Genomas de plantas enxertadas podem se comunicar uns com os outros

Genomas de plantas enxertadas podem se comunicar uns com os outros

Cientistas da Salk descobrem que moléculas minúsculas conduzem ao silenciamento de genes em brotos enxertados

LA JOLLA—O enxerto agrícola remonta a quase 3,000 anos. Por tentativa e erro, as pessoas da China antiga à Grécia antiga perceberam que juntar um galho cortado de uma planta no caule de outra poderia melhorar a qualidade das colheitas.

Agora, pesquisadores do Instituto Salk e da Universidade de Cambridge usaram essa prática antiga, combinada com a pesquisa genética moderna, para mostrar que plantas enxertadas podem compartilhar características epigenéticas, de acordo com um novo artigo publicado na semana de 18 de janeiro de 2016 no Proceedings, da Academia Nacional de Ciências.

“A enxertia é algo feito com frequência no mundo comercial e, no entanto, realmente não entendemos completamente as consequências para as duas plantas”, diz José Ecker, um dos autores seniores do artigo e diretor do Laboratório de Análise Genômica de Salk. “Nosso estudo mostrou que a informação genética está realmente fluindo de uma planta para outra. Essa é a surpresa para mim.”

Essa informação genética compartilhada entre as plantas não é DNA – as duas plantas enxertadas mantêm seus genomas originais – mas a informação epigenética está sendo comunicada dentro da planta.

Na epigenética, os marcadores químicos atuam nos genes existentes no DNA de uma planta ou animal para ativar ou desativar os genes. A epigenética pode determinar se uma célula se torna uma célula muscular ou uma célula da pele e determinar como uma planta reage a diferentes solos, climas e doenças.

“No futuro, esta pesquisa pode permitir que os produtores explorem informações epigenéticas para melhorar as colheitas e os rendimentos”, diz Mathew Lewsey, um dos primeiros autores do artigo e pesquisador associado da Salk.

Para rastrear o fluxo de informações epigenéticas, as equipes de Salk e Cambridge se concentraram em moléculas minúsculas chamadas pequenos RNAs, ou sRNAs. Existem vários tipos de processos epigenéticos, mas os sRNAs contribuem para um processo de silenciamento de genes chamado metilação do DNA. Na metilação do DNA, os marcadores moleculares se ligam ao topo do DNA para bloquear a maquinaria da célula de ler ou expressar os genes sob os marcadores moleculares.

Estudos anteriores dos membros de Cambridge deste grupo de pesquisa mostraram que os sRNAs podem se mover através de plantas enxertadas, desde os brotos até as raízes. Assim, os pesquisadores planejaram um experimento de enxertia com três variações da planta Arabidopsis thaliana (talo agrião). Duas variedades eram do tipo selvagem thale agrião, enquanto a terceira variedade era um mutante criado para não ter sRNAs de qualquer tipo.

Depois de realizar cada enxerto, os pesquisadores analisaram o tecido da parte aérea e da raiz para procurar mudanças na metilação do DNA ao longo dos diferentes genomas das plantas. Eles também confirmaram se os sRNAs estavam se movendo das plantas do tipo selvagem para a variedade mutante que não possuía sRNAs.

“Essa configuração nos permitiu observar algo único: eles estavam realmente transmitindo o equivalente epigenético dos alelos, chamados epialelos”, diz Lewsey.

Um alelo é um gene que é compartilhado dentro de uma espécie, mas pode diferir de indivíduo para indivíduo, como o alelo para o desenvolvimento da doença de Huntington. Nesse caso, os pesquisadores buscavam locais ao longo do epigenoma das plantas que fossem alelos alterados pelo processo epigenético. Em outras palavras: epialelos.

“Como as duas plantas de tipo selvagem variam em sua epigenética ao longo de seus genomas, pudemos observar como o enxerto de um broto nas raízes pode realmente transmitir epialelos de uma planta para outra”, diz Lewsey.

David Baulcombe, autor sênior do artigo, reconhece que as novas descobertas não foram totalmente inesperadas. Trabalhos anteriores em menor escala indicaram que os sRNAs poderiam se mover e mediar mudanças epigenéticas no tecido receptor.

“O que foi inesperado, no entanto, foi a escala das mudanças devido ao RNA móvel”, diz Baulcombe, do Departamento de Ciências Vegetais da Universidade de Cambridge.

Milhares de locais ao longo do genoma do agrião foram silenciados por sRNAs. Ao examinar a localização desses epialelos, os pesquisadores poderiam começar a encontrar pistas para seu propósito. Os epialelos observados no experimento frequentemente silenciavam áreas do genoma chamadas de elementos transponíveis, ou transposons.

Os transposons fazem parte do chamado DNA escuro, ou a vasta porção de um genoma que não codifica genes. Originalmente chamados de “genes saltadores”, os transposons podem se mover para cima e para baixo no genoma para influenciar a expressão de genes próximos. Muitos dos transposons visados ​​pelos sRNAs no experimento estavam muito próximos dos genes ativos.

Apesar desse silenciamento dos transposons, houve apenas pequenas mudanças na expressão gênica entre as plantas do tipo selvagem e as plantas mutantes que não tinham sRNAs.

“Achamos que isso se deve à natureza compacta do A. thaliana genoma”, diz Lewsey. “É provável que a mudança para uma espécie com um genoma maior e transposons mais ativos mostre mais diferenças”.

Graças a novas ferramentas de edição de genes, será possível realizar experimentos de enxerto semelhantes com os genomas mais complicados de culturas populares.

“Em outras plantas com genomas mais complexos, esses efeitos serão ampliados em muitas centenas de vezes”, diz Ecker, que também é pesquisador do Howard Hughes Medical Institute e da Gordon and Betty Moore Foundation.

Baulcombe concorda que os efeitos epigenéticos do RNA móvel são provavelmente muito maiores com plantas cultivadas do que nas espécies modelos usadas no presente trabalho. Os dois grupos de pesquisa agora estão planejando uma colaboração estendida para explorar esses efeitos em tomates e outras culturas.

“Já existem milhares de outras diferenças epigenéticas entre as raízes e os brotos de uma única planta – e duas plantas enxertadas também são geneticamente diferentes”, diz Ecker. “Portanto, criar essa diferença de epialelo nas raízes é algo realmente novo para a planta.”

Lewsey e Thomas J. Hardcastle, da Universidade de Cambridge, contribuíram igualmente para o artigo. Outros autores do trabalho foram Charles Melnyk e Attila Molnar, da Universidade de Cambridge; e Adrián Valli, Mark A. Urich e Joseph R. Nery do Salk Institute.

O financiamento para o trabalho foi fornecido pelo EU Marie Curie International Outgoing Fellowship, o Gordon e Betty Moore Foundation, National Science Foundation, o Clare College Junior Research Fellowship, o Fundação de caridade de Gatsby, o Projeto Colaborativo da União Européia Grant ANEAS e um Bolsa de Investigador Avançado do Conselho Europeu de Investigação.