Equipe internacional de biólogos evolucionistas investiga os fundamentos genômicos do potencial adaptativo das colheres
Especialistas em plantas frias como as colheres se adaptaram bem aos climas frios das Eras Glaciais. Conforme períodos frios e quentes se alternavam, elas desenvolveram uma série de espécies que também resultaram em uma proliferação do genoma. Biólogos evolucionistas das universidades de Heidelberg, Nottingham e Praga estudaram a influência que essa duplicação do genoma tem no potencial adaptativo das plantas. Os resultados mostram que poliploides – espécies com mais de dois conjuntos de cromossomos – podem ter um acúmulo de mutações estruturais com sinais para uma possível adaptação local, permitindo que ocupem nichos ecológicos repetidamente.
O gênero spoonwort da família Brassicaceae se separou de seus parentes mediterrâneos há mais de dez milhões de anos. Enquanto seus descendentes diretos se especializaram em resposta ao estresse da seca, as spoonworts, ou Cochlearia latina, conquistaram os habitats frios e árticos no início da Era Glacial, há 2,5 milhões de anos. Em seus estudos anteriores, pesquisadores sob a direção de Marcus Koch investigaram como as Cochlearia foram repetidamente capazes de se adaptar aos períodos frios e quentes alternados rapidamente nos últimos dois milhões de anos. Entre outras coisas, as plantas recém-criadas adaptadas ao frio desenvolveram pools genéticos separados que entraram em contato uns com os outros nas regiões frias. A troca de genes deu origem a populações com vários conjuntos de cromossomos. Com o tamanho de seu genoma continuamente reduzido, elas foram então capazes de ocupar nichos ecológicos frios repetidamente.
No entanto, explica Marcus Koch, pouco se sabe até agora sobre os mecanismos genômicos e o potencial que permitem que as plantas se adaptem a mudanças rápidas no ambiente. “Isso é ainda mais extraordinário, pois a maioria de nossas culturas mais importantes é poliploide e, portanto, tem vários conjuntos de cromossomos. Esse fato é o resultado de uma forte seleção durante o processo de cultivo e seleção”, afirma o Prof. Koch, cujo grupo de pesquisa “Biodiversidade e Sistemática Vegetal” está sediado no Centro de Estudos Organismais da Universidade de Heidelberg.
Na pesquisa atual sob a direção de Levi Yant, um genoma de referência diploide com dois conjuntos de cromossomos de uma espécie de colhereira alpina, Cochlearia excelsa, foi sequenciado e um chamado genoma pan reconstruído. Ele une diferentes sequências de genoma e, portanto, mostra as variações genéticas entre indivíduos e outras espécies. Para esse fim, mais de 350 genomas de várias espécies de Cochlearia com diferentes números de conjuntos de cromossomos foram analisados. “Surpreendentemente, os resultados mostram que os poliploides realmente exibem variantes estruturais genômicas com sinais para possível adaptação local com mais frequência do que espécies diploides”, explica o Prof. Yant, pesquisador em genômica evolutiva na Universidade de Nottingham (Reino Unido).
Essas mutações estruturais são ocultadas pelas cópias adicionais do genoma e, portanto, são protegidas da seleção até certo ponto, porque o acúmulo de variantes estruturais também pode resultar em perda de função. Com seus modelos, a equipe de pesquisa internacional foi capaz de demonstrar ainda mais que as variantes estruturais específicas do poliploide também aparecem nas mesmas regiões genéticas que podem desempenhar um papel significativo em futuras adaptações climáticas. Uma análise detalhada dos dados genômicos mostrou que isso envolve principalmente processos biológicos de germinação de sementes ou resistência contra doenças de plantas, de acordo com o Dr. Filip Kolár, que conduz pesquisas na Charles University em Praga e na Czech Academy of Sciences.
No entanto, é provavelmente altamente improvável que as espécies de Cochlearia encontradas na Europa Central hoje sobrevivam às mudanças climáticas no final, como o Prof. Koch enfatiza. “Especialmente a diploide Cochlearia excelsa não pode migrar mais para regiões mais altas e frias nas montanhas austríacas, uma vez que esta espécie de colhereira já atingiu as regiões de cume até certo ponto. A colhereira dos Pireneus das colinas e montanhas da Europa Central também terá dificuldades.” Os pesquisadores mostraram, no entanto, que todo o pool genético, especialmente nos especialistas poliploides do frio, pode sobreviver, particularmente nas regiões do norte da Terra. A história evolutiva dessas plantas crucíferas, portanto, fornece insights sobre como as plantas podem ser capazes de lidar com as mudanças climáticas no futuro.
O trabalho de pesquisa foi conduzido em particular dentro da estrutura de uma bolsa do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), uma Bolsa Inicial do ERC para Levi Yant. A equipe cooperante da Universidade de Heidelberg desenvolveu o sistema modelo Cochlearia ao longo dos últimos 25 anos com financiamento da Fundação Alemã de Pesquisa. As descobertas foram publicadas no periódico “Nature Communications”.
T. Hämäla, C. Moore, L. Cowan, M, Carlile, D. Gopaulchan, MK Brandrud, S. Birkeland, M. Loose, F. Kolár, MA Koch, L. Yant: Impacto de duplicações de genoma inteiro na evolução de variantes estruturais em Cochlearia. Nature Communications 15, 5377 (2024).
