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Pesquisadores descobrem 'mina de ouro genética' subjacente à resiliência de plantas em ambientes de deserto extremo
O estudo foi uma colaboração internacional entre botânicos, microbiologistas, ecologistas, cientistas evolucionistas e genômicos.
Por New York University - 01/11/2021


A equipe de pesquisa chilena estabeleceu um “laboratório natural” incomparável no Deserto de Atacama, no norte do Chile, um dos ambientes mais secos e agressivos da Terra. Crédito: Melissa Aguilar

Uma equipe internacional de pesquisadores identificou genes associados à sobrevivência das plantas em um dos ambientes mais hostis da Terra: o Deserto de Atacama, no Chile. Suas descobertas, publicadas em Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), podem ajudar os cientistas a criar safras resistentes que podem prosperar em climas cada vez mais secos.

"Em uma era de mudança climática acelerada, é fundamental descobrir a base genética para melhorar a produção e a resiliência das safras sob condições secas e pobres em nutrientes", disse Gloria Coruzzi, Professora Carroll & Milton Petrie do Departamento da New York University (NYU) de Biologia e Centro de Genômica e Biologia de Sistemas, que coliderou o estudo com Rodrigo Gutiérrez.

O estudo foi uma colaboração internacional entre botânicos, microbiologistas, ecologistas, cientistas evolucionistas e genômicos. Essa combinação única de experiência permitiu à equipe identificar as plantas, micróbios associados e genes que permitem às plantas do Atacama se adaptarem e florescerem em condições extremas de deserto, o que poderia, em última instância, ajudar a aumentar o crescimento da safra e reduzir a insegurança alimentar.

“Nosso estudo de plantas no Deserto de Atacama é diretamente relevante para regiões do mundo que estão se tornando cada vez mais áridas, com fatores como secas, temperaturas extremas e sal na água e no solo que representam uma ameaça significativa para a produção global de alimentos”, disse Gutiérrez , professor do Departamento de Genética Molecular e Microbiologia da Pontificia Universidad Católica de Chile.

Estabelecendo um "laboratório natural" em um dos lugares mais secos da Terra

O Deserto de Atacama, no norte do Chile, imprensado entre o Oceano Pacífico e a Cordilheira dos Andes, é o lugar mais seco do planeta (excluindo os polos). No entanto, dezenas de plantas crescem lá, incluindo gramíneas, plantas anuais e arbustos perenes. Além da limitação de água, as plantas do Atacama precisam lidar com altitudes elevadas , baixa disponibilidade de nutrientes no solo e radiação solar extremamente alta.

A equipe de pesquisa chilena estabeleceu um "laboratório natural" incomparável no Deserto de Atacama durante um período de 10 anos, no qual coletou e caracterizou o clima, o solo e as plantas em 22 locais em diferentes áreas de vegetação e elevações (a cada 100 metros de altitude ) ao longo do Transecto Talabre-Lejía. Medindo uma variedade de fatores, eles registraram temperaturas que flutuaram mais de 50 graus do dia para a noite, níveis de radiação muito altos, solo que era em grande parte areia e carecia de nutrientes e chuva mínima, com a maioria das chuvas anuais caindo em alguns dias.
 
Usando genômica para explorar a evolução de plantas resilientes

Os pesquisadores chilenos trouxeram as amostras de planta e solo - preservadas em nitrogênio líquido - 1.600 quilômetros de volta ao laboratório para sequenciar os genes expressos nas 32 espécies de plantas dominantes no Atacama e avaliar os micróbios do solo associados às plantas com base em sequências de DNA. Eles descobriram que algumas espécies de plantas desenvolveram bactérias promotoras de crescimento perto de suas raízes, uma estratégia adaptativa para otimizar a ingestão de nitrogênio - um nutriente crítico para o crescimento das plantas - nos solos pobres em nitrogênio do Atacama.

Gabriela Carrasco, pesquisadora universitária na época, está identificando, rotulando, coletando e congelando amostras de plantas no Deserto do Atacama. Essas amostras então
viajaram 1.600 quilômetros, mantidas em gelo seco para serem processadas para extrações
de RNA no laboratório de Rodrigo Gutiérrez em Santiago do Chile. As espécies que Carrasco
está coletando aqui são Jarava frigida e Lupinus oreophilus. Crédito: Melissa Aguilar

Para identificar os genes cujas sequências de proteínas foram adaptadas nas espécies do Atacama, os pesquisadores da NYU conduziram uma análise usando uma abordagem chamada filogenômica, que visa reconstruir a história evolutiva usando dados genômicos. Em consulta com colegas do Jardim Botânico de Nova York, eles compararam os genomas das 32 plantas do Atacama com 32 espécies "irmãs" não adaptadas, mas geneticamente semelhantes, bem como várias espécies modelo.

“O objetivo era usar essa árvore evolutiva baseada em sequências do genoma para identificar as mudanças nas sequências de aminoácidos codificadas nos genes que sustentam a evolução da adaptação da planta Atacama às condições do deserto”, disse Coruzzi.

"Esta análise genômica computacionalmente intensa envolveu a comparação de 1.686.950 sequências de proteínas em mais de 70 espécies. Usamos a supermatriz resultante de 8.599.764 aminoácidos para a reconstrução filogenômica da história evolutiva das espécies de Atacama", disse Gil Eshel, que conduziu esta análise usando o cluster de computação de alto desempenho da NYU.

O estudo identificou 265 genes candidatos cujas alterações na sequência de proteínas foram selecionadas por forças evolutivas em várias espécies de Atacama. Essas mutações adaptativas ocorreram em genes que poderiam ser a base da adaptação das plantas às condições do deserto, incluindo genes envolvidos na resposta à luz e à fotossíntese, que podem permitir que as plantas se adaptem à radiação de alta luz extrema no Atacama. Da mesma forma, os pesquisadores descobriram genes envolvidos na regulação da resposta ao estresse, sal, desintoxicação e íons metálicos, que podem estar relacionados à adaptação dessas plantas de Atacama ao seu ambiente estressante e pobre em nutrientes.

O que podemos aprender com esta "mina de ouro genética"

A maior parte do conhecimento científico sobre as respostas e tolerância das plantas ao estresse foi gerada por meio de estudos tradicionais baseados em laboratório usando algumas espécies modelo. Embora benéficos, esses estudos moleculares provavelmente perdem o contexto ecológico em que as plantas evoluíram.

"Ao estudar um ecossistema em seu ambiente natural, fomos capazes de identificar genes adaptativos e processos moleculares entre as espécies que enfrentam um ambiente hostil comum", disse Viviana Araus, da Pontifícia Universidade Católica de Chile no laboratório de Gutierrez e ex-pós-doutorando associado da NYU Centro de Genômica e Biologia de Sistemas.

"A maioria das espécies de plantas que caracterizamos nesta pesquisa não foi estudada antes. Como algumas plantas do Atacama estão intimamente relacionadas a culturas básicas, incluindo grãos, legumes e batatas, os genes candidatos que identificamos representam uma mina de ouro genética para produzir safras mais resistentes , uma necessidade dada a crescente desertificação do nosso planeta ", disse Gutiérrez.

Além de Gutiérrez e Araus, seus colaboradores no Chile incluíam Claudio Latorre da Pontificia Universidad Católica de Chile e Mauricio González da Universidad de Chile. Coruzzi e Eshel da NYU trabalharam no pipeline filogenômico e na análise com colaboradores nos Estados Unidos, incluindo Kranthi Varala da Purdue University, Dennis Stevenson do New York Botanical Garden, Rob DeSalle do American Museum of Natural History, bem como membros de seu equipes de pesquisa.

 

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