Cientistas mapeiam o RNA do solo em genomas de fungos para entender os ecossistemas florestais
Uma das florestas de abetos amostradas neste estudo. Crédito:Francis Martin Se uma árvore cair na floresta – quer alguém perceba o som ou não – uma coisa é certa:há muitos fungos por aí. No solo de uma floresta, centenas de espécies decompõem os detritos, mobilizam os nutrientes dessa decomposição e entregam esses nutrientes às raízes das árvores e ao solo. Esses fungos ajudam a moldar a ecologia da floresta. Eles armazenam carbono e reciclam nutrientes essenciais como nitrogênio e fósforo.
Desta forma, os fungos dos solos florestais são essenciais para a saúde das árvores e para o armazenamento de carbono – competências que são cada vez mais importantes à medida que o clima aquece. No entanto, essas são interações complicadas de desembaraçar. Os fungos trabalham em cooperação para sustentar uma floresta, e as espécies variam nos ecossistemas da Terra.
Recentemente, em trabalho publicado no New Phytologist , os pesquisadores foram pioneiros em uma nova compreensão de quais fungos desempenham certas funções no solo da floresta. Pela primeira vez, eles compararam três guildas de fungos diferentes em locais diferentes. Eles coletaram amostras de solos em quatro ecossistemas florestais, extraíram RNA para entender a expressão genética e desenvolveram novas ferramentas para mapear o RNA do solo em genomas de fungos.
O Joint Genome Institute (JGI) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) sequenciou 1 trilhão de bases - uma terabase - de RNA do solo para este projeto e produziu o genomas de referência que permitiram o mapeamento dessas leituras de RNA. “Atualmente, este é o maior metatranscriptoma fúngico sequenciado pelo JGI até agora”, disse Igor Grigoriev, chefe do programa de genômica fúngica do JGI.
Juntamente com uma melhor compreensão de vários sistemas florestais, este trabalho estabelece protocolos e pipelines que outras equipes podem usar em todo o mundo.
Essas ferramentas dão aos pesquisadores uma forma de acessar muito mais informações sobre fungos nesses ambientes. "Agora, com essas novas ferramentas - metatranscriptômica, sequenciamento de RNA do RNA do solo - podemos acessar:" O que eles estão fazendo? Como eles interagem?'", disse o autor sênior Francis Martin, Diretor de Pesquisa Emérito do Instituto Nacional de Pesquisa para Agricultura, Alimentação e Meio Ambiente (INRAE).
Semelhança notável apesar da vasta diversidade
Para este estudo, os investigadores recolheram amostras de solo de quatro locais:Aspurz, Espanha; Champenoux, França; Lambborn, Suécia; Montmorency, Canadá. Esses locais representam respectivamente florestas mediterrâneas, temperadas e boreais.
Muitos fungos diferentes aparecem nas amostras de solo desses variados biomas; as florestas partilham apenas cerca de 20% das suas espécies de fungos. Para fazer comparações úteis, os pesquisadores tiveram que trabalhar fora da taxonomia. “E a forma que encontramos foi focar na comparação dos níveis de expressão entre guildas tróficas de fungos”, disse Lucas Auer, engenheiro pesquisador do INRAE e um dos primeiros autores deste trabalho.
Para comparar essas guildas tróficas, esta equipe se concentrou em três grupos principais de fungos que apareceram em todas as florestas amostradas. Essas guildas são comuns às florestas de todo o mundo, bem como aos prados e pastagens:os saprotróficos desmontam detritos e organismos mortos para liberar seus nutrientes; simbiontes micorrízicos transportam água e nutrientes para as árvores; patógenos de plantas colonizam plantas vivas para se alimentar delas.
Em todos os tipos de floresta, Martin e sua equipe analisaram amostras de solo para ver quais genes essas três guildas de fungos usavam para crescer e metabolizar nutrientes. Eles sequenciaram todo o RNA encontrado em amostras de solo e montaram essas transcrições de RNA em um metatranscriptoma.
No geral, eles descobriram que, apesar da vasta diversidade de espécies, cada guilda desempenhava funções notavelmente semelhantes em diferentes florestas. O metabolismo primário, a atividade celular e o desenvolvimento de fungos pareciam bastante semelhantes para cada guilda de saprotróficos, simbiontes micorrízicos e patógenos, independentemente de a amostra ter vindo do solo abaixo de um pinheiro ou de um carvalho, na Suécia ou em Quebec.
Ecologicamente, Martin sugere que esta redundância é protetora, um pouco como diversificar uma carteira de investimentos. Se um estresse como um incêndio florestal ou uma seca ameaçar algumas espécies de fungos, outros fungos preencherão as funcionalidades necessárias.
Este trabalho também mostra uma nova sobreposição entre as funções de diferentes guildas de fungos. Os saprotróficos e os simbiontes micorrízicos têm sido historicamente divididos em nichos ecológicos separados – recicladores e transportadores, respectivamente. No entanto, a equipe de Martin descobriu que ambas as guildas expressam genes semelhantes para a degradação das paredes celulares dos fungos, a chamada necromassa fúngica, sugerindo que essas guildas compartilham a responsabilidade de reciclar o material morto dos fungos.
Os genomas de referência que abriram o caminho
Este projeto decorre de uma proposta do Programa de Ciência Comunitária que Martin apresentou em 2012. Naquela época, o campo havia pesquisado muitas comunidades de solo diferentes em busca de diversidade taxonômica. Esses estudos puderam identificar populações, mas pouco disseram sobre quais espécies estavam fazendo o quê.
Para compreender como as comunidades fúngicas partilhavam as suas tarefas, Martin e a sua equipa optaram por traçar o perfil do ARN, para uma visão da expressão genética fúngica. Eles precisariam dos genomas fúngicos existentes para mapear a expressão genética para funções e espécies fúngicas. Inicialmente, mapear sequências de RNA dessa forma foi um desafio, segundo Martin. “Doze anos atrás, quando mapeamos o primeiro RNA sequenciado do solo, apenas 10% deles estavam mapeando os genomas dos fungos no JGI”, disse Martin.
Um esforço chamado projeto 1000 Genomas Fúngicos mudou isso. Este é um projeto plurianual em colaboração com o JGI para sequenciar 1.000 genomas de referência da árvore da vida dos fungos. Martin é um dos líderes do projeto. Depois de começar com cerca de 200 genomas de fungos, em apenas alguns anos, disse ele, o projeto 1000 Genomas Fúngicos, juntamente com outros projetos CSP, sequenciou mais de 2.000 genomas de fungos.
O JGI sequenciou, montou e anotou esses genomas em colaboração com dezenas de parceiros. “Este foi um tremendo esforço comunitário, com mais de 100 investigadores que nomearam espécies para sequenciação e depois enviaram amostras de ADN e ARN para o JGI”, disse Grigoriev. Todos esses genomas estão disponíveis no MycoCosm.
Se inicialmente a tarefa de mapear o RNA fúngico em sequências era um caminho um tanto acidentado e sinuoso, esse novo influxo de genomas abriu uma superestrada para a mesma rota. “Foi realmente incrível como a qualidade dos dados melhorou graças a essa enorme quantidade de novos genomas”, disse Martin.
O projeto 1000 Genomas Fúngicos segue em frente, para possibilitar mais estudos como este. Martin diz que ainda mais genomas se traduzirão em ainda mais compreensão, à medida que outros investigadores analisam o ARN de comunidades do solo em toda a América do Sul, China, Europa e Estados Unidos.
“Nos próximos anos, acho que teremos uma espécie de mapa global da diversidade fúngica, mas ainda faltam as funções”, disse Martin. “Assim, graças ao tipo de programa que desenvolvemos com o JGI, temos as ferramentas para realmente obter informações sobre as funções desta comunidade fúngica, dos pólos aos trópicos”.
