As samambaias são notórias por conter grandes quantidades de DNA e um número excessivamente grande de cromossomos. Desafiando todas as expectativas, uma samambaia do tamanho de um prato de jantar atualmente detém o título de maior contagem de cromossomos, com impressionantes 720 pares amontoados em cada um de seus núcleos. Essa propensão das samambaias para acumular DNA deixou os cientistas perplexos, e o tamanho intratável de seus genomas tornou difícil seqüenciá-los, montá-los e interpretá-los.
Agora, dois artigos publicados na revista Nature Plants estão reescrevendo a história com os primeiros genomas completos para samambaias homosporadas, um grande grupo que contém 99% de toda a diversidade de samambaias modernas.

"Cada genoma conta uma história diferente", disse o co-autor Doug Soltis, um distinto professor do Museu de História Natural da Flórida. "As samambaias são os parentes vivos mais próximos de todas as plantas com sementes e produzem inibidores químicos para herbívoros que podem ser úteis para a pesquisa agrícola. No entanto, até agora, elas permaneceram a última grande linhagem de vida verde sem uma sequência genômica".

Duas equipes de pesquisadores revelaram separadamente o genoma de Ceratopteris (Ceratopteris richardii) nesta quinta-feira e o da samambaia-aranha voadora (Alsophila spinulosa) no mês passado.

A análise do genoma de Ceratopteris fornece dicas para resolver o mistério de longa data de por que as samambaias, em média, retêm mais DNA do que outras plantas. Comparações com genomas de outros grupos também levaram à descoberta surpreendente de que as samambaias roubaram os genes de várias de suas toxinas anti-herbivoria de bactérias.

O genoma de Ceratopteris contraria uma teoria de décadas, deixando mais perguntas do que respostas

Desde a década de 1960, a explicação mais favorável para o motivo pelo qual as samambaias contêm tanto DNA invocava duplicações desenfreadas de todo o genoma, nas quais um conjunto extra de cromossomos é acidentalmente passado para a prole de um organismo. Isso às vezes pode ser benéfico, pois todos os genes extras podem ser usados ​​como matéria-prima para a evolução de novas características. De fato, a duplicação de todo o genoma tem sido implicada na origem de quase todas as plantas cultivadas.

A duplicação de todo o genoma é comum em plantas e até mesmo em alguns animais, mas a maioria dos organismos tende a descartar a bagagem genética extra ao longo do tempo, reduzindo-se a genomas menores que são metabolicamente mais fáceis de manter.

"Este tem sido um importante ponto de discussão no último meio século e levou a todos os tipos de resultados conflitantes", disse o principal autor Blaine Marchant, um acadêmico de pós-doutorado na Universidade de Stanford e ex-aluno de pós-graduação do Museu da Flórida. “Tentar descobrir o processo evolutivo subjacente a esse paradoxo é incrivelmente importante”.

Com os primeiros genomas de samambaias homosporados totalmente montados, os cientistas finalmente estavam preparados para abordar essa questão, mas chegar lá não foi fácil. Sequenciar o genoma grande e complexo de Ceratopteris levou mais de oito anos de trabalho e o esforço combinado de dezenas de pesquisadores de 28 instituições ao redor do mundo, incluindo o Departamento de Energia dos EUA, Instituto Conjunto do Genoma. O resultado final foi de 7,46 gigabases de DNA, mais que o dobro do tamanho do genoma humano.

Se Ceratopteris tivesse aumentado o DNA por meio de repetidos eventos de duplicação do genoma, os pesquisadores esperavam que grandes porções de seus 39 pares de cromossomos fossem idênticas. O que eles encontraram em vez disso foi uma mistura de sequências repetitivas e milhões de pequenos trechos chamados genes saltadores, que representavam 85% do DNA da samambaia. Em vez de várias cópias do genoma, Ceratopteris contém principalmente detritos genéticos acumulados ao longo de milhões de anos.

"Os genes funcionais são separados por grandes quantidades de DNA repetitivo. E embora ainda não tenhamos certeza de como os genomas de Ceratopteris e outras samambaias ficaram tão grandes, está claro que a visão predominante de episódios repetidos de duplicação do genoma não é suportada", disse co-autora Pam Soltis, curadora do Museu da Flórida e professora ilustre.

Os autores observam que é muito cedo para tirar conclusões firmes, especialmente porque esta é a primeira análise de seu escopo realizada neste grupo. Comparações cruzadas com genomas de samambaias adicionais no futuro ajudarão a pintar uma imagem mais clara de como essas plantas evoluíram.

Ainda assim, os resultados apontam para uma clara diferença na maneira como as samambaias homosporadas gerenciam seu conteúdo genético em comparação com quase todas as outras plantas, disse Marchant.

"O que parece que estamos descobrindo é que coisas como plantas com flores, que em média têm genomas muito menores do que samambaias, são melhores para se livrar do DNA lixo.

Samambaias roubavam repetidamente toxinas de bactérias

Um olhar mais atento aos bilhões de pares de bases de DNA dentro do Ceratopteris revelou vários genes de defesa que codificam um tipo particularmente sinistro de toxina formadora de poros. Essas toxinas se ligam às células, onde são ativadas e formam pequenos anéis ocos que perfuram a membrana celular. A água inunda as células através dos orifícios resultantes, fazendo com que elas se rompam.

As toxinas formadoras de poros foram intensamente estudadas por cientistas por seu potencial uso na tecnologia de nanoporos, explicou Marchant. Na maioria das vezes, no entanto, eles são encontrados em bactérias.

"Esta é a primeira evidência concreta desses genes relacionados a toxinas bacterianas no DNA da samambaia", disse Marchant, observando que a semelhança não é uma coincidência.

Em vez de desenvolver essa toxina por conta própria, Ceratopteris parece tê-la obtido diretamente de bactérias por meio de um processo chamado transferência horizontal de genes. E dado que havia várias cópias do gene espalhadas entre três cromossomos separados, é provável que isso tenha acontecido mais de uma vez.

"O que é fascinante é que muitas cópias desses genes aparecem em diferentes partes da planta", disse ele. "Alguns são altamente expressos no caule e raízes, enquanto outras cópias são expressas apenas nas folhas, e outras são geralmente expressas em todos os tecidos. Não podemos ter certeza da função exata desses genes neste momento, mas sua semelhança com o genes formadores de toxinas em bactérias certamente sugerem que esses genes estão relacionados à defesa".

Esta não seria a primeira vez que as samambaias incorporariam DNA estranho em seus genomas. Um estudo de 2014 indica que as samambaias podem ter evoluído sua capacidade característica de crescer em ambientes sombreados emprestando genes de plantas distantes.

No entanto, exatamente como os organismos separados por milhões de anos de evolução são capazes de trocar genes totalmente funcionais ainda não está claro.

"Os mecanismos por trás da transferência horizontal de genes continuam sendo uma das áreas menos investigadas da evolução das plantas terrestres", explicou Doug Soltis. "Em escalas de tempo evolutivas, é um pouco como ganhar na loteria. Sempre que uma planta é ferida, seu interior é suscetível à invasão de micróbios, mas seu DNA ser incorporado ao genoma parece incrível."

Os autores dizem que este é apenas o primeiro passo de uma longa série de estudos com aplicações práticas que vão desde o desenvolvimento de novos biopesticidas até novas estratégias inovadoras de conservação.

Vários dos autores estão envolvidos no esforço atual para sequenciar os genomas de todos os organismos eucarióticos conhecidos dentro de um período de 10 anos. Chamado de Projeto Biogenoma da Terra, o empreendimento gerará recursos genômicos incalculáveis ​​que os pesquisadores terão suas mãos ocupadas analisando no futuro próximo. + Explorar mais

O genoma da samambaia fornece informações sobre sua evolução