Descoberto o gene que controla a simbiose entre fungos e plantas

Uma equipe de cientistas liderada pelo Departamento de Energia do Laborátorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, na sigla em inglês) descobriu o gene específico que controla uma importante relação simbiótica entre plantas e fungos do solo, e obtiveram sucesso ao tentar facilitar a simbiose numa planta que tipicamente não se associa com esses fungos.

Essa descoberta poderia levar ao desenvolvimento de cultivares para bioenergia e agricultura que resistam a condições severas, a patógenos e pragas, que precisem de menos fertilizantes químicos e que produzam colheitas maiores e mais abundantes por área plantada.

Cientistas têm desenvolvido nos últimos anos um entendimento mais profundo sobre a complexa relação que plantas têm com fungos micorrízicos. Esses fungos criam um revestimento em volta das raízes, trazendo benefícios excepcionais. A estrutura dos fungos se estende muito além da planta hospedeira, aumentando a capacidade de absorver nutrientes e ainda se comunicar com outras plantas para “alertá-las” sobre a presença de patógenos e pragas. Em troca, as plantas alimentam os fungos com seu carbono para que eles possam crescer.

Micélios de fungos se espalhando pelo solo. (Créditos da imagem: Nigel Cattlin / Alamy)

Acredita-se que essa simbiose tenha ajudado a colonização ancestral da terra por plantas, possibilitando o surgimento de ecossistemas como as vastas florestas e pradarias. Estima-se que 80% das plantas tenham micorrizas associadas a suas raízes.

“Se pudermos entender o mecanismo molecular que controla a relação entre plantas e fungos benéficos, então poderemos usar essa simbiose para conseguir condições específicas nas plantas, como resistência a seca, patógenos, melhor absorção de nitrogênio e nutrientes, dentre outras” – disse Jessy Labbe, geneticista molecular do ORNL. “As plantas resultantes cresceriam mais e precisariam de menos água e fertilizantes, por exemplo”.

Encontrar os gatilhos genéticos que permitem a simbiose tem sido um dos tópicos mais desafiadores no campo de estudos das plantas. A descoberta, descrita na Nature Plants, chega depois de 10 anos de pesquisas na ORNL e em instituições parceiras, que buscaram produzir melhores cultivares destinados à produção de bioenergia, como no caso do álamo (Populus spp.). O trabalho foi bem-sucedido devido a avanços na última década em sequenciamento genético, genética quantitativa e computação de alta performance, combinados com biologia experimental.

Os cientistas estavam estudando a simbiose formada por certas espécies de álamos e o fungo Laccaria bicolor. A equipe usou os supercomputadores da Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação da Agência de Ciência dos Estados Unidos que fica na ORNL, juntamente com sequências genômicas produzidas pela Joint Genome Institute, também da Agência de Ciência americana, localizada no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, para direcionar a pesquisa a uma proteína receptora particular, a PtLecRLK1.Tendo identificado o gene candidato mais provável, os pesquisadores foram ao laboratório em busca de validação.

Laccaria bicolor frutificando no solo e colonizando raízes de Populus. (Créditos da imagem: Jessy Labbe/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy)

“Validação experimental é a chave para essa descoberta, pois o mapeamento genético revelou associações estatísticas entre a simbiose e o gene, mas foi a validação experimental que nos deu uma resposta definitiva, que é esse gene particular que controla a simbiose”, disse a biologista molecular de plantas da ORNL, Jay Chen.Os pesquisadores escolheram a arabidopsis, uma planta que tradicionalmente não interage com o fungo L. bicolor e ainda o considera uma ameaça, de acordo com seus experimentos. Eles criaram uma versão modificada da planta, capaz de expressar a proteína PtLecRLK1, e a inocularam com o fungo, que cobriu completamente a ponta das raízes, indicando a formação de simbiose.

“Nós demonstramos que é possível converter uma planta não hospedeira em hospedeira”, disse o geneticista quantitativo da ORNL, Wellington Muchero. “Se conseguimos fazer uma arabidopsis interagir com esse fungo, então acreditamos que possamos fazer o mesmo com outros cultivares de bioenergia ou agricultura para ter os mesmos benefícios. Isso abre as portas para muitas oportunidades em vários sistemas de plantas. Surpreendentemente, um gene é tudo que você precisa”.

Cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison, Universidade de Lorraine, na França, e do Instituto Hudson Alpha para Biotecnologia, no Alabama, também contribuíram para o projeto. O trabalho teve a ajuda da Agência de Ciência, do Centro para Inovação em Bioenergia (CBI, na sigla em inglês) e seu predecessor Centro de Ciência em Bioenergia (BESC, na sigla em inglês). Um dos objetivos centrais do CBI é criar cultivares de biomassa para produção sustentável usando a genética e a engenharia. Tanto o CBI quanto o BESC têm desenvolvido abordagens experimentais e computacionais que aceleram a identificação da função de um gene na planta.

“Essa é uma grande conquista que poderia levar ao desenvolvimento de cultivares para bioenergia com habilidades para sobreviver e prosperar em terras subutilizadas, não agricultáveis”, disse o diretor do CBI, Jerry Tuskan. “Nós poderíamos utilizar uma área de 10 a 20 milhões de hectares com esse cultivar resistente, que precisa de menos água, e impulsionar as chances de sucesso de uma economia rural “verde”, fornecendo alternativas sustentáveis para gasolina e matérias-primas industriais”.

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Traduzido de: EurekAlert

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