Cientistas do Centro de Inovação em Cultivos e Alimentos participaram de um projeto de pesquisa inovador, que comprovou o conceito de como estratégias de melhoramento guiadas pelo pangenoma podem reunir duas características que geralmente são conflitantes: a tolerância ao estresse e a produtividade.

   Em um novo estudo publicado na  revista Cell , a equipe internacional de pesquisa, liderada pela Academia Chinesa de Ciências Agrícolas e abrangendo 22 instituições de pesquisa em 10 países, demonstrou que a construção de um pangenoma permite aos melhoristas identificar e reintroduzir genes benéficos e variantes estruturais de DNA que foram perdidos quando as culturas foram domesticadas pela primeira vez.

   Como prova de conceito, eles produziram uma linhagem candidata de trigo-sarraceno-tártaro que inclui alelos benéficos de espécies selvagens e variedades locais que resistem ao estresse da altitude e produzem sementes maiores.

   Em geral, o melhoramento assistido por genômica depende fortemente de polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) medidos em relação a um único genoma de referência. Essa abordagem é amplamente indiferente à variação estrutural, que pode ter grandes efeitos sobre as características. Como a domesticação tendeu a descartar genes úteis apenas nos ambientes mais selvagens, muitas variantes benéficas sobrevivem hoje apenas em parentes silvestres da cultura.

   No estudo, a equipe montou um pangenoma baseado em grafos a partir de 16 genomas e catalogou 123.131 variantes estruturais em toda a espécie. O pangenoma revelou um gene específico da espécie selvagem que aumenta a adaptabilidade a grandes altitudes e uma área genética específica que contribui para a variação no tamanho das sementes entre o trigo-sarraceno selvagem e as variedades crioulas. Aproveitando essas características superiores, eles desenvolveram linhagens de trigo-sarraceno com maior adaptabilidade a grandes altitudes e rendimentos aprimorados em diferentes locais de teste.

   Os autores descrevem o resultado como uma estratégia generalizável para integrar alelos benéficos, incluindo variantes de número de cópias, tanto de parentes silvestres quanto de variedades locais, a fim de acelerar o melhoramento de culturas de elite. Dado que todas as principais culturas possuem parentes silvestres e variedades locais que apresentam variações que as abordagens de referência única não consideram, os pesquisadores argumentam que o método é aplicável muito além da cultura testada.

   Em um comunicado, o diretor do CCFI e coautor correspondente do estudo, Professor Rajeev Varshney FRS FAA, explicou:

   “A maioria dos métodos modernos de melhoramento genético compara o genoma de uma cultura com uma única referência, o que é como julgar um idioma por um único dicionário. Um pangenoma captura todo o vocabulário, incluindo as palavras que uma cultura perdeu ao longo do tempo. E é aí que se esconde grande parte da genética útil para a resiliência.”

   “Resiliência e produtividade geralmente são inversamente proporcionais, ou seja, ao aumentar uma, perde-se a outra. O que o pangenoma nos permite fazer é identificar os segmentos de DNA específicos subjacentes a cada característica e combiná-los deliberadamente. Esse é um modelo que outros programas de melhoramento genético podem seguir”, disse ele.

   A equipe escolheu o trigo-sarraceno-tártaro ( Fagopyrum tataricum ), um grão resistente e rico em nutrientes, nativo do Himalaia e importante para a segurança alimentar em comunidades de alta altitude, porque seus parentes selvagens sobrevivem a condições, incluindo intensa radiação UV-B e frio, que a maioria das culturas não consegue suportar.

   Em seguida, eles construíram um genoma de referência sem lacunas (de telômero a telômero), integraram dados genéticos de 994 acessos em 15 países e montaram um pangenoma de 16 genomas abrangendo populações selvagens do Himalaia e variedades locais distribuídas globalmente.

   O pangenoma revelou um gene,  FtRNH , presente em plantas selvagens de alta altitude, mas ausente em todas as variedades cultivadas, que auxilia as plantas a reparar danos no DNA induzidos por raios UV-B. Também identificou um segundo lócus, FtPLATZ, onde cópias extras do gene e uma pequena inserção de promotor estão ligadas a sementes maiores. Cruzando essas variantes e utilizando seleção assistida por marcadores, a equipe produziu uma linhagem candidata híbrida, portadora tanto do gene de adaptação ao estresse da espécie selvagem quanto das variantes de sementes grandes. Em testes de campo em alta altitude, essa linhagem apresentou melhor crescimento e rendimento significativamente maior do que a variedade padrão, além de produzir sementes maiores.

   O vice-reitor adjunto de Pesquisa e Inovação da Universidade Murdoch, Professor Peter Eastwood, disse:

   “Este é um estudo marcante que demonstra como estratégias de melhoramento genético baseadas em dados podem ser aplicadas a importantes programas de melhoramento de culturas básicas para fornecer variedades adaptadas a condições de cultivo específicas. O mais importante é a aplicabilidade dessa abordagem a culturas cultivadas em regiões onde a pressão sobre a segurança alimentar é maior, e espero ver essa estratégia aplicada em outros projetos liderados pelo CCFI na Austrália e no exterior. Meus parabéns a todos os autores por esta importante pesquisa.”

   O Pró-Reitor da Universidade Murdoch, Professor Peter Davies, acrescentou:

    “Os pesquisadores do CCFI continuam a liderar o caminho para pesquisas genômicas que melhoram a rentabilidade dos produtores e a segurança alimentar. Mas, mais do que isso, é fantástico ver a equipe ir além da disponibilização de recursos genômicos e estabelecer uma estratégia de melhoramento genético replicável e baseada em evidências que os melhoristas podem adotar.”