Conceito de Arte Cana-de-Açúcar

O mapeamento do genoma da cana-de-açúcar representa um marco científico, abrindo novas possibilidades no melhoramento das culturas e na gestão de doenças, promovendo assim avanços na produtividade agrícola e no desenvolvimento da bioenergia. Crédito: SciTechDaily.com

Os cientistas criaram um genoma de referência altamente preciso para uma das culturas modernas mais importantes e encontraram um raro exemplo de como os genes conferem resistência às doenças nas plantas. A exploração do código genético da cana-de-açúcar poderia ajudar os investigadores a desenvolver culturas mais resilientes e produtivas, com implicações tanto para a produção de açúcar como para os biocombustíveis.

  • Até agora, a complicada genética da cana-de-açúcar fez dela a última grande cultura sem um genoma completo e altamente preciso.
  • Pesquisadores combinaram múltiplas técnicas para mapear com sucesso a área da cana-de-açúcar ADN e identificar áreas-chave – incluindo várias relacionadas com a produção e transporte de açúcar, bem como a resistência a doenças como a ferrugem castanha.
  • O genoma de referência da cana-de-açúcar poderia ser usado para ajudar a criar culturas mais resilientes ou para aumentar a produção de açúcar, com aplicações na agricultura e na bioenergia.

Introdução à cana-de-açúcar híbrida moderna

A cana-de-açúcar híbrida moderna é uma das culturas mais colhidas no planeta, usada para fabricar produtos como açúcar, melaço, bioetanol e materiais de base biológica. Ele também possui um dos projetos genéticos mais complexos.

Até agora, a complicada genética da cana-de-açúcar fez dela a última grande cultura sem um genoma completo e altamente preciso. Os cientistas desenvolveram e combinaram múltiplas técnicas para mapear com sucesso o código genético da cana-de-açúcar.

Com esse mapa, eles puderam verificar o local específico que oferece resistência à impactante ferrugem marrom que, se não for controlada, pode devastar uma safra de açúcar. Os pesquisadores também podem usar a sequência genética para compreender melhor os muitos genes envolvidos na produção de açúcar.

Avanços na pesquisa genética da cana-de-açúcar

A pesquisa foi conduzida como parte do Programa de Ciência Comunitária do Joint Genome Institute (JGI) do Departamento de Energia dos EUA, uma instalação do DOE Office of Science no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). O estudo foi publicado em 27 de março na revista Naturezae o genoma está disponível no portal de plantas do JGI, Fitozoma.

“Esta foi a sequência do genoma mais complicada que já concluímos”, disse Jeremy Schmutz, líder do Programa de Plantas do JGI e pesquisador docente do Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia. “Isso mostra o quão longe chegamos. Este é o tipo de coisa que há 10 anos as pessoas pensavam ser impossível. Agora somos capazes de atingir metas que simplesmente não achávamos que seriam possíveis em genômica de plantas.”

O genoma da cana-de-açúcar é tão complexo porque é grande e porque contém mais cópias de cromossomos do que uma planta típica, uma característica chamada poliploidia. A cana-de-açúcar tem cerca de 10 bilhões de pares de bases, os blocos de construção do DNA; para efeito de comparação, o genoma humano tem cerca de 3 bilhões.

Muitas seções do DNA da cana-de-açúcar são idênticas dentro e entre diferentes cromossomos. Isso torna um desafio remontar corretamente todos os pequenos segmentos de DNA enquanto se reconstrói o modelo genético completo. Os pesquisadores resolveram o quebra-cabeça combinando múltiplas técnicas de sequenciamento genético, incluindo um método recém-desenvolvido conhecido como sequenciamento PacBio HiFi, que pode determinar com precisão a sequência de seções mais longas de DNA.

Compreendendo e utilizando o genoma da cana-de-açúcar

Ter um “genoma de referência” completo facilita o estudo da cana-de-açúcar, permitindo aos pesquisadores comparar seus genes e caminhos com aqueles de outras culturas bem estudadas, como o sorgo ou outras culturas de interesse para biocombustíveis, como switchgrass e miscanthus. Ao comparar esta referência com outras culturas, fica mais fácil entender como cada gene influencia uma característica de interesse, como quais genes são altamente expressos durante a produção de açúcar ou quais genes são importantes para a resistência a doenças. Este estudo descobriu que os genes responsáveis ​​pela resistência à ferrugem marrom, um patógeno fúngico que anteriormente causou milhões de dólares em danos às plantações de cana-de-açúcar, são encontrados em apenas um local do genoma.

Mapa de ordem genética da cana-de-açúcar

Esta imagem mostra um mapa de ordem genética (criado usando GENESPACE) que compara conjuntos de genoma entre espécies de plantas relacionadas. As linhas brancas horizontais representam cromossomos, e as tranças coloridas que os ligam mostram blocos conservados de genes. Isso permite que os pesquisadores rastreiem genes conservados de interesse de culturas bem pesquisadas (como o Sorghum bicolor; um tipo específico de sorgo) em genomas mais complexos, como a cana-de-açúcar selvagem e a cultivar R570, para entender melhor sua função. Por outro lado, a montagem monoplóide anterior do R570 é fornecida na linha superior, onde múltiplas cópias cromossômicas no genoma foram representadas como uma única montagem em mosaico. Crédito: Adam Healey e John Lovell/HudsonAlpha

“Quando sequenciamos o genoma, conseguimos preencher uma lacuna na sequência genética em torno da doença da ferrugem marrom”, disse Adam Healey, primeiro autor do artigo e pesquisador da HudsonAlpha.

“Existem centenas de milhares de genes no genoma da cana-de-açúcar, mas são apenas dois genes, trabalhando juntos, que protegem a planta desse patógeno. Em todas as fábricas, sabemos apenas alguns casos em que a proteção funciona de maneira semelhante. Uma melhor compreensão de como funciona a resistência a doenças na cana-de-açúcar poderia ajudar a proteger outras culturas que enfrentam patógenos semelhantes no futuro.”

Os pesquisadores estudaram uma cultivar de cana-de-açúcar conhecida como R570, que tem sido usada há décadas em todo o mundo como modelo para entender a genética da cana-de-açúcar. Como todas as cultivares modernas de cana-de-açúcar, a R570 é um híbrido obtido pelo cruzamento da cultivar domesticada espécies de cana-de-açúcar (que se destacou na produção de açúcar) e uma espécie silvestre (que carregava os genes de resistência a doenças).

Impacto potencial na agricultura e na bioenergia

“Conhecer o quadro genético completo do R570 permitirá aos pesquisadores rastrear quais genes descendem de qual genitor, permitindo que os melhoristas identifiquem mais facilmente os genes que controlam as características de interesse para melhorar a produção”, disse Angélique D’Hont, última autora do artigo e pesquisadora de cana-de-açúcar. pesquisador do Centro Francês de Pesquisa Agrícola para o Desenvolvimento Internacional (CIRAD).

Melhorar futuras variedades de cana-de-açúcar tem aplicações potenciais tanto na agricultura como na bioenergia. Melhorar a forma como a cana-de-açúcar produz açúcar poderia aumentar o rendimento que os agricultores obtêm das suas colheitas, fornecendo mais açúcar na mesma quantidade de espaço de cultivo.

A cana-de-açúcar é uma matéria-prima importante, ou matéria-prima, para a produção de biocombustíveis, principalmente etanol, e outros bioprodutos. Os resíduos que permanecem após a prensagem da cana-de-açúcar, chamados de bagaço, são um importante tipo de resíduo agrícola que também pode ser decomposto e convertido em biocombustíveis e bioprodutos.

“Estamos trabalhando para entender como genes específicos em plantas se relacionam com a qualidade da biomassa que obtemos a jusante, que podemos então transformar em biocombustíveis e bioprodutos”, disse Blake Simmons, Diretor de Ciência e Tecnologia do Joint BioEnergy Institute, um DOE Centro de Pesquisa em Bioenergia liderado pelo Berkeley Lab.

“Com uma melhor compreensão da genética da cana-de-açúcar, podemos compreender e controlar melhor os genótipos de plantas necessários para produzir os açúcares e intermediários derivados do bagaço que precisamos para tecnologias sustentáveis ​​de conversão da cana-de-açúcar em uma escala relevante para a bioeconomia.”

Referência: “A complexa arquitetura do genoma poliplóide da cana-de-açúcar” por AL Healey, O. Garsmeur, JT Lovell, S. Shengquiang, A. Sreedasyam, J. Jenkins, CB Plott, N. Piperidis, N. Pompidor, V. Llaca, CJ Metcalfe, J. Doležel, P. Cápal, JW Carlson, JY Hoarau, C. Hervouet, C. Zini, A. Dievart, A. Lipzen, M. Williams, LB Boston, J. Webber, K. Keymanesh, S. Tejomurthula , S. Rajasekar, R. Suchecki, A. Furtado, G. May, P. Parakkal, BA Simmons, K. Barry, RJ Henry, J. Grimwood, KS Aitken, J. Schmutz e A. D’Hont, 27 de março 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07231-4

Este estudo envolveu colaborações com institutos de todo o mundo, incluindo França (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); Austrália (CSIRO Agricultura e Alimentos, Aliança de Queensland para Inovação Agrícola e Alimentar/Centro de Excelência ARC para o Sucesso de Plantas na Natureza e Agricultura – Universidade de Queensland, Sugar Research Australia); República Checa (Instituto de Botânica Experimental da Academia Checa de Ciências); e os Estados Unidos (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). O genoma foi sequenciado no JGI com trabalho concluído nos laboratórios parceiros do JGI, no Arizona Genomics Institute e no HudsonAlpha Institute for Biotechnology.

O Joint Genome Institute é uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência. O Joint BioEnergy Institute é um Centro de Pesquisa em Bioenergia do DOE.



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