Um grupo internacional de pesquisadores liderada por cientistas brasileiros montou a sequência genômica completa a maior parte da cana de açúcar comercial. Eles mapeado 373.869 genes ou 99,1 por cento do genoma total.
Este feito é o resultado de quase 20 anos de pesquisa, e servirá como base para o melhoramento genético das culturas de maior tonelagem do mundo, segundo a Organização para a Alimentação e Agricultura das Nações Unidas (FAO).
Um artigo que descreve o estudo está publicado na GigaScience. Seus principais autores são Glaucia Mendes Souza, professor do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP) e membro do comité de direcção da Research Programa de Bioenergia FAPESP (BIOEN-FAPESP), e Marie-Anne Van Sluys, professor do Instituto de Biociências da mesma universidade (IB-USP) e membro do Painel Adjunto Ciências da Vida FAPESP.
"É a primeira vez que todos os genes da cana planta, ou a grande maioria são. Em projectos anteriores dos vários grupos de investigação, tinham sequências a entrar em colapso devido à falta de uma ferramenta adequada de montagem, de modo que era apenas uma aproximação "disse Souza.
"Este conhecimento abre muitas possibilidades, a partir de aplicações em biotecnologia para o melhoramento genético e de edição de genes [substituição ou deleção de genes com funções específicas]," disse Van Sluys.
Desafios
Como os pesquisadores explicaram, híbridos comerciais de cana de açúcar existentes cresceram durante milhares de anos que cruzam diferentes variedades de duas espécies (Saccharum officinarum e S. spontaneum) e tem um genoma altamente complexo que inclui 10 bilhões de pares de bases 100-130 cromossomas. A sequenciação do genoma não é uma tarefa fácil, uma vez que requer considerável capacidade de computação para montar fragmentos de ADN e manter cromossomas homólogos separadas.
Para comparação, o genoma de trigo contém 17 mil milhões de pares de bases, mas apenas 46 cromossomas, ao passo que o genoma humano tem apenas 3,2 mil milhões de pares de bases, também organizados em 46 cromossomas.
Embora a tecnologia disponível no início do projecto foi capaz de produzir sequências longas, essas sequências longas teve que ser construído a partir de fragmentos mais pequenos. A montagem do genoma com estas sequências necessário poder de computação considerável que foi fornecida pela Microsoft.
A idéia de sequenciar todo o genoma da cana-de-açúcar vai voltar para o início do Programa BIOEN em 2008. A apresentação de Souza em uma conferência realizada pela Microsoft e FAPESP em 2014 deixou David Hackerman, pesquisador do Instituto de Pesquisa da Microsoft em Los Angeles, fascinado. com os desafios computacionais colocados pela iniciativa. Ele propôs uma parceria com a FAPESP, que tomou a forma do projeto "Desenvolvimento de um algoritmo para a montagem do genoma polyploid de cana-de-açúcar", com Souza como o investigador principal financiado pela FAPESP Pesquisa em Parceria para Inovação Tecnológica (PITE). O projeto foi uma colaboração com outros parceiros, como Bob Davidson, em seguida, um pesquisador com a Microsoft em sua unidade de Seattle e agora com Amazon.
A sequência publicada permitiu, pela primeira vez identificado em segmentos do genoma de diversidade chamados promotores de genes, as regiões de ADN que a express do gene de controlo.
"Embora em alguns casos, os genes são 99,9 por cento idêntico, podemos detectar diferenças em seus promotores, e estes ajudam-nos a determinar o ancestral cópias derivados, S. officinarum ou S. spontaneum", disse Souza. A concretização permite estudar, por exemplo, como diferentes cópias contribuir para aumentar os rendimentos de açúcar e fibras e que cópias pode ser vantajoso para os diferentes genótipos de programas seleccionados para produzir variedades de cana do açúcar e de energia.
"O resultado confirma a liderança do Brasil e do Estado de São Paulo na pesquisa sobre cana-de-açúcar, que é tão importante para a nossa fábrica país. Ele também reflete a previsão pela comunidade de pesquisa e FAPESP São Paulo, sobre o desafio de aprender sobre o genoma da cana ao conhecimento extrato que vai levar a maior eficiência e produtividade. Devemos sempre lembrar que a pesquisa sobre cana-de-açúcar é um dos fatores que permitiram ao Brasil atingir algo que nenhum outro país de tamanho semelhante tem alcançado até à data, ou seja, produzem 40 por cento de sua energia total. energia renovável e de baixa emissão de carbono ", disse Carlos Henrique de Brito Cruz, diretor científico da FAPESP.
Fundo
A variedade foi seleccionado para sequenciação SP80-3280 porque existe mais dados disponíveis nesta variedade na literatura científica que qualquer outra variedade. Projecto do Genoma durante cana de açúcar (conhecido como Fapesp SucEST, 1999-2002), parcialmente 238000 fragmentos funcionais de genes de esta estirpe foram sequenciados.
Hoje, SP80-3280 está entre os 20 melhores variedades de cana cultivadas no estado de São Paulo. Também faz parte da genealogia de diversas variedades comerciais, como ele é usado em novos cruzamentos. o rendimento agrícola é alto, e torna-se facilmente crescer pelo método sett (os setts são estacas retiradas de plantas mais velhas que contenham um ou mais focos), por isso é uma opção para colheita tardia, no final do ano colheita no estado de São Paulo.
"O conhecimento adquirido para esta variedade pode ser aplicado a estudos de outros genótipos, principalmente para a descoberta de genes que controlam o acúmulo de biomassa", disse Augusto Lima Diniz, co-autor do estudo e atualmente está fazendo um estágio de pesquisa no exterior em Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) nos Estados Unidos como parte de sua pesquisa de pós-doutorado IQ-USP.
Souza e Van Sluys participou recentemente numa equipa internacional para sequenciar o genoma de S. spontaneum, as espécies ancestrais que corresponde a 10-15 por cento do genoma comercial de cana. S. officinarum fornece 80-85 por cento, 5 por cento e são cromossomas recombinantes destas duas espécies progenitoras. O estudo está publicado na revista Nature Genetics.
Em 2018, a Van Sluys foi um dos autores de um artigo sobre os resultados de um estudo que mapeados cerca de metade do genoma de cana monoploide (apenas um cromossoma de cada par).
Com base nas informações obtidas a partir deste último esforço de sequenciar todo o genoma, os pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) são ferramentas de desenvolvimento para o melhoramento genético da cana e testar vários genes candidatos em plantas geneticamente modificadas (GM ). Eles também estão realizando estudos genômicos comparativos em grandes famílias de genes a fim de compreender suas contribuições para variedades de cana utilizadas em programas de melhoramento no Brasil. Eles esperam encontrar genes que podem aumentar a produtividade, melhorar a resistência à seca e contribuem para o desenvolvimento de novos compostos de cana.
"Também estamos oferecendo à comunidade um navegador Genoma que pode ser usado para encontrar genes específicos e analisar as sequências em comparação com exercícios de sequenciamento anteriores. Este será valioso para projetos de biotecnologia não só relacionadas com a cana-de-açúcar, mas também outras culturas e plantas ", disse Souza.