Novos truques genéticos para aumentar rendimento das colheitas têm pistas de antigos agricultores

(Por Science) Quando os agricultores da antiguidade colhiam suas colheitas, alguns guardavam as sementes produzidas pelas plantas com melhor desempenho e as semeavam no ano seguinte. Gradualmente, essa seleção levou a resultados cada vez melhores, como o aumento do tamanho e do número de grãos de milho – características que ajudaram a pavimentar o caminho para o milho moderno. Agora, uma equipe liderada por pesquisadores na China identificou um único gene por trás desse aumento crucial de produtividade no milho e o vinculou também a melhorias iniciais nas colheitas de arroz.

“Eu nunca vi nada realmente assim antes”, diz Matthew Paul, geneticista de plantas da Rothamsted Research, que não esteve envolvido no novo estudo. E a descoberta sugere que pode ser possível melhorar outras culturas de cereais, como o trigo, apenas mudando um único gene. “Encontrar algo assim que pode mover a agulha é intrigante”, diz Jeff Habben, fisiologista de plantas da Corteva, uma empresa que cria novas variedades de milho e outras culturas.

O rendimento de grãos é tipicamente controlado por um conjunto complexo de muitos genes, o que torna difícil para os criadores de plantas tradicionais obter mais do que ganhos incrementais a cada ano. Em 2004, o geneticista e criador de milho Li Jiangsheng da China Agricultural University (CAU) começou a explorar a genética do teosinto, o ancestral selvagem do milho, que os primeiros agricultores domesticaram e criaram para criar milho comestível . Uma grande mudança: enquanto o teosinto tem apenas duas fileiras de grãos, o milho moderno tem mais de uma dúzia. Para entender o que mudou geneticamente, Li e seus colegas passaram anos criando um tipo intermediário experimental de milho que tem seis fileiras.

Ao mapear marcadores genéticos, Li e uma equipe ainda maior identificaram um gene que influencia o número de fileiras de grãos neste milho cultivado em laboratório. Eles chamaram o gene KRN2 , para o número da linha do kernel. Dois tipos de experimentos demonstraram os efeitos do KRN2 . Quando os pesquisadores aumentaram a atividade do gene, as plantas produziram espigas com menos duas fileiras de grãos. Em contraste, quando nocautearam, ou desativaram, o gene, as plantas produziram espigas com duas fileiras adicionais. Em testes de campo, eliminar o gene aumentou o peso da colheita de milho em 10% , sem efeitos colaterais indesejáveis ​​óbvios, relata a equipe hoje na Science .

Os pesquisadores dizem que seus estudos sugerem que os antigos agricultores de milho tinham, de fato, selecionado mudanças genéticas em uma região do DNA que freia a atividade do KRN2 ; essas mudanças aliviaram o freio, aumentando assim as linhas de kernel. E a equipe descobriu que antigos produtores de arroz também podem ter explorado um mecanismo genético semelhante. Yang Xiaohong, biólogo molecular da CAU, ajudou a mostrar que um gene muito semelhante, que eles chamam de OsKRN2 , tem a mesma função no arroz, influenciando o número de panículas – os pequenos ramos portadores de sementes. “Quando obtivemos os resultados no outono de 2020, ficamos empolgados”, diz ela. Testes de campo mostraram que a eliminação do OsKRN2 aumentou os rendimentos do arroz em 8%.

Os pesquisadores ainda estão tentando entender exatamente como os dois genes influenciam o número de grãos no arroz ou no milho. A maior parte desse trabalho envolve variedades de arroz e milho usadas principalmente para pesquisa, mas a equipe também modificou o KRN2 em uma das variedades de milho mais comuns plantadas na China, chamada Zhengdan958. “É aí que a borracha cai na estrada, do ponto de vista da indústria”, diz Habben. Os resultados iniciais sugerem que a eliminação do gene adiciona uma linha extra de grãos.

Enquanto isso, pesquisadores da CAU estão tentando modificar uma versão do KRN2 no trigo, com base no palpite de que o KRN2 também pode aumentar os grãos em outros cereais. A equipe do CAU também está planejando verificar se o KRN2 pode ajudar a aumentar o rendimento de grãos em parentes silvestres de gramíneas, um primeiro passo para a criação de novas culturas que melhoraram a resiliência contra condições ambientais mais difíceis, como seca ou calor.

Pode haver muitos outros genes-chave de culturas que os agricultores antigos, sem saber, favoreciam – e agora podem ser bem utilizados pelos criadores de plantas modernos. Em um primeiro passo para identificá-los, um autor do novo estudo, o criador molecular Yan Jianbing, da Huazhong Agricultural University, procurou sinais de seleção nos genomas de arroz e milho. Ele e seus colegas encontraram 488 genes além de KRN2 e OsKRN2 que sofreram seleção em ambos os grãos. Kan Wang, biólogo molecular da Iowa State University, está impressionado com o escopo da análise. “Eles fornecem grandes evidências”, diz ela. “É trabalho duro.”

Muitos desses genes estão envolvidos no metabolismo do amido, o que faz sentido porque as plantas enchem suas sementes com amido. Há muito tempo, os agricultores provavelmente selecionaram plantas que carregavam esses genes para ajudar a encher seus estômagos com colheitas mais abundantes de arroz e milho.