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Pesquisadores editam o DNA mitocondrial de plantas pela primeira vez

Técnica pode tornar o genoma de plantações mais diversificado, garantindo maior proteção contra pragas e melhorando abastecimento alimentar

O arroz infértil (à direita) permanece reto, mas o arroz fértil (à esquerda) se dobra sob o peso de sementes pesadas. Foto: Tomohiko Kazama

Uma equipe de pesquisadores do Japão conseguiu editar o DNA mitocondrial de plantas pela primeira vez, o que poderia proporcionar mais segurança no abastecimento de alimentos.

O DNA nuclear foi editado pela primeira vez no início dos anos 1970; o DNA do cloroplasto, em 1988; e o DNA mitocondrial animal foi editado em 2008. No entanto, nenhuma ferramenta havia editado com sucesso o DNA mitocondrial de plantas até agora.

Os pesquisadores usaram a técnica desenvolvida por eles para criar quatro novas linhagens de arroz e três novas linhagens de colza (canola).

“Nós soubemos que tivemos sucesso quando vimos que a planta do arroz era mais educada — ela fez uma profunda reverência”, diz o professor-associado Shin-ichi Arimura, brincando sobre como uma planta de arroz fértil se dobra sob o peso de sementes pesadas.

Arimura é especialista em genética molecular de plantas na Universidade de Tóquio e liderou a equipe de pesquisa, cujos resultados foram publicados na revista científica Nature Plants. Colaboradores da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tamagawa também contribuíram para a pesquisa.

Diversidade genética para o abastecimento de alimentos

Os pesquisadores esperam usar a técnica para resolver a atual falta de diversidade genética mitocondrial em plantações, um ponto fraco que poderia ser devastador para nosso abastecimento alimentar.

Em 1970, uma infecção causada por fungos chegou a fazendas de milho no Texas, nos Estados Unidos, e foi exacerbada por um gene nas mitocôndrias do vegetal. Todos os milhos das fazendas tinham o mesmo gene, então nenhum deles era resistente à infecção. Quinze por cento de toda a safra americana do produto foi morta naquele ano. O milho com esse gene mitocondrial específico não foi mais plantado desde então.

“Ainda corremos um grande risco, porque há pouquíssimos genomas mitocondriais usados no mundo. Eu gostaria de usar nossa capacidade de manipular DNA mitocondrial de plantas para adicionar essa diversidade”, explica Arimura.

Plantas sem pólen

A maioria dos agricultores não guarda sementes da colheita para replantar no próximo ano. Plantas híbridas, descendentes de primeira geração de duas subespécies parentais geneticamente diferentes, são geralmente mais resistentes e mais produtivas.

Para garantir que os agricultores tenham sementes frescas e híbridas de primeira geração, as empresas de fornecimento agrícola produzem anualmente sementes por meio de um processo de criação em separado, usando duas subespécies parentais diferentes. Um desses pais é um masculino infértil — ou seja, não produz pólen.

Pesquisadores se referem a um tipo comum de infertilidade masculina em plantas como esterilidade masculina citoplasmática (CMS, na sigla em inglês). A CMS é um fenômeno raro, mas natural, causado principalmente por genes que não estão no núcleo das células, mas sim em suas mitocôndrias.

Feijão verde, beterraba, cenoura, milho, cebola, petúnia, óleo de canola, arroz, centeio, sorgo e girassol podem ser cultivados comercialmente usando subespécies parentais com infertilidade masculina do tipo CMS.

Além do verde 

As plantas usam luz solar para produzir a maior parte de sua energia, através da fotossíntese realizada em cloroplastos com pigmento verde. No entanto, a fama dos cloroplastos é superestimada, de acordo com Arimura.

“A maior parte de uma planta não é verde, apenas suas folhas acima do solo. E muitas plantas não têm folhas durante metade do ano”, ele argumenta.

As plantas obtêm uma porção significativa de sua energia através da mesma “casa de força celular” que produz energia nas células animais: as mitocôndrias.

“Sem mitocôndria vegetal não há vida”, resume Arimura.

As mitocôndrias contêm DNA completamente separado do DNA principal da célula, que é armazenado no núcleo. O DNA nuclear é o material genético longo de dupla hélice herdado de ambos os pais. Já o genoma mitocondrial é circular, contém muito menos genes e é herdado principalmente das mães.

O genoma mitocondrial de animais é uma molécula relativamente pequena contida em uma única estrutura circular, com notável conservação entre as espécies

“Até mesmo o genoma mitocondrial de um peixe é semelhante ao de um humano”, conta Arimura. Mas com os genomas mitocondriais de plantas, a história é diferente.

“O genoma mitocondrial das plantas é enorme, em comparação com o dos animais. Sua estrutura é muito mais complicada, os genes às vezes são duplicados, os mecanismos de expressão gênica não são bem compreendidos e algumas mitocôndrias nem sequer têm genomas — em nossos estudos anteriores, observamos que elas se fundem com outras mitocôndrias para trocar produtos protéicos e depois se separam novamente “, diz Arimura.

Manipulando o DNA mitocondrial das plantas

Para encontrar uma maneira de manipular o complexo genoma mitocondrial das plantas, Arimura recorreu aos colaboradores familiarizados com os sistemas CMS do arroz e da canola. Pesquisas anteriores sugeriram fortemente que em ambas as plantas, a causa da CMS era um gene mitocondrial único e evolutivamente não relacionado no arroz e na canola, o que significava um alvo claro no labirinto desconcertante dos genomas mitocondriais das plantas.

A equipe de Arimura adaptou uma técnica que já havia editado genomas mitocondriais de células animais. A técnica, chamada mitoTALENs, usa uma só proteína para localizar o genoma mitocondrial, cortar o DNA no gene desejado e excluí-lo.

“Embora a eliminação da maioria dos genes crie problemas, a eliminação de um gene CMS resolve um problema para as plantas. Sem o gene CMS, as plantas são férteis novamente”, explica Arimura.

As quatro novas linhagens de arroz totalmente férteis e três novas linhas de canola que os pesquisadores criaram são uma prova de conceito de que o sistema mitoTALENs pode manipular com sucesso até mesmo o complexo genoma mitocondrial da planta.

“Este é um primeiro passo importante para a pesquisa mitocondrial de plantas”, analisa Arimura.

Os pesquisadores estudarão os genes mitocondriais responsáveis pela infertilidade masculina em plantas com mais detalhes e identificarão potenciais mutações que poderiam adicionar a diversidade necessária.

Universidade de Tóquio