Famílias de Genes Ligadas à Restauração da Fertilidade em Cereais

Nas práticas de reprodução contemporâneas, é essencial aprofundar-se nas intrincadas interações genéticas que ocorrem não apenas nos loci CMS e Rf, mas também em outros loci que influenciam a fertilidade das plantas, a escolha entre autopolinização e polinização cruzada, e o desempenho geral da hibridação. Esta compreensão é fundamental para o avanço de iniciativas de cruzamento livre.

Este estudo revelou uma notável expansão e diversidade dentro das famílias de genes RFL e mTERF relacionadas com a restauração da fertilidade. Além disso, lançou luz sobre os mecanismos evolutivos que governam estes genes, abrindo novas perspetivas para melhorar a produção de híbridos em trigo e variedades relacionadas.

Análise Comparativa de Larga Escala das Famílias de Genes RFL em Cereais

A investigação comparativa inaugural em todo o genoma da família de genes RFL (restauração reprodutiva) no arroz e na cevada revelou um grau notável de variação estrutural e de número de cópias, tanto dentro como entre espécies. Uma análise aprofundada, incluindo análises de covariância e conservação de sequências, revela que as sequências RFL agrupadas têm maior probabilidade de sofrer diversificação em comparação com aquelas dispersas fora desses agrupamentos. Esta diversidade dentro do ramo RFL é impulsionada por interações genéticas complexas entre os genes CMS e os genes Rf, que, em última análise, levam à esterilidade.

Notavelmente, o genoma do trigo possui uma abundância incomumente alta de genes RFL, com a "Chinese Spring" possuindo sozinha 207 desses genes, um contraste notável com outras angiospermas, onde a contagem normalmente varia entre 20 a 30. Em busca dessas informações, os pesquisadores desenvolveram um método de captura de sequência RFL, semelhante às abordagens empregues para genes R. Probes específicas para RFL, projetadas sob medida, foram utilizadas para a captura de sequência, usando sequências RFL obtidas do trigo pão, seus doadores subgenómicos e variedades relacionadas. Genes candidatos responsáveis pela recuperação de Rf1 e Rf3 foram identificados através de comparações entre sequências encontradas em genótipos recuperados e não recuperados, com suas funcionalidades posteriormente confirmadas através de experimentos transgénicos.

Aproveitando a disponibilidade de sequências de genomas de referência para centeio e trigo, os investigadores caracterizaram com sucesso o Rfmulti multilocus (Restauração da fertilidade em múltiplos sistemas de CMS). Este esforço levou à identificação de um gene candidato para o Rfmulti dentro do genoma do trigo através da análise comparativa de regiões conservadas partilhadas entre os genomas de centeio e trigo. A fase seguinte envolve a validação experimental desta previsão.

Expansões das famílias de genes RFL e mTERF em Triticeae e parentes. (Melonek et al., 2022)

Descoberta de Genes mTERF do Tipo RFL no Pan-Genoma do Trigo

Estudos anteriores sobre centeio e cevada sugeriram que membros da família mTERF (fator de terminação da transcrição mitocondrial) podem desempenhar um papel crucial na restauração da fertilidade em cereais. Estas proteínas são caracterizadas por um motivo repetitivo que abrange aproximadamente 30-35 aminoácidos, conhecido como motivo mTERF, que se assemelha às proteínas PPR. Nos cereais, existe uma semelhança notável entre a distribuição de genes mTERF dispersos e agrupados. Aproximadamente 21-32 genes dispersos alinham-se com os 24 genes dispersos identificados em Arabidopsis, muitos dos quais exibem alta conservação e provavelmente representam homólogos. Em contraste, os genes mTERF agrupados sofrem uma amplificação significativa nos cereais, com mais de 300 no trigo e aproximadamente 100 no centeio. Os mTERFs agrupados exibem um padrão evolutivo que lembra o ramo de genes RFL-PPR, caracterizado por alta semelhança entre os parálagos, mas semelhança relativamente menor entre linhagens diretas. No centeio, os clusters RFL e mTERF no cromossoma 4R sobrepõem-se a regiões genómicas que abrigam os loci de recuperação Rfp1, Rfp2 e Rfp3. Dentre estes, a sequência de Rfp1 é a única que foi clonada e caracterizada como um gene mTERF.

A precisão das montagens de complexos de genes RFL e mTERF foi significativamente melhorada devido a avanços em sequenciação e estratégias de montagem adaptadas a genomas de cereais ricos em sequências repetitivas. Isso é evidente no número de genes RFL obtidos através de quatro montagens distintas. Montagens de genoma de referência refinadas, em conjunto com extensos pan-genómico e conjuntos de dados pan-transcriptómicos com sequências de longas leituras, serão inestimáveis na desvendar da diversidade e expansão dos genes RFL e mTERF em cereais.

Evolução da Sequência Mitocondrial e o Seu Impacto na Manutenção do Traço de CMS

As rearranjos no genoma mitocondrial são uma ocorrência comum em plantas e frequentemente levam ao surgimento de novas sequências de leitura abertas (ORFs), algumas das quais contribuem para a esterilidade masculina. Todos os genes de CMS conhecidos exibem estruturas mosaico, conferindo às plantas estéreis masculinas uma vantagem sobre os hermafroditas na produção de sementes ao redirecionar a energia alocada ao desenvolvimento do pólen para a produção de sementes. Isso, por sua vez, promove a transmissão do CMS. genoma mitocondrial através da herança materna. No entanto, a consequente proliferação de plantas estéreis masculinas cria uma pressão de seleção significativa a favor dos genes Rf, que atuam para contrabalançar a CMS. Essas plantas portadoras de Rf podem então polinizar os indivíduos estéreis masculinos que não possuem genes Rf.

Notavelmente, no contexto do sistema Ogu-CMS na rúcula, uma descoberta recente identificou uma substituição de nucleotídeo único na sequência do gene orf138 como o gatilho para a esterilidade masculina. Intrigantemente, esta mutação foi encontrada dentro do local de ligação da proteína de recuperação Rfo e resultou numa redução significativa da afinidade da Rfo por este local. Além disso, este estudo revelou um novo gene de restauração, Rfs, que é capaz de suprimir efetivamente a esterilidade induzida pela mutação do orf138.

Interacções entre o genoma mitocondrial e nuclear na CMS e na restauração da fertilidade em plantas. (Melonek et al., 2022)

Investigações comparativas sobre genoma de referência sequências e dados pan-genómicos revelaram uma proliferação substancial e uma diversidade extraordinária dentro das famílias de genes RFL e mTERF, que servem como os principais reservatórios de genes de restauração da fertilidade em culturas de cereais. Olhando para o futuro, a integração de estudos de associação em todo o genoma com técnicas avançadas tecnologias de sequenciação de leitura longa está preparado para acelerar a identificação e caracterização de novos genes de restauração, pronto para melhorar os programas de reprodução híbrida. Além disso, essas descobertas prometem proporcionar novas perspetivas sobre os mecanismos pelos quais os genes Rf nucleares mitigam eficazmente as características relacionadas com a CMS.

Referência:

1. Melonek, Joanna, e Ian Small. "As sequências do genoma de Triticeae revelam enormes expansões de famílias de genes implicadas na restauração da fertilidade." Current Opinion in Plant Biology 66 (2022): 102166.