Genoma de referência melhorado apoia o melhoramento genético do centeio e do trigo
«A nova sequência de referência representa um salto qualitativo para a investigação e o melhoramento genético do centeio»
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O centeio não é apenas uma cultura resistente e de alto rendimento, mas possui também um valioso património genético para o melhoramento do trigo. Uma equipa de investigação internacional liderada pelo Instituto IPK Leibniz melhorou significativamente as bases para a investigação e o melhoramento genético através da publicação de uma sequência genómica de referência de elevada qualidade. A sequência representa, pela primeira vez, os centrômeros completos de todos os sete pares de cromossomas. Os centrômeros são importantes para a distribuição correta da informação genética durante a divisão celular. Os resultados do estudo foram agora publicados na revista científica «Nature Communications».
O centeio partilha uma história evolutiva estreita e longa com a cevada e o trigo. No entanto, a sua trajetória como cultura importante é significativamente mais curta. Enquanto a cevada e o trigo foram «domesticados» há 10 000 anos no chamado Meio Lua Fértil do Próximo Oriente, o centeio espalhou-se inicialmente como erva daninha dos campos. Nesse processo, o centeio foi adquirindo gradualmente algumas características dos seus dois «irmãos e irmãs mais velhos», até que, há 5 000 a 6 000 anos, se tornou também uma cultura agrícola própria e, na Idade Média, a cereais panificável mais importante do norte da Europa.
No entanto, o vasto e complexo genoma do centeio coloca desafios à ciência. O genoma não só é significativamente maior do que o genoma humano, como também é composto por quase 90% de sequências de ADN repetitivas. As sequências de referência anteriores, como a elaborada em 2021 no IPK, representaram avanços muito úteis e importantes para a investigação e o melhoramento genético. No entanto, estas continuavam a ser incompletas e demasiado imprecisas. Apresentavam lacunas, secções mal alinhadas, regiões colapsadas e, não menos importante, centrómeros representados de forma incompleta. Estes últimos são de importância fundamental na divisão celular para dotar as células-filhas resultantes da mesma informação genética, de modo a que se tornem funcionais.
Para a elaboração da sequência de referência agora melhorada, a equipa de investigação utilizou as tecnologias de sequenciação mais avançadas disponíveis no IPK, graças ao financiamento do Governo Federal e do Estado. Numa primeira etapa, foram lidas moléculas longas de ADN da linha Lo7. Esta linha constitui um genótipo de referência estabelecido na investigação sobre o centeio. Os fragmentos longos de leitura permitem cobrir de forma mais eficiente áreas do genoma difíceis de descodificar. Na etapa seguinte, os fragmentos de ADN foram organizados na ordem correta nos sete cromossomas. Posteriormente, os investigadores verificaram a nova sequência de referência através de vários métodos independentes e puderam confirmar a elevada qualidade da sequência genómica.
«A nova sequência de referência representa um salto quântico para a investigação e o melhoramento genético do centeio», explica o Dr. Erwang Chen, primeiro autor do estudo. «É mais completa do que as versões anteriores, corrige erros de ordenação anteriores e permite o acesso a regiões do material genético para posterior análise e utilização», afirma o investigador do IPK. «Nestas regiões existem secções idênticas em repetição direta, que nas versões anteriores apareciam apenas colapsadas e não podiam ser corretamente resolvidas.» Em particular, a composição correta dos centrômeros constitui um avanço decisivo. «Até agora, estas áreas eram particularmente difíceis de descodificar. Com a nova sequência, podemos agora ver como estas áreas centrais dos cromossomas estão estruturadas e que elementos de ADN as caracterizam», explica o Dr. Erwang Chen. Além disso, a equipa de investigação do IPK conseguiu demonstrar que determinados elementos móveis de ADN, os chamados transposões, ainda estavam ativos nos centrômeros do centeio até há pouco tempo. «Isto prova que os centrômeros podem desenvolver-se de forma diferente entre espécies de cereais intimamente relacionadas.» Isto porque os transposões dão origem a variações e estas, por sua vez, a funções diferentes.
Particularmente interessantes para o melhoramento genético são as novas descobertas sobre o braço «curto» do cromossoma 1R do centeio, denominado 1RS. Este já foi transferido, através de cruzamentos, para várias variedades de trigo e melhora características como a resistência a doenças, a tolerância ao stress e o rendimento. São particularmente conhecidos os genes de resistência a fungos fitopatógenos, como a ferrugem ou o oídio. O estudo revela que os segmentos 1RS utilizados no trigo são todos mais ou menos idênticos ou, pelo menos, muito próximos uns dos outros. Se compararmos agora este segmento nos diferentes genótipos de centeio descodificados, constatamos que esta região apresenta uma variabilidade muito maior no centeio.
«Isto significa que ainda existe muito potencial inexplorado na diversidade do centeio», sublinha o Prof. Dr. Nils Stein, diretor do departamento «Genbank». «Com o novo padrão alcançado no sequenciamento do genoma do centeio, podemos agora dar o próximo passo. No âmbito do projeto de investigação «RyeHub», financiado pelo Ministério Federal da Investigação, Tecnologia e Espaço (BMFTR), já começámos a descodificar muitos genomas de centeio para um chamado pan-genoma do centeio. Isto serve de base para a exploração sistemática da diversidade genómica do centeio para fins de investigação e melhoramento genético.» Por «pangenoma», os investigadores designam a totalidade de todos os genes ou sequências de ADN de uma espécie.
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