Pan-genomas e Metabolismo Secundário das Plantas

O que é Metabolismo Secundário?

O metabolismo secundário, juntamente com estudos de desenvolvimento e tolerância ao estresse, constitui três áreas proeminentes de pesquisa no campo das ciências das plantas. Os metabolitos secundários das plantas servem como adaptações críticas ao seu ambiente, resultando das interações das plantas com estresses bióticos e abióticos durante longos períodos de processos evolutivos.

Fundamentos Pangenómicos da Diversidade Metabólica Secundária das Plantas

A pesquisa investiga a identificação de genes e duplicações de genoma completo (WGD) como catalisadores clássicos para a diversidade de vias metabólicas nas plantas, com os clusters de genes biossintéticos (BGCs) atuando sinergicamente como motores. O impacto da WGD na diversidade metabólica foi substanciado em numerosos organismos modelo, incluindo Arabidopsis thaliana, tabaco, papoula, oliveira, bem como várias outras espécies modelo e economicamente significativas. Estudos de genómica comparativa e sequenciação pan-genómica, particularmente aqueles que se concentram na variação intraespecífica, elevaram nossa compreensão das bases moleculares da diversidade metabólica a um nível sem precedentes.

Por exemplo, em espécies como Arabidopsis thaliana, duplicações de genes ancestrais dão origem a cópias de genes zigóticos que evoluem funcionalmente para alimentar a diversidade de metabolitos. A pesquisa pan-genómica revelou correlações entre o arranjo compacto dos clusters de genes de biossíntese de triterpenoides em populações naturais de Arabidopsis thaliana e inversões cromossómicas. No arroz, as variações de presença-ausência (PAVs) em genes-chave do metabolismo secundário, como TPS28, CYP71Z21 e CYP71Z2, levaram a variações no conteúdo de ricinoleína entre diferentes linhagens de arroz.

A duplicação do genoma completo (WGD) subjaz à diversificação metabólica nas plantas. (Zhou et al., 2022)

Clusters de genes biossintéticos e genes auxiliares. (Zhou et al., 2022)

Caminhos de Síntese de Morfinano e Narcotina através de Genómica a Nível de Cromossoma

No seu estudo, os autores utilizaram dados de Hi-C para aumentar o mapa genómico existente da papoula do ópio, embarcando simultaneamente na sequenciação de dez espécies distintas de papoula com perfis de alcaloides variados, criando um conjunto de dados pan-genómico abrangente. Esta pesquisa trouxe uma elucidação completa das localizações genómicas e expressões gênicas que sustentam os genes vitais dentro da via do Alcaloide Benzilisoquinolina (BIA).

Genes envolvidos na biossíntese de BIA em seis tecidos da papoula do ópio. (Li et al., 2020)

Além disso, o estudo forneceu uma exploração extensa das conexões intrincadas entre o agrupamento e a distribuição de genes BIA, variações no número de cópias de genes (Variações Associadas à Ploidia - PAV e Variações no Número de Cópias - CNV), e (co-)expressão gênica, tudo dentro do contexto do conteúdo de alcaloides em diversas variedades de papoula. Em última análise, a pesquisa revelou uma descoberta significativa: a deleção do cluster de genes de repetição em tandem T6ODM correspondeu à ausência de morfina e codeína nas respectivas variedades de papoula.

A era da pesquisa pan-genómica começou, facilitada por tecnologias de sequenciação custo-efetivas e eficientes. Uma avenida promissora para exploração reside na reavaliação de alterações dentro das vias metabólicas (MVA, MEP, BIA, etc.) e famílias de genes centrais (CYP450s, UGTs, etc.) associadas a produtos essenciais do metabolismo secundário (flavonoides, terpenoides, alcaloides, etc.). Isto pode ser realizado através da análise de amostras de indivíduos diversos em uma escala maior, considerando variantes como Variações Associadas à Ploidia (PAV), Variações no Número de Cópias (CNV), Variantes Estruturais (SV), e mais, com o objetivo final de descobrir as bases genéticas que subjazem a essas diferenças.

Referências:

1. Zhou, Xuan, e Zhenhua Liu. "Desbloqueando a diversidade metabólica das plantas: Uma visão (pan)-genómica." Plant Communications (2022).
2. Li, Qiushi, et al. "Agrupamento de genes e variação no número de cópias nas vias metabólicas de alcaloides da papoula do ópio." Nature communications 11.1 (2020): 1190.