Ipê-roxo é primeira árvore do Cerrado a ter genoma sequenciado

quinta-feira, janeiro 25, 2018

Cientistas da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia (DF) e da Universidade Federal de Goiás (UFG) sequenciaram, pela primeira vez, o genoma de uma espécie nativa do Cerrado: o ipê-roxo (Handroanthus impetiginosus). A conquista é tema de artigo publicado na revista GigaScience, da Universidade de Oxford, Reino Unido. O estudo teve apoio financeiro da Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Uma possível aplicação do sequenciamento genômico do ipê-roxo é auxiliar órgãos ambientais na análise forense para combater a exploração clandestina de madeira. Não é apenas a beleza do ipê-roxo que atrai os olhares dos mercados nacional e internacional. Trata-se de uma árvore que fornece madeira densa, de alta qualidade e resistente ao ataque de insetos e à ação do fogo. Todos esses predicados fazem com que o ipê seja conhecido hoje como o novo mogno, muito utilizado na fabricação de pisos, decks e assoalhos, principalmente nos Estados Unidos. Além disso, devido à produção e ao armazenamento de compostos químicos de interesse para a área de saúde, é uma árvore bastante visada para exploração de produtos medicinais. No Brasil, uma fração significativa da sua exploração madeireira acontece clandestinamente, sem manejo certificado. A genotipagem pode auxiliar os órgãos ambientais a rastrearem as árvores exploradas ilegalmente.

Segundo o pesquisador da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, o físico Orzenil Silva-Junior, primeiro autor do artigo, o ipê-roxo foi escolhido pela sua importância ecológica no bioma, por já contar com informações técnicas importantes (caracterização molecular e análise filogeográfica preliminares), e também pelo grande acervo de material biológico adquirido graças à ampla coleta realizada pela professora Rosane Collevatti, do Laboratório de Genética & Biodiversidade da UFG. Orzenil explica que o sequenciamento do ipê-roxo não teria sido possível sem a expertise desse grupo com espécies nativas do Cerrado, que há anos trabalha na compreensão da distribuição das populações da espécie a partir de dados ecológicos, demográficos, geográficos e genéticos.

A pesquisa começou em 2013 e é fruto da cooperação científica entre Rosane Collevatti e o pesquisador da Embrapa Rercursos Genéticos e Biotecnologia, Dario Gattapaglia, com recursos do CNPq e e da rede NEXTREE FAP-DF/Pronex, liderada pelo cientista da Embrapa.

Ferramentas genômicas são aliadas da conservação das espécies nativas

O sequenciamento do genoma de espécies nativas do Cerrado otimiza e reduz os custos de conservação em todas as etapas, começando pela coleta de material genético, como explica Orzenil. No caso do ipê-roxo, que é uma espécie encontrada nas regiões Norte, Nordeste, Centro-Oeste e Sudeste do Brasil, estendendo-se até a Bolívia e regiões secas dos Andes no Peru até o México, com um número de subgrupos geneticamente diversos, as ferramentas genômicas podem auxiliar a racionalizar a coleta, reduzindo custos e esforços, permitindo a organização das ações de acordo com o conhecimento da diversidade genética dessa árvore. Para a conservação e uso sustentável do ipê-roxo, o conhecimento molecular pode ajudar a selecionar genótipos, além de evitar redundância.

Etapas do sequenciamento genômico

A primeira etapa do sequenciamento genômico resultou na obtenção de sequências biológicas contínuas, com tamanho superior a dois mil pares de bases, não redundantes e geneticamente ordenadas. A montagem das sequências estabelece uma escala física de medida, que funciona como uma “régua”, compara Orzenil, na qual é possível, por exemplo, observar as distâncias entre os pontos do genoma em que se verificam diferenças nas sequências de DNA entre diferentes indivíduos da espécie avaliada. Essa régua não é perfeita porque essas diferenças podem ser bem amplas, mas é uma aproximação útil. “Esse é um conceito bastante interessante, denominado pan-genoma, e tem implicações importantes para estudos genéticos ou em aplicações do melhoramento e da biotecnologia”, explica o pesquisador.

Depois, o conteúdo do genoma é anotado para identificar os elementos genéticos prioritários para os objetivos específicos de estudos que se seguirão, tais como genes e seus produtos, variantes de DNA. Segundo o pesquisador, é uma etapa longa e trabalhosa porque envolve a análise comparativa com base de dados extensa e, muitas vezes, de pouca acurácia ou de baixa representação para a espécie-alvo. No caso do ipê-roxo, que é a primeira espécie na família Bignoniaceae, a análise comparativa é pouco frutífera e exigiu a geração de novos dados experimentais.

A última etapa é a disponibilização dos dados genômicos em bancos internacionais, nos quais ficam acessíveis para as comunidades científicas no mundo. Hoje, existem grandes bancos de dados de sequências biológicas, tais como o GenBank/NCBI, nos Estados Unidos, o ENA/EMBL-EBI, na Europa e o DDBJ, no Japão. No caso do ipê-roxo, os dados foram depositados no National Center for Biotechnology Information (NCBI), em Maryland, EUA. Mas o banco escolhido não faz muita diferença, como explica Orzenil, já que trocam informações entre si, sob a coordenação da iniciativa International Nucleotide Sequence Database (INSDC).

Evolução do conhecimento

Acima de tudo, a equipe comemora o fato de ter conseguido estabelecer uma plataforma de alto desempenho para genotipagem de espécies de Handroanthus, abrindo caminho para a análise genética de outras espécies nativas do Cerrado. “Está claro, atualmente, que cada genoma conta uma história particular, mas o conhecimento adquirido facilita os novos desafios, especialmente no campo da análise. Em menos de quatro anos, já temos uma base de ativos biológicos para investigar variantes genéticas descobertas em cerca de 17 mil de 28 mil genes bem anotados no genoma da espécie”, afirma Orzenil. Outros estudos já estão em andamento com caju, mangaba, baru, cagaiteira e uma árvore ameaçada do Cerrado, denominada dedaleiro.

Avanços genômicos sobre espécies nativas do Cerrado representam mais uma esperança para este bioma, que, depois da Mata Atlântica, é o ecossistema brasileiro que mais sofreu alterações com a ocupação humana. Hoje, apenas 0,85% do Cerrado encontra-se oficialmente em unidades de conservação. Cerca de 80% já foram modificados pelo homem em decorrência da expansão agropecuária, urbana e construção de estradas e somente 19,15% da área mantém a vegetação original.

Sequenciar genomas é como desvendar uma galáxia

Orzenil compara o sequenciamento de genomas a desvendar uma galáxia. “Se, na galáxia, os planetas estão organizados por forças gravitacionais, nos genomas, as informações genéticas estão dispostas de acordo com as forças evolutivas, como: recombinação, mutação, deriva genética, seleção e fluxos gênicos”, compara. E complementa: “As ferramentas genômicas são como telescópios modernos e permitem que os cientistas infiram a trajetória evolutiva das populações de plantas no ambiente, a partir do conhecimento dos genes e da sua ligação aos fenótipos”.

O sequenciamento do genoma de um organismo resulta em uma escala de medidas para definir pontos fisicamente espaçados, tais como os SNPs (do inglês Single Nucleotide Polymorphism), que, segundo Orzenil, são variações do DNA que ajudam a entender aspectos da história evolutiva de populações à luz da ciência genética. De posse dessas informações, e incluindo dados de distribuição geográfica, demográfica e ecológica, entre outros, é possível inferir eventos ancestrais correlacionados com modificações nas populações.

O conhecimento sobre o passado das plantas oferece aos pesquisadores a possibilidade de prever o comportamento delas no futuro, em nível populacional, por exemplo, em relação a mudanças ambientais e climáticas projetadas nos cenários probabilísticos. Antecipar essas mudanças nas populações é essencial para garantir a proteção dos recursos genéticos e até mesmo planejar usos eficientes da diversidade genética tanto no melhoramento convencional quanto na biotecnologia.

Outro aspecto importante, segundo Orzenil, é que a distribuição espacial de SNPs no genoma pode ser convertida em informação de distância genética por meio da genotipagem de vários indivíduos em experimentos genéticos. “Essa informação é normalmente utilizada pelo melhorista para monitorar cruzamentos genéticos e descobrir genes de interesse ligados, por exemplo, ao aumento de produtividade ou à resistência a doenças, com auxílio da biometria,” ilustra o pesquisador. Adicionalmente, aliada à genômica estatística, essa informação tem aplicação direta no melhoramento com emprego de técnicas de predição genética.

Como complementa o pesquisador da Embrapa Dario Grattapaglia: “o melhoramento assistido por dados genômicos permitiu uma mudança de paradigma. Passamos da inferência genética, a partir da qual os dados são observados por meio de testes de hipótese e estimação de efeitos, para a predição genética de dados futuros”. Esse conhecimento permite determinar o efeito agregado das variações em todo o genoma, influenciando características agronômicas ou industriais de interesse.

Fonte: Embrapa