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Ferramenta poderia garantir a diversidade genética das culturas
Courtesy Tokyo University : Pesquisadores do Japão editaram o DNA mitocondrial de plantas pela primeira vez, o que poderia levar a um fornecimento de alimentos mais seguro.
O DNA nuclear foi editado pela primeira vez no início dos anos 70, o DNA do cloroplasto foi editado pela primeira vez em 1988, e o DNA mitocondrial animal foi editado em 2008. No entanto, nenhuma ferramenta editou com sucesso o DNA mitocondrial das plantas.
Os pesquisadores usaram sua técnica para criar quatro novas linhas de arroz e três novas linhas de colza (canola).
“Sabíamos que tínhamos tido sucesso quando vimos que a planta do arroz era mais educada – foi uma profunda reverência”, disse o professor-adjunto 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 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 abordar a atual falta de diversidade genética mitocondrial nas plantações, um ponto fraco potencialmente devastador em nosso suprimento alimentar.
Em 1970, uma infecção fúngica chegou às fazendas de milho do Texas e foi exacerbada por um gene na mitocôndria do milho. Todo o milho nas fazendas tinha o mesmo gene, então nenhum deles era resistente à infecção. Quinze por cento de toda a safra americana de milho foi morta naquele ano. O milho com esse gene mitocondrial específico não foi plantado desde então.
“Ainda temos um grande risco agora porque há tão poucos genomas mitocondriais de plantas usados no mundo. Eu gostaria de usar nossa capacidade de manipular DNA mitocondrial de plantas para adicionar diversidade ”, disse Arimura.
Plantas sem pólen
A maioria dos agricultores não guarda sementes da colheita para replantar no próximo ano. As plantas híbridas, os descendentes de primeira geração de dois pais geneticamente diferentes, são geralmente mais resistentes e produtivos.
Para garantir que os agricultores tenham sementes híbridas de primeira geração e frescas, a cada ano, as empresas de fornecimento agrícola produzem sementes por meio de um processo de criação em separado usando dois pais diferentes. Um desses pais é infértil masculino – não pode produzir pólen.
Pesquisadores referem-se a um tipo comum de infertilidade masculina em plantas como esterilidade masculina citoplasmática (CMS). O CMS é um fenômeno raro, mas natural, causado principalmente por genes que não estão no núcleo das células, mas sim nas mitocôndrias.
Feijão verde, beterraba, cenoura, milho, cebola, petúnia, óleo de canola, arroz, centeio, sorgo e girassóis podem ser cultivados comercialmente usando pais com infertilidade masculina do tipo CMS.
Além do verde
As plantas usam a luz solar para produzir a maior parte de sua energia, através da fotossíntese em cloroplastos pigmentados de verde. No entanto, a fama dos cloroplastos é superestimada, de acordo com Arimura.
“A maior parte de uma planta não é verde, apenas as folhas acima do solo. E muitas plantas não têm folhas durante metade do ano ”, disse Arimura.
As plantas obtêm uma porção significativa de sua energia através da mesma “usina da célula” que produz energia nas células animais: as mitocôndrias.
“Nenhuma mitocôndria vegetal, nenhuma vida”, disse 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. O genoma mitocondrial é circular, contém muito menos genes e é herdado principalmente das mães.
O genoma mitocondrial do animal 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”, disse Arimura.
Os genomas mitocondriais de plantas são uma história diferente.
“O genoma mitocondrial da planta é enorme em comparação, a estrutura é muito mais complicada, os genes são duplicados, os mecanismos de expressão gênica não são bem compreendidos e algumas mitocôndrias não têm genomas – em nossos estudos anteriores, observamos que eles se fundem com outras mitocôndrias para trocar produtos de proteína e depois se separar novamente ”, disse Arimura.
Manipulando DNA mitocondrial de plantas
Para encontrar uma maneira de manipular o complexo genoma mitocondrial da planta, Arimura recorreu aos colaboradores familiarizados com os sistemas CMS do arroz e da canola (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 colza (canola): alvos claros no labirinto desconcertante dos genomas mitocondriais das plantas.
A equipe de Arimura adaptou uma técnica que já havia editado genomas mitocondriais de células animais crescendo em um prato. A técnica, chamada mitoTALENs, usa uma única proteina para localizar o genoma mitocondrial, cortar o DNA no gene desejado e excluí-lo.
“Embora a eliminação da maioria dos genes crie problemas, a exclusão de um gene CMS resolve um problema para as plantas. Sem o gene CMS, as plantas estão férteis novamente ”, disse Arimura.
As quatro novas linhas de arroz totalmente férteis e três novas linhas de canola (canola) que os pesquisadores criaram são uma prova de conceito de que o sistema mitocondrial pode manipular com sucesso até mesmo o complexo genoma mitocondrial da planta.
“Este é um primeiro passo importante para a pesquisa mitocondrial de plantas”, disse 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.
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