no supermercado. Além de estabelecer um sistema “MiMe”, Charles Underwood e sua equipe o aplicaram de outra maneira. Primeiro, eles estabeleceram “MiMe” em diferentes plantas híbridas de tomate para gerar células sexuais clonais. A fertilização de um óvulo clonal de uma planta por um espermatozoide clonal de outra levou a plantas contendo a informação genética completa de ambos os pais. Essa abordagem – denominada "design de genoma poliploide" – permitiu que Underwood e sua equipe projetassem plantas com um conjunto quádruplo de cromossomos em vez de um duplo. A poliploidia observada nessas plantas de tomate é semelhante à observada em muitas outras culturas cultivadas, como trigo, colza, banana e batata. A diferença aqui é que a poliploidia foi induzida pelo processo “MiMe”. "O resultado é uma espécie de super-híbrido", diz Underwood.

   Na foto, vemos o cientista em frente a uma estufa iluminada por LED cheia de plantas de tomate, apontando para a planta na frente à direita, que ostenta frutos particularmente grandes. “Esta planta tem um conjunto quádruplo de cromossomos, então carrega o material genético completo de ambas as plantas progenitoras. Até onde sabemos, esta foi a primeira vez que células sexuais clonais de dois progenitores diferentes se fundiram — em qualquer planta ou animal — para garantir a herança completa de ambos os progenitores.” Ao lado do “super-híbrido” está uma planta que produz frutos consideravelmente menores, mas é muito robusta. “Este é o resultado do cruzamento de um híbrido de tomate “MiMe” com um parente selvagem do tomate, Solanum pennellii. Esta aquisição selvagem vem de um local árido na América do Sul e é particularmente resistente ao calor, à seca e a solos salgados. Os genes para esta tolerância ao estresse agora também estão nesta planta híbrida”, diz Underwood. Isso também explica por que os frutos são menores: frutos grandes na verdade não ocorrem na natureza, mas são o resultado de milhares de anos de seleção artificial por humanos. Os tomates híbridos são parte de um esforço de Underwood e seus colegas para aproveitar o “MiMe” no desenvolvimento de novos sistemas de melhoramento que podem fazer uso total da tolerância ao estresse de parentes selvagens da cultura.

   Outro candidato para o método “MiMe” é a batata. Batatas e tomates podem parecer muito diferentes, mas as plantas em si são intimamente relacionadas. Ambas pertencem à família das solanáceas e, de fato, ao mesmo gênero. "Muitas das variedades atuais já são muito antigas — a variedade 'Russet Burbank', por exemplo, é cultivada nos EUA há mais de um século. Há uma necessidade iminente de acelerar o desenvolvimento de variedades de batata resistentes a doenças que possam tolerar os climas de verão cada vez mais variáveis, porque as batatas ainda são uma das nossas culturas mais importantes", diz Underwood.

   Um problema que surge no cultivo de batatas é a doença. O patógeno que causa a requeima da batata, por exemplo, danifica tanto as partes acima do solo da planta quanto os tubérculos subterrâneos. Se o patógeno atacar as plantas de batata durante a fase de crescimento, isso resulta em grandes perdas de rendimento. Na Irlanda, em meados do século XIX, a doença fúngica levou a uma fome devastadora. Assim como no tomate selvagem, o material genético de espécies de batata selvagem poderia tornar seus parentes domésticos mais resistentes. “A “MiMe” poderia nos permitir criar variedades mais resistentes à requeima da batata, mas que, de outra forma, teriam as características usuais das batatas. Isso poderia ajudar a reduzir a necessidade de pulverizar as plantas com agroquímicos.” Para Raphaël Mercier, as variedades de batata híbrida “MiMe” também têm um enorme potencial, em parte porque não são as sementes ou os frutos que são colhidos, mas sim os tubérculos que ficam sob o solo. “O fato de as batatas híbridas ”MiMe” não formarem tantas sementes não é, portanto, tão relevante quanto o arroz, já que isso não tem um impacto negativo no rendimento.”

FOTO: Raphaël Mercier, Charles Underwood e Yazhong Wang (da esquerda para a direita) inspecionam mudas na sala de cultura do Instituto Max Planck de Pesquisa em Melhoramento de Plantas em Cologne (Frank Vinken).
 

   No entanto, há uma barreira para a aplicação desta técnica, nomeadamente as rígidas regulamentações da UE relativas a culturas geneticamente modificadas. Estas restringem técnicas como “MiMe” que são baseadas na edição do genoma, ou seja, a alteração ou desativação direcionada de genes. “A UE deve seguir o exemplo dos EUA e da Grã-Bretanha e facilitar o cultivo de plantas editadas por genoma. Em última análise, precisamos tornar a futura produção de alimentos mais eficiente para que possamos alimentar uma crescente população global em tempos de eventos climáticos extremos mais frequentes. Aqui, os híbridos que são tornados mais produtivos e mais robustos com tesouras genéticas podem dar uma contribuição”, diz Mercier.

   Outros pesquisadores também estão, portanto, pedindo uma legislação modernizada de tecnologia genética na UE que leve em conta novas técnicas e descobertas, uma vez que a legislação existente tem agora mais de 20 anos. Uma proposta legislativa da Comissão Europeia que facilitaria a aprovação de plantas editadas por genoma foi aprovada pelo Parlamento Europeu no início do ano. Agora, os estados-membros da UE têm de concordar com uma versão final do texto para a legislação.

   Portanto, são os políticos que decidirão se esses tipos de plantas crescerão um dia nos campos da Europa. No final das contas, depende se os consumidores gostariam de ver produtos com genoma editado em seus pratos. Talvez essa decisão possa ser influenciada pelo fato de que a técnica “MiMe” não é tão antinatural quanto pode parecer à primeira vista. O dente-de-leão e outras plantas, como várias amoras e gramíneas, reproduzem-se na natureza inteiramente sem meiose feminina ou fertilização do óvulo. Claramente, os tapetes amarelos de dentes-de-leão que aparecem em nossos prados a cada primavera são evidências de quão bem esse modo de reprodução funciona.

   O cruzamento de duas variedades pode produzir plantas-filhas híbridas com características particularmente vantajosas, mas essas características são perdidas na geração seguinte.

   Com a técnica “MiMe”, plantas híbridas sem meiose podem formar células sexuais clonais. Células-ovo clonais podem ser usadas para desenvolver plantas clonais sem fertilização. O material genético dessas novas plantas é idêntico ao da planta-mãe, preservando o alto desempenho das plantas híbridas a longo prazo.

   A técnica “MiMe” também pode ser aplicada no design de genoma poliploide. Isso oferece uma rota para aumentar a diversidade genética dentro de uma única planta, por exemplo, projetando plantas com quatro conjuntos de cromossomos em vez de dois.