Camada oculta do genoma revela como as plantas podem se adaptar a ambientes em todo o mundo

Camada oculta do genoma revela como as plantas podem se adaptar a ambientes em todo o mundo

Descobertas epigenéticas de Salk podem ajudar na produção agrícola

LA JOLLA, CA—Cientistas do Salk Institute for Biological Studies identificaram padrões de diversidade epigenômica que não apenas permitem que as plantas se adaptem a vários ambientes, mas também podem beneficiar a produção agrícola e o estudo de doenças humanas.

Publicado em 6 de março em Natureza, as descobertas mostram que, além da diversidade genética encontrada em plantas em todo o mundo, sua composição epigenômica é tão variada quanto os ambientes em que são encontradas. Epigenômica é o estudo do padrão de marcadores químicos que servem como uma camada reguladora no topo da sequência de DNA. Dependendo de onde crescem, as diferenças epigenômicas das plantas podem permitir que elas se adaptem rapidamente a seus ambientes.

As modificações epigenômicas alteram a expressão gênica sem alterar as letras do alfabeto do DNA (ATCG), fornecendo às células uma ferramenta adicional para ajustar como os genes controlam a maquinaria celular. Essas mudanças ocorrem não apenas nas plantas, mas também nos seres humanos.

Da esquerda para a direita: pesquisadores do Salk, Robert J. Schmitz, Matthew D. Schultz e Joseph Ecker.

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

“Observamos plantas coletadas em todo o mundo e descobrimos que seus epigenomas são surpreendentemente diferentes”, diz o autor sênior José R. Ecker, um professor da Salk's Laboratório de Biologia Molecular e Celular Vegetal e titular da Salk International Council Chair em Genética. “Essa diversidade adicional pode criar uma maneira de as plantas se adaptarem rapidamente a diversos ambientes sem nenhuma alteração genética em seu DNA, o que leva muito tempo”.

Ao entender as alterações epigenômicas nas plantas, os cientistas podem manipulá-las para vários fins, incluindo biocombustíveis e a criação de culturas que resistam a eventos estressantes, como a seca. Esse conhecimento das mudanças epigenômicas nas plantas cultivadas pode dizer aos produtores o que produzir e pode ter um grande impacto na identificação de plantas que podem sobreviver a certas condições e se adaptar a estressores ambientais, diz Ecker, que também é um Howard Hughes Medical Institute e Gordon e Betty Investigador da Fundação Moore.

Usando MethylC-Seq, um método para mapear mudanças epigenômicas desenvolvido por Ecker, os pesquisadores analisaram padrões de metilação de uma população de Arabidopsis thaliana, uma modesta erva daninha que se tornou para a biologia vegetal o que os ratos de laboratório são para a biologia animal. As plantas eram de uma variedade de climas no Hemisfério Norte, da Europa à Ásia e da Suécia às Ilhas de Cabo Verde. A equipe de Ecker examinou os genomas e metilomas de A. thaliana, a composição de todos os seus códigos genéticos e epigenômicos, respectivamente, que é o primeiro passo para entender o impacto das mudanças epigenéticas nas características físicas das plantas e na capacidade de adaptação ao seu ambiente.

“Esperávamos variação nos padrões de metilação entre grupos de plantas de todo o mundo”, diz o co-autor Robert J. Schmitz, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ecker. “A quantia, no entanto, foi muito maior do que esperávamos.”

Este gráfico mostra uma coleção de animais selvagens Arabidopsis thaliana de todo o mundo que se adaptaram ao seu ambiente local. Esta coleção de plantas foi usada para entender os padrões de diversidade epigenômica populacional dentro de uma espécie.

As fotografias foram fornecidas por Patrick Gooden, Kathleen Donohue e @2011 Google. O gráfico foi desenhado por Jamie Simon, Salk Institute for Biological Studies

Ao analisar esses padrões, a equipe de Ecker conseguiu mapear seus efeitos na atividade dos genes no genoma das plantas. Os cientistas sabem que a metilação pode inativar genes, mas, em contraste com as mutações do DNA, os padrões de metilação são reversíveis, dando às plantas a capacidade de ativar temporariamente os genes. A identificação de genes que são regulados epigeneticamente reduziu bastante os potenciais candidatos importantes para a adaptação ambiental.

O silenciamento da metilação também ocorre em humanos - e isso tem implicações no tratamento do câncer, cuja marca registrada é o silenciamento dos genes supressores de tumor. “Se esses genes forem desativados pelo epigenoma, eles poderiam ser ativados novamente removendo a metilação do DNA”, diz o co-autor principal do estudo, Matthew Schultz, aluno de pós-graduação no laboratório de Ecker. Compreender como essas variantes de metilação se formam na natureza ajudará a melhorar a engenharia dos epigenomas.

A equipe de Ecker estudará a seguir como as variações de metilação afetam as características das plantas. Eles examinarão as mudanças epigenômicas induzidas pelo estresse e como elas podem fornecer pistas sobre quais alterações são mais importantes para as plantas.

Outros pesquisadores do estudo foram Mark A. Urich, Joseph R. Nery, Mattia Pelizzola, Andrew Alix, Richard B. McCosh e Huaming Chen, do Salk Institute; e Ondrej Libiger e Nicholas J. Schork do The Scripps Research Institute.

O trabalho contou com o apoio do , National Institutes of Health, Instituto Médico Howard Hughes, National Science Foundation (Concedentes MCB-0929402 e MCB-1122246) e o Gordon e Betty Moore Foundation (Concessão GBMF3034).

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.