Os pesquisadores criam plantas de tomate que contêm o material genético completo de ambas as plantas-mãe

Frutos de tomate produzidos por um tomateiro tetraplóide (com 48 cromossomos) produzidos pelo cruzamento de dois pais MiMe de tomate diferentes. Crédito:Yazhong Wang

Em um novo estudo publicado na Nature Genetics , liderado por Charles Underwood do Instituto Max Planck para Pesquisa de Melhoramento de Plantas em Colônia, Alemanha, os cientistas estabeleceram um sistema para gerar células sexuais clonais em tomateiros e as usaram para projetar os genomas dos descendentes.

A fertilização de um óvulo clonal de um dos pais por um espermatozoide clonal de outro pai resultou em plantas contendo a informação genética completa de ambos os pais.

As sementes híbridas, que combinam duas linhas parentais diferentes com características favoráveis específicas, são populares na agricultura, pois dão origem a culturas robustas com maior produtividade, e têm sido utilizadas pelos agricultores há mais de cem anos.

O aumento do desempenho dos híbridos é geralmente conhecido como vigor híbrido, ou heterose, e tem sido observado em muitas espécies diferentes de plantas (e animais). Porém, o efeito de heterose não persiste mais nas gerações subsequentes desses híbridos devido à segregação da informação genética.

Assim, novas sementes híbridas precisam ser produzidas todos os anos, um empreendimento caro e trabalhoso que não funciona bem para todas as culturas. Então, como podem as características benéficas, codificadas nos genes das plantas híbridas, ser transferidas para a próxima geração?

Normalmente, nosso material genético sofre reorganização durante a meiose – uma divisão celular crucial que ocorre em todos os organismos que se reproduzem sexualmente. Esta reorganização, devido à segregação aleatória de cromossomos e à recombinação meiótica, é importante na geração de configurações genéticas novas e benéficas em populações naturais e durante a reprodução.

No entanto, quando se trata de melhoramento de plantas, uma vez obtida uma ótima combinação, você deseja mantê-la e não perdê-la ao reorganizar os genes novamente. Ter um sistema que contorne a meiose e resulte em células sexuais (óvulos e espermatozoides) geneticamente idênticas aos pais pode ter diversas aplicações.

Neste estudo, Underwood e sua equipe estabeleceram um sistema no qual substituem a meiose pela mitose, uma simples divisão celular, na planta vegetal mais popular, o tomate cultivado. No chamado sistema MiMe (Mitose em vez de Meiose), a divisão celular imita uma mitose, evitando assim a recombinação e a segregação genética, e produz células sexuais que são clones exatos da planta-mãe.

O conceito do sistema MiMe foi previamente estabelecido por Raphael Mercier, diretor do Instituto Max Planck de Pesquisa de Melhoramento de Plantas, em Arabidopsis e arroz. Um aspecto inovador do novo estudo é que, pela primeira vez, os pesquisadores aproveitaram as células sexuais clonais para criar descendentes através de um processo que eles chamam de “desenho do genoma poliplóide”.

Desenho do genoma poliplóide

Normalmente, as células sexuais têm um conjunto de cromossomos reduzido à metade (em humanos, 46 cromossomos são reduzidos para 23; no tomate, 24 cromossomos são reduzidos para 12), enquanto as células sexuais MiMe são clonais e, portanto, essa redução para metade do conjunto de cromossomos não acontece.

Underwood e sua equipe realizaram cruzamentos que significaram que o óvulo clonal de um tomateiro MiMe foi fertilizado por um espermatozóide clonal de outro tomateiro MiMe. Os tomateiros resultantes continham o repertório genético completo de ambos os pais – e são, portanto, compostos de 48 cromossomos.

Conseqüentemente, todas as características favoráveis de ambos os pais híbridos são consolidadas - intencionalmente - em um novo tomateiro. Devido à estreita relação genética entre tomates e batatas, a equipe de Underwood acredita que o sistema descrito neste estudo pode ser facilmente adaptado para uso na batata, a quinta planta agrícola mais valiosa do mundo, e potencialmente em outras espécies agrícolas.

Tendo em conta os números crescentes da população e as alterações climáticas, o desenvolvimento de variedades de elevado rendimento, sustentáveis e estáveis é crucial para garantir o abastecimento alimentar mundial a longo prazo. Portanto, é fundamental cultivar plantas que apresentem maior resistência a doenças e tolerância ao estresse. Abordagens inovadoras para tecnologias de reprodução de plantas são essenciais.

Técnica inovadora de produção de sementes

O sistema MiMe e a sua aplicação na engenharia do genoma poliplóide podem ser um caminho promissor para enfrentar os desafios agrícolas atuais.

"Estamos realmente entusiasmados com a possibilidade de usar células sexuais clonais para realizar o projeto do genoma poliplóide. Estamos convencidos de que isso permitirá aos criadores desvendar mais heterose - a heterose progressiva encontrada em poliplóides - de maneira controlada", diz Underwood.

“O sistema MiMe de tomate que estabelecemos também poderia ser usado como um componente da produção de sementes clonais – apomixia sintética – no futuro. Isso poderia reduzir enormemente o custo de produção de sementes híbridas”, acrescenta Yazhong Wang.

Mais informações: Yazhong Wang et al, Aproveitando gametas clonais em culturas híbridas para projetar genomas poliplóides, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01750-6
Informações do diário: Genética da Natureza

Fornecido por Sociedade Max Planck

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