Culturas Evoluídas por Troca de Módulos Genéticos Entre Células

A comparação do sequenciamento de células únicas em culturas de cereais fornece pistas sobre características agrícolas críticas para a adaptação de plantas às mudanças climáticas

A comparação de células individuais entre milho, sorgo e painço revela diferenças evolutivas entre essas importantes culturas de cereais, de acordo com um novo estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Nova York.

As descobertas, publicadas na Nature, aproximam os pesquisadores de identificar quais genes controlam características agrícolas importantes, como a tolerância à seca, o que ajudará os cientistas que enfrentam um clima em mudança a adaptar as colheitas a ambientes mais secos.

Milho, sorgo e painço fornecem alimentos para humanos e animais em todo o mundo. O milho e o sorgo são parentes antigos que evoluíram em duas espécies diferentes há cerca de 12 milhões de anos, e o painço é um parente mais distante.

Apesar de sua ancestralidade compartilhada, as culturas têm diferenças substanciais em características importantes - por exemplo, o sorgo é muito mais tolerante à seca do que o milho, e as plantas liberam substâncias pegajosas únicas de suas raízes para moldar como elas interagem com o solo circundante. Essas diferenças podem ser rastreadas até o milho passando por uma duplicação do genoma inteiro após sua separação do sorgo.

"A importância dessas culturas, sua proximidade evolutiva e suas diferenças funcionais apresentam uma excelente oportunidade para comparar padrões de expressão gênica no nível celular", disse Bruno Guillotin, associado de pós-doutorado no Departamento de Biologia da NYU e primeiro autor do estudo. "Embora essas três culturas sejam semelhantes, a forma como diferem umas das outras é importante porque têm características que podemos querer transferir de uma para a outra, como a tolerância à seca."

Os pesquisadores conduziram o perfil de mRNA de célula única das raízes de milho, sorgo e painço, dissecando as raízes para observar as células individualmente e observando precisamente onde os genes são expressos em uma célula específica. Eles então compararam as mesmas células especializadas nas três culturas.

"As raízes são a primeira linha de defesa contra a seca e o calor. Você pode pensar na raiz como uma máquina com muitas partes funcionais - neste caso, tipos de células - portanto, saber como a máquina funciona para coletar água e lidar com a seca e o calor é realmente importante", disse Kenneth Birnbaum, professor do Departamento de Biologia e Centro de Genômica e Biologia de Sistemas da NYU e autor sênior do estudo. "Comparar as diferentes espécies nos ajuda a separar quais genes levam a características agrícolas importantes".

Ao examinar como as células evoluíram e divergiram nas diferentes espécies, os pesquisadores identificaram várias tendências que apontam para "consertos" - ou o rearranjo de elementos existentes - das células ao longo do tempo. Primeiro, eles observaram que as células frequentemente trocam módulos de expressão gênica, ou grupos de 10 ou 50 genes com funções coordenadas, entre os tipos de células ao longo da evolução.

"Essa troca de módulos genéticos foi mostrada em sistemas animais, mas os dados que geramos são a primeira vez que isso foi ilustrado em grande escala em plantas", acrescentou Birnbaum.

Essa troca de módulos foi demonstrada em uma descoberta sobre o lodo de raiz – a substância pegajosa cheia de nutrientes que as raízes emitem no solo. O lodo é útil para lubrificar o solo para que as raízes possam passar e atrair bactérias benéficas que protegem a planta ou fornecem nutrientes difíceis de obter.

Os pesquisadores descobriram que os genes que ajudam a produzir lodo de raiz estavam localizados em diferentes partes do milho, sorgo e raiz de milheto. No sorgo, os genes do lodo foram encontrados no tecido externo da raiz, enquanto no milho eles foram trocados por um novo tipo de célula na coifa, uma mudança evolutiva que pode permitir que o milho atraia bactérias que ajudam a planta a obter nitrogênio. Eles também identificaram outros reguladores de genes que foram trocados em diferentes tipos de células, dependendo da cultura, fornecendo aos pesquisadores os principais candidatos para testar genes que transmitem características específicas.

Além disso, os pesquisadores descobriram que toda a duplicação do genoma no milho após sua separação do sorgo há 12 milhões de anos afetou tipos específicos de células, permitindo que as células do milho se especializassem rapidamente. Eles também observaram que certos tipos de células agiam como doadores de novos genes, enquanto outros pareciam coletar novas duplicatas de genes, o que pode sugerir que a duplicação de genes acelerou a evolução de certas células.