A característica resulta em raízes mais capazes de capturar mais água e nutrientes do solo, precisam de menos fertilizantes e resistem à seca – ScienceDaily

Uma nova descoberta, relatada em um estudo global que abrangeu mais de uma década de pesquisa, pode levar à criação de culturas de milho que podem resistir à seca e às condições do solo com baixo teor de nitrogênio e, finalmente, aliviar a insegurança alimentar global, de acordo com um estudo liderado pela Penn State equipe de pesquisadores internacionais.

Em descobertas publicadas em 16 de março no Anais da Academia Nacional de Ciênciasos pesquisadores identificaram um gene que codifica um fator de transcrição – uma proteína útil para converter DNA em RNA – que desencadeia uma sequência genética responsável pelo desenvolvimento de uma característica importante que permite que as raízes do milho adquiram mais água e nutrientes.

Essa característica observável, ou fenótipo, é chamada de aerênquima cortical da raiz e resulta na formação de passagens de ar nas raízes, de acordo com o líder da equipe de pesquisa Jonathan Lynch, distinto professor de ciência vegetal. Sua equipe na Penn State mostrou que esse fenótipo torna as raízes metabolicamente mais baratas, permitindo que explorem melhor o solo e capturem mais água e nutrientes do solo seco e infértil.

Agora, identificar o mecanismo genético por trás da característica cria um alvo de reprodução, observou Lynch, cujo grupo de pesquisa na Faculdade de Ciências Agrícolas vem estudando características de raízes em milho e feijão nos Estados Unidos, Ásia, América Latina, Europa e África há mais de de três décadas, com o objetivo de melhorar o desempenho das lavouras.

Esta última pesquisa foi liderada por Hannah Schneider, ex-aluna de doutorado e depois pós-doutoranda no laboratório Lynch, agora professora assistente de fisiologia da cultura na Wageningen University & Research, Holanda. No estudo, ela usou poderosas ferramentas genéticas desenvolvidas em pesquisas anteriores na Penn State para realizar “fenotipagem de alto rendimento” para medir características de milhares de raízes em um curto espaço de tempo.

Empregando tecnologias como Laser Ablation Tomography e Anatomics Pipeline, juntamente com estudos de associação do genoma, ela encontrou o gene – um “fator de transcrição bHLH121” – que faz com que o milho expresse o aerênquima cortical da raiz. Mas localizar e validar os fundamentos genéticos da característica raiz exigiu um esforço prolongado, apontou Schneider.

“Primeiro realizamos os experimentos de campo que entraram neste estudo a partir de 2010, cultivando mais de 500 linhas de milho em locais na Pensilvânia, Arizona, Wisconsin e África do Sul”, disse ela. “Eu trabalhei em todos esses locais. Vimos evidências convincentes de que havíamos localizado um gene associado ao aerênquima cortical da raiz.”

Mas provar o conceito levou muito tempo, relatou Schneider. Os pesquisadores criaram várias linhagens de milho mutantes usando métodos de manipulação genética, como o sistema de edição de genes CRISPR/Cas9 e nocautes de genes para mostrar a associação causal entre o fator de transcrição e a formação de aerênquima cortical radicular..

Levou anos não apenas para criar essas linhagens, mas também para fenotipá-las em diferentes condições para validar a função desse gene”, disse ela. “Passamos 10 anos nisso, confirmando e validando nossos resultados, para garantir que isso seja o gene e o fator de transcrição específico que controla a formação do aerênquima cortical da raiz. Fazer esse tipo de trabalho no campo e desenterrar e fenotipar raízes de plantas maduras foi um longo processo.”

No artigo, os pesquisadores relataram que estudos funcionais revelaram que a linha de milho mutante com o gene bHLH121 nocauteado e uma linha mutante CRISPR/Cas9 na qual o gene foi editado para suprimir sua função mostraram formação de aerênquima cortical reduzida. Em contraste, uma linha de superexpressão exibiu uma formação de aerênquima cortical significativamente maior quando comparada à linha de milho tipo selvagem.

A caracterização dessas linhagens sob disponibilidade de água e nitrogênio abaixo do ideal em vários ambientes de solo revelou que o gene bHLH121 é necessário para a formação do aerênquima cortical da raiz, de acordo com os pesquisadores. E a validação geral da importância do gene bHLH121 na formação do aerênquima cortical da raiz, eles propõem, fornece um novo marcador para os melhoristas de plantas selecionarem variedades com melhor exploração do solo e, assim, rendimento, sob condições abaixo do ideal.

Para Lynch, que planeja se aposentar do corpo docente do Departamento de Ciências Vegetais no final deste ano, esta pesquisa é o culminar de 30 anos de trabalho na Penn State.

“Essas descobertas são o resultado de muitas pessoas na Penn State e além da colaboração conosco, trabalhando por muitos anos”, disse ele. “Descobrimos a função do traço do aerênquima e, em seguida, o gene associado a ele, e surgiu por causa de tecnologias que foram desenvolvidas aqui na Penn State, como Shovelomics – desenterrando raízes no campo – Tomografia por ablação a laser e Anatomics Pipeline. Juntamos tudo isso neste trabalho.”

Os resultados são significativos, continuou Lynch, porque encontrar um gene por trás de uma característica importante que vai ajudar as plantas a terem uma melhor tolerância à seca e uma melhor captura de nitrogênio e fósforo é algo importante diante das mudanças climáticas.

“Essas são qualidades superimportantes – tanto aqui nos Estados Unidos quanto em todo o mundo”, disse ele. “As secas são o maior risco para os produtores de milho e estão piorando com a mudança climática, e o nitrogênio é o maior custo do cultivo de milho, tanto do ponto de vista financeiro quanto ambiental. “

Contribuindo para a pesquisa na Penn State estavam Kathleen Brown, professora de biologia do estresse vegetal, agora aposentada, Meredith Hanlon, bolsista de pós-doutorado, Departamento de Ciência Vegetal; Stephanie Klein; doutoranda em fitoterapia; e Cody Depew, bolsista de pós-doutorado, Departamento de Ciência Vegetal; e Vai Lor, Shawn Kaeppler e Xia Zhang, Departamento de Agronomia e Wisconsin Crop Innovation Center, Universidade de Wisconsin; Patompong Saengwilai, Departamento de Biologia, Faculdade de Ciências, Mahidol University, Bangkok, Tailândia; Jayne Davis, Rahul Bhosale e Malcolm Bennett, Future Food Beacon e Escola de Biociências, Universidade de Nottingham, Loughborough, Reino Unido; Aditi Borkar, Escola de Medicina e Ciências Veterinárias, Universidade de Nottingham, Sutton Bonington, Reino Unido.

O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Howard G Buffett e o Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do Departamento de Agricultura dos EUA apoiaram esta pesquisa.

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