Sequenciação de DNA na Prática: Personalização de Culturas, Otimização de Pecuária e Agricultura Baseada no Microbioma

Neste momento, o desenvolvimento inovador de Sequenciação de DNA A tecnologia está a impulsionar mudanças sistemáticas sem precedentes no campo agrícola. Desde o sequenciamento do primeiro genoma de planta, a atualização iterativa da tecnologia de biologia molecular tem continuamente expandido a fronteira cognitiva da ciência agrícola: desde o posicionamento preciso de genes de características agronómicas chave até à prática bem-sucedida da tecnologia de edição genética direcionada baseada no sistema CRISPR-Cas9 na melhoria de culturas, o sistema agrícola moderno está a acelerar a transformação do modo extensivo dominado pela experiência tradicional para o paradigma preciso e inteligente que depende de grandes dados genómicos.

Este artigo expõe a aplicação da tecnologia de sequenciação de DNA na prática agrícola e mostra o seu papel na promoção da transformação da agricultura para um paradigma de inteligência de precisão.

Sequenciação de DNA na Modernização da Reprodução de Culturas

A conclusão do esboço do genoma do arroz em 2000 marcou a entrada da melhoramento de culturas na era do genoma. Sendo o alimento básico de metade da população mundial, a análise da sequência do genoma do arroz, com 430 milhões de pares de bases, fornece uma base molecular para identificar características-chave, como rendimento e resistência a stress. Subsequentemente, o sequenciação do genoma completo do milho, trigo, soja e outras culturas importantes foi concluído uma após a outra, o que permitiu aos melhoradores compreender o mecanismo genético da formação de características ao nível do DNA.

O progresso de sequenciação do genoma a tecnologia promoveu a revolução da eficiência na melhoramento de culturas. O sequenciamento de mapas inicial dependia da clonagem BAC e Sequenciação de Sanger, que levou vários anos e foi caro. No entanto, o sequenciação de segunda geração (NGS) a tecnologia reduziu o custo do re-sequenciamento do genoma do arroz para menos de 1.000 dólares e encurtou o tempo para várias semanas. A leitura longa de moléculas únicas de terceira geração e sequenciação longa (tais como PacBio SMRT) resolveu o problema de montagem de genomas complexos (como o trigo hexaploide), completou o mapeamento detalhado de 21 pares de cromossomas no trigo e tornou possível clonar genes de características complexas, como o gene de resistência ao oídio Pm21.

Visão geral de três sistemas de sequenciação de próxima geração de alto rendimento (Huq et al., 2016)

Na reprodução tradicional, a triagem de resistência a doenças depende da identificação por inoculação em campo, o que é demorado e trabalhoso, além de ser facilmente afetado pelo ambiente. A tecnologia de seleção assistida por marcadores (MAS), impulsionada pelo sequenciamento de DNA, revolucionou completamente esta situação. Com base na análise aprofundada do genoma das culturas, esta tecnologia localiza com precisão marcadores moleculares intimamente ligados a características-alvo através de estudo de associação genómica (GWAS) e análise de ligação.

No campo da criação de plantas resistentes à seca, o sequenciamento de DNA está a tornar-se a chave para desbloquear o código de sobrevivência das plantas em situações adversas. Através da tecnologia GWAS e do sequenciamento do transcriptoma, os investigadores mapearam com sucesso a rede molecular reguladora das plantas em resposta ao stress hídrico. A principal vantagem da tecnologia MAS reside na capacidade de "previsão fenotípica". Comparado com a criação tradicional, que necessita de esperar todo o ciclo de crescimento para observar o desempenho das características, a tecnologia MAS pode inferir o fenótipo potencial das plantas na fase de plântula ou até mesmo na fase de semente, ao detetar marcadores de DNA intimamente ligados às características alvo. Esta característica é particularmente significativa na melhoria de características quantitativas (como rendimento e qualidade) controladas por múltiplos genes, encurtando o ciclo de criação tradicional de 8-10 anos para 3-5 anos, e evitando a interferência de fatores ambientais na identificação fenotípica, melhorando assim a eficiência da criação em 3-5 vezes.

Fluxo de trabalho esquemático para o desenvolvimento de ensaios de marcadores (Mori et al., 2023)

Sequenciação de DNA a Potencializar a Inovação em Culturas Transgénicas e Editadas por Genes

Como um ramo importante da biotecnologia moderna, a tecnologia transgénica melhora as características das culturas através da introdução de genes estrangeiros, e a tecnologia de sequenciação de DNA fornece uma base molecular biológica indispensável para a clonagem de genes e análise dos mecanismos de regulação da expressão. Tomando a investigação e desenvolvimento de algodão resistente a insetos como exemplo, os investigadores isolaram com sucesso fragmentos de genes funcionais que codificam a proteína Cry1Ac através da sequenciação dos genes de Bacillus thuringiensis (Bt). Com a ajuda do sistema de transformação genética mediada por Agrobacterium, o gene foi integrado de forma estável no genoma do algodão, e os dados dos testes de campo mostraram que a sua taxa de mortalidade para a lagarta do algodão ultrapassou os 95%.

Como uma descoberta revolucionária no campo da biologia molecular moderna, a tecnologia de edição genética realiza a melhoria de características através da modificação direcionada do genoma das culturas. Entre elas, o sistema CRISPR-Cas9 tornou-se a ferramenta central da edição genética em plantas devido à sua alta especificidade, operação simples e aplicabilidade em múltiplas espécies.

Tomando o arroz (Oryza sativa) como objeto de pesquisa, a edição da região promotora do gene OsSPL14 pode aumentar o nível de expressão do gene e, ao ajustar o modo de desenvolvimento das ramificações da planta, o número de grãos por panícula por unidade de área é significativamente aumentado, resultando, por fim, num aumento de cerca de 15% no rendimento. A transformação direcionada do gene OsEPSPS confere resistência ao glifosato ao arroz, o que proporciona um novo caminho para a gestão intensiva das terras agrícolas.

Visão geral das aplicações de NGS na genética e melhoramento de culturas (Varshney et al., 2009)

Sequenciação de DNA na Otimização da Reprodução de Gado

No processo de desenvolvimento agrícola moderno, a otimização de gado e aves alcançou um grande avanço com a ajuda da tecnologia de seleção genómica. Baseada no sequenciamento de DNA, esta tecnologia analisa com precisão a informação genética de gado e aves, orientando a reprodução de variedades na direção de alta produtividade e baixo consumo, mudando completamente o modo tradicional de reprodução e proporcionando uma poderosa força motriz para garantir o abastecimento de produtos de gado e aves e melhorar os benefícios industriais.

Seleção Genómica e Melhoria da Qualidade da Carne em Porcos

A tecnologia de sequenciação de ADN mudou completamente o modo de reprodução de porcos. Na reprodução tradicional, características económicas importantes, como a percentagem de carne magra e a taxa de conversão alimentar, precisam de ser determinadas após o abate, enquanto a seleção genómica (SG) prevê o valor de reprodução individual através de marcadores SNP em todo o genoma, o que melhora significativamente a eficiência da reprodução. A sequenciação do genoma de porcos domésticos, concluída em 2009, mostrou que o seu genoma de 2,7 Gb continha 22.000 genes codificadores de proteínas, o que forneceu abundantes marcadores moleculares para a SG.

No que diz respeito à melhoria da qualidade da carne, a tecnologia de sequenciação de DNA trouxe um avanço revolucionário para a criação de porcos. Através de GWAS, os cientistas localizaram com sucesso vários loci genéticos chave que afetam a qualidade da carne de porco. Entre eles, a mutação c.1843C>T do gene RYR1 (comumente conhecido como gene halotano) é como uma bomba. Os porcos que possuem esta mutação desencadearão um mecanismo anormal de liberação de cálcio sob stress, o que levará a contrações musculares contínuas e esgotamento de energia, resultando eventualmente em carne PSE (carne pálida, textura macia e sério gotejamento de água).

De acordo com estatísticas, sob o modo de reprodução tradicional, a incidência de carne PSE em porcos portadores do gene mutante é tão alta quanto 30%-40%, mas após a identificação e eliminação precisas dos portadores através da tecnologia de deteção de DNA, esta proporção pode cair para menos de 5%. A mutação c.307G>A do FUT1, outro gene chave, mostrou vantagens únicas em resistência a doenças. Foi descoberto que a mutação poderia alterar a estrutura do receptor na superfície das células intestinais, o que impediu a adesão eficaz da E.coli F18, reduzindo assim significativamente o risco de diarreia em leitões desmamados.

Acurácia do GEBV pela acurácia observada do EBV (Badke et al., 2014)

Seleção do Genoma Bovina e Melhoria da Qualidade do Leite e da Carne

A seleção genómica tornou-se a tecnologia dominante na reprodução de gado leiteiro. Como a raça de vacas leiteiras com o maior rendimento de leite do mundo, o sequenciamento do genoma completo das vacas Holstein revelou que os principais traços económicos, como o rendimento de leite, a taxa de gordura no leite e a taxa de proteína no leite, eram co-regulados por centenas de genes menores, que estavam distribuídos em 22 pares de autossomas e cromossomos sexuais. É difícil para os métodos tradicionais de reprodução capturar o efeito de sobreposição dos genes menores, mas o surgimento da tecnologia de chip SNP de alta densidade mudou completamente essa situação.

Ao construir uma população de referência contendo dezenas de milhares de vacas, o valor genético de reprodução (GEBV) dos touros de reprodução foi calculado utilizando algoritmos de GWAS e previsão linear ótima não tendenciosa do genoma (GBLUP). Os dados mostram que o progresso genético na produção de leite aumentou de 100 kg para 150 kg por ano na reprodução tradicional, o que equivale a um aumento de 50% na eficiência de melhoria genética a cada ano. Ao mesmo tempo, o intervalo geracional foi significativamente reduzido de 6 anos para 3 anos, o que acelerou consideravelmente o processo de melhoria genética.

No campo da reprodução de gado bovino, a tecnologia de sequenciamento de DNA está a remodelar o modelo tradicional de reprodução e a tornar-se a força motriz central para o cultivo de raças de gado bovino de alta qualidade. Usando GWAS, os investigadores localizaram com sucesso o gene-chave CAPN1 que afeta a maciez da carne. A protease neutra ativada por cálcio codificada por este gene desempenha um papel importante no processo de maturação da carne após o abate. Através do estudo aprofundado do gene CAPN1, os cientistas desenvolveram marcadores funcionais com alta precisão, que podem identificar rapidamente gado de reprodução com excelentes características de maciez. Após a aplicação desta tecnologia, a taxa de qualificação da maciez da carne na indústria de gado bovino australiano aumentou em 25%, o que melhorou significativamente a competitividade dos produtos no mercado internacional.

Linha do tempo de um programa de reprodução agressivo por inseminação artificial baseado na utilização de touros genómicos como pais de filhos (Schefers et al., 2012)

Sequenciação de DNA para o Microbioma do Solo e Saúde das Culturas

Há uma interação complexa entre a estrutura da comunidade microbiana do solo e a saúde das culturas, e a análise do seu mecanismo interno é a chave para realizar o desenvolvimento sustentável da agricultura. Nos últimos anos, a tecnologia de metagenómica baseada em sequenciação de alto rendimento tornou-se uma ferramenta importante para analisar a microbiota do solo e das culturas, devido à sua alta resolução e ampla cobertura.

Sequenciação Microbiana da Rizosfera e Agricultura Ecológica

Como o "segundo genoma" do crescimento das culturas, a microbiota do solo desempenha um papel insubstituível na regulação da saúde das plantas. A tecnologia de sequenciação de DNA revela o complexo mecanismo de interação entre a estrutura da comunidade microbiana do solo e a saúde das culturas ao analisá-la. A tecnologia de sequenciação de alto rendimento com Sequenciação do gene 16S rRNA uma vez que o núcleo pode analisar sistematicamente as comunidades microbianas da rizosfera.

Constata-se que o solo saudável é geralmente rico em bactérias benéficas, como actinobactérias e Bacillus, que podem ajudar as culturas a resistir à invasão de bactérias patogénicas, produzindo antibióticos, hormonas vegetais ou induzindo resistência sistémica. No solo com obstáculos à cultura contínua, Fusarium, Rhizoctonia solani e outros patógenos ocuparão gradualmente uma posição dominante, causando doenças transmitidas pelo solo.

A tecnologia de metagenómica funcional, com a sua perspetiva única de biologia molecular, abre uma nova janela para analisar o potencial funcional da microbiota do solo. Utilizando tecnologia avançada de extração de DNA, os investigadores isolaram o DNA total de microrganismos do solo negro e identificaram com sucesso vários grupos de genes funcionais chave através da sequenciação quantitativa de metagenomas da Qualcomm. Nestes bancos de recursos genéticos:

• Os genes de degradação de organofosforados podem transformar organofosforados no solo que são difíceis de serem absorvidos pelas culturas em formas de fósforo disponíveis, o que melhora significativamente a taxa de utilização do fertilizante fosfatado.
• Os genes fixadores de azoto impulsionam os microrganismos a converter o azoto do ar em azoto amoniacal disponível para as plantas, reduzindo a dependência de fertilizantes químicos à base de azoto.
• A via metabólica codificada pelos genes de síntese de hormonas vegetais pode regular o equilíbrio do hormônio de crescimento das culturas em condições adversas e aumentar a sua resistência à seca e ao frio.

Fatores ambientais da composição microbiana e a sua relação com as funções do solo em escala continental (Peng et al., 2024)

Regulação de Microrganismos e Agricultura Sustentável

A tecnologia de regulação de microrganismos sob a orientação do sequenciamento de DNA está a tornar-se uma nova forma de agricultura sustentável. A análise do gene 16S rRNA, baseada em plataformas de sequenciamento de alto rendimento, pode analisar a estrutura da comunidade microbiana do solo com precisão de base única. No ecossistema cooperativo arroz-pato, os dados de sequenciamento revelaram que os patos remodelaram a distribuição de nichos de microrganismos nos campos de arroz ao comer ervas daninhas e agitar corpos de água.

Os dados de sequenciamento mostram que este modelo simbiótico pode aumentar a abundância relativa de AOA em 40%-55% e o número de bactérias desnitrificantes em 2-3 ordens de magnitude. A mudança dinâmica da comunidade microbiana inibiu efetivamente a atividade das bactérias metanogénicas, reduziu a intensidade de emissão de metano nos campos de arroz em 25-30% e melhorou a taxa de utilização de azoto do solo em 15% ao fortalecer o ciclo do azoto.

O sequenciamento microbiano oferece uma nova estratégia para a prevenção e controlo de doenças das culturas. No controlo agrícola tradicional, a alta incidência de murcha de Fusarium causada pela monocultura de pepino tem sido sempre um problema difícil para os agricultores. Os patógenos acumulam-se no solo ano após ano, e o controlo com pesticidas químicos não só é dispendioso, como também pode causar poluição ambiental e resíduos de pesticidas.

Com o desenvolvimento da tecnologia de sequenciamento microbiano, a equipa de investigação analisou profundamente a estrutura da comunidade microbiana do solo de cultivo contínuo de pepino e selecionou a flora central com efeito antagónico ao murcha de Fusarium através de sequenciamento de alto rendimento. Entre elas, o Bacillus pode secretar antibióticos lipopeptídicos e inibir o crescimento do micélio de bactérias patogénicas; o Trichoderma decompõe diretamente as células de bactérias patogénicas através de parasitismo intenso; os Actinobactérias podem produzir uma variedade de substâncias antibacterianas ativas, formando múltiplas linhas de defesa.

Interacções planta-microbiológicas e aplicações na agricultura sustentável (Sudheer et al., 2020)

Conclusão

A análise do genoma das culturas com base na tecnologia de sequenciamento de DNA da Qualcomm, a iteração do sistema de tecnologia de melhoramento molecular e a transformação do paradigma de produção agrícola estão a remodelar a interação entre o ser humano e a terra cultivada. Progressos significativos foram feitos nos campos da melhoria das características das culturas mediada pela tecnologia de edição genética (como o sistema CRISPR/Cas), regulação direcionada do microbioma do solo e seleção genómica e melhoramento de gado e aves, o que não só destaca a posição central da biotecnologia na agricultura moderna, mas também reflete o pensamento estratégico da humanidade para garantir a segurança alimentar através da utilização da teoria das ciências da vida.

O valor fundamental desta inovação tecnológica reside em ultrapassar as limitações da agricultura empírica tradicional. Ao integrar dados genómicos, design e melhoramento molecular e tecnologia de agricultura de precisão, pode-se realizar a sinergia entre a melhoria do rendimento das culturas, a otimização da qualidade e o desenvolvimento sustentável do ambiente ecológico, proporcionando soluções biológicas para desafios globais como as mudanças climáticas e o crescimento populacional.

Referências:

1. Huq A, Akter S., et al. "Sequenciação do Genoma, um Marco para a Investigação Genómica e a Melhoramento de Plantas." Criação de Plantas. Biotecnologia2016 4(1): 29-39 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça o texto que deseja traduzir.
2. De Mori, Gloria, e Guido Cipriani. "Seleção Assistida por Marcadores na Reprodução para Melhoria de Características de Frutos: Uma Revisão." Revista Internacional de Ciências Moleculares. 2023 24(10): 8984 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, cole-o aqui e eu farei a tradução.
3. Varshney, Rajeev K et al. "Tecnologias de sequenciação de nova geração e as suas implicações para a genética e melhoramento de culturas." Tendências em biotecnologia2009 27(9): 522-30 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e ficarei feliz em ajudar com a tradução.
4. Schefers JM, Weigel KA. "Seleção genómica em gado leiteiro: Integração de testes de ADN em programas de melhoramento." Fronteiras Animais2012 2(1): 4-9 http://dx.doi.org/10.2527/af.2011-0032
5. Badke, Yvonne M et al. "Precisão da estimativa de valores de reprodução genómica em porcos utilizando genótipos de baixa densidade e imputação." G3 (Bethesda, Md.). 2014 4(4): 623-31 Desculpe, não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o e terei o prazer de ajudar na tradução.
6. Peng, Ziheng et al. "A conversão de terras para a agricultura induz a homogeneização taxonómica das comunidades microbianas do solo a nível global." Comunicações da Natureza2024 15(1): 3624 Desculpe, mas não posso acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça-o aqui e eu ficarei feliz em ajudar com a tradução.
7. Sudheer, Surya et al. "Perspectivas sobre Micróbios Engenharia na Agricultura Sustentável: Desenvolvimentos Biotecnológicos e Perspectivas Futuras." Genómica atual2020 21(5): 321-333 Desculpe, não consigo acessar links ou conteúdos externos. Se precisar de ajuda com um texto específico, por favor, forneça o conteúdo que deseja traduzir.