Uma nova análise em larga escala das relações entre membros da maior subfamília de gramíneas, que inclui trigo e cevada, revela eventos de duplicação de genes que contribuíram para a adaptação das plantas a temperaturas mais frias. Essas adaptações permitiram que as gramíneas prosperassem em climas temperados e foram exploradas por humanos para estender o alcance e a estação para o cultivo de plantas importantes. Um artigo descrevendo o estudo, liderado por cientistas da Penn State, aparece online na revista Molecular Biology and Evolution .
"As gramíneas são a quinta maior família de plantas com mais de 11.000 espécies", disse Hong Ma, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Presidente de Desenvolvimento e Evolução Reprodutiva de Plantas e professor de biologia na Penn State e líder da equipe de pesquisa. "Eles crescem nativamente em todos os sete continentes, incluindo uma das duas plantas nativas da Antártida. Muitos membros da maior subfamília de gramíneas, conhecida como Pooideae, se adaptaram para crescer em ambientes temperados. Investigar possíveis fatores que levaram a essa adaptação legal , realizamos uma análise da árvore genealógica Pooideae usando um grande conjunto de genes nucleares."

A equipe de pesquisa comparou transcriptomas – sequências de DNA de todos os genes expressos por um organismo – de 157 espécies de Pooideae cobrindo quase todas as principais subdivisões da subfamília.

“Este grupo de gramíneas começou a se expandir há cerca de 50 milhões de anos, quando a Terra estava em um período de resfriamento”, disse Ma. "A Terra era muito mais quente na época, mas as plantas e os animais também eram muito diferentes. Essas gramíneas eram capazes de florescer porque podiam se adaptar às mudanças do ambiente. Todas as principais subdivisões da subfamília - chamadas tribos - foram estabelecidas no primeira parte deste período de resfriamento. Mais tarde houve outra grande expansão que levou a uma grande diversificação no nível das espécies.

Como essas gramíneas foram capazes de se adaptar tão bem ao ambiente em mudança? Eles desenvolveram características mais adequadas a temperaturas mais frias, incluindo flores com diferentes formas e tamanhos, floração dependente do frio e adaptações moleculares que reduzem o congelamento celular. Todas essas mudanças dependem da inovação genética.

Uma das principais fontes de inovação genética é a duplicação de genes. A duplicação de genes pode ocorrer quando erros durante a replicação ou recombinação do genoma resultam em cópias extras de genes. Essas cópias extras são muitas vezes funcionalmente redundantes para as cópias originais do gene e, portanto, podem tolerar mutações mais livremente. Muitas vezes, eles sofrem mutações a ponto de perder sua função, mas às vezes essas mutações podem levar a inovações funcionais.

"Nosso estudo das relações entre as espécies desta subfamília de gramíneas nos permitiu rastrear mudanças adaptativas em relação às mudanças geológicas e climáticas", disse Ma. “Isso também nos permitiu identificar duplicações de genes que ocorreram ao longo do tempo e provavelmente apoiaram essa adaptação”.

Um exemplo de duplicação de genes que provavelmente ajudou na adaptação ao frio dessas gramíneas são os genes CBF. Estudos moleculares demonstraram um papel para o CBF e genes relacionados na capacidade de uma planta de tolerar o congelamento. Os pesquisadores mostram que os primeiros membros da subfamília Pooideae provavelmente tinham três cópias desses genes. A cevada moderna tem 20 e o trigo tem 37. Outro exemplo são os genes AP1/FUL que estão envolvidos na vernalização – a capacidade das plantas de lidar com mudanças sazonais e invernos longos e frios e experimentaram duplicações semelhantes em Pooideae.

“Podemos rastrear quando esses eventos de duplicação ocorreram na árvore genealógica Pooideae e associá-los a mudanças ambientais para entender melhor o processo de adaptação ao frio nessas gramíneas”, disse Ma. “Como agora estamos passando por outro período de mudança ambiental global, entender como as plantas se adaptam a esse tipo de mudança pode ser mais importante do que nunca”.