Muitas das culturas mais importantes do mundo têm genomas extraordinariamente complexos, criados por ciclos repetidos de duplicação e hibridização completas. Esses chamados genomas poliplóides contêm múltiplos conjuntos de cromossomos herdados de diferentes espécies ancestrais. No entanto, determinar exatamente como estes genomas foram montados pode ser extremamente difícil, especialmente se as espécies ancestrais originais estiverem extintas ou desconhecidas.
Um novo estudo apresenta uma abordagem genômica ampla para desvendar essas histórias genéticas complexas. O método aproveita as assinaturas evolutivas deixadas por longos retrotransposons de repetição terminal, um tipo de sequência de DNA móvel. Ao comparar os padrões de semelhança entre esses elementos em diferentes cromossomos, os pesquisadores podem identificar diferentes subgenomas e estimar quando ocorreram os principais eventos de fusão do genoma. Quando aplicada ao morango octuploide cultivado, a técnica revelou uma história evolutiva gradual moldada por múltiplos estágios de alopoliploidização, fornecendo novos insights sobre como os genomas complexos das plantas se formam e se diversificam ao longo de milhões de anos.
Por que os genomas poliplóides são difíceis de decifrar
A duplicação do genoma completo desempenhou um papel importante na evolução das plantas, ajudando a impulsionar a inovação, a adaptação e o surgimento de muitos tipos de culturas. Nas plantas alopoliplóides, os conjuntos de cromossomos originam-se de diferentes genomas ancestrais. Esses grupos de cromossomos, conhecidos como subgenomas, continuam a evoluir e interagir muito depois dos eventos iniciais de hibridização.
Identificar esses subgenomas é fundamental para entender como as espécies evoluíram. As abordagens tradicionais muitas vezes dependem da comparação do genoma poliplóide com ancestrais diplóides conhecidos. O problema é que muitas das espécies ancestrais estão extintas ou ainda não foram descobertas.
Itens portáteis oferecem outra fonte de informação. Retrotransposons de repetição terminal longa acumulam-se em padrões característicos em linhagens evolutivas específicas, preservando evidências moleculares de eventos passados. Embora os cientistas já tenham reconhecido há muito tempo o seu valor potencial, métodos confiáveis para converter esses padrões em atribuições precisas de subgenomas permanecem limitados. Como resultado, novas ferramentas são necessárias para reconstruir a evolução do genoma poliplóide independente das espécies progenitoras conhecidas.
Um novo método reconstrói a história do genoma
Pesquisadores do USDA e agências colaboradoras descrevem tal ferramenta na revista Estudos em horticultura. A equipe desenvolveu uma estrutura de bioinformática capaz de reconstruir a história evolutiva de genomas poliplóides complexos.
Para demonstrar o método, eles reexaminaram o morango octuploide cultivado (Fragaria × ananassa). Usando uma matriz de similaridade de sequência construída a partir de retrotransposons de repetição terminal longa, os pesquisadores refinaram a estrutura dos subgenomas do morango e identificaram muitos eventos antigos de fusão do genoma que contribuíram para o surgimento de espécies modernas. As descobertas ajudam a resolver questões de longa data sobre as origens evolutivas do morango.
A estrutura segue a evolução do genoma durante três grandes estágios: antes da divergência das espécies ancestrais, durante suas histórias evolutivas separadas e após a fusão dos genomas. Os retrotransposons que se expandiram durante o período de divergência retêm características exclusivas de subgenomas específicos.
Ao calcular matrizes de similaridade para esses elementos nos cromossomos e examinar como eles se agrupam sob diferentes limites de similaridade, os pesquisadores criaram o que chamam de “matriz de similaridade em série”. Esta abordagem captura os sinais evolutivos que se acumularam ao longo de diferentes períodos de tempo.
Abordagem de teste na produção agrícola
Antes de aplicar a técnica aos morangos, a equipe testou-a em culturas alopoliplóides bem estudadas, incluindo teff e algodão. Em ambos os casos, o método distinguiu com sucesso subgenomas conhecidos e separou eventos que ocorreram antes e depois da poliploidização.
Os pesquisadores também avaliaram uma abordagem usando genomas poliplóides projetados artificialmente. Esses testes confirmaram que o método é sensível tanto ao tempo de divergência quanto ao grande número de carryovers.
O que o genoma do morango mostrou
Quando este método foi aplicado ao morango octuploide, identificou quatro subgenomas distintos e encontrou evidências de três alopoliploidizações sucessivas que ocorreram aproximadamente 3,1-4,2 milhões de anos atrás, 1,9-3,1 milhões de anos atrás e 0,8-1,9 milhões de anos atrás.
Os resultados confirmam uma estreita relação evolutiva entre os dois subgenomas do morango e as espécies Fragaria vesca e Fragaria iinumae. Ao mesmo tempo, as descobertas desafiam modelos anteriores que propunham espécies progenitoras diplóides adicionais.
De acordo com a análise, alguns contribuintes para o genoma do morango podem ter sido extintos ou permanecer sem amostra, destacando a complexidade da evolução do genoma poliplóide.
“Este trabalho demonstra como os elementos transponíveis podem funcionar como carimbos de tempo evolutivos incorporados nos genomas das plantas”, disse um dos autores seniores do estudo. “Ao concentrar-nos em quando e onde estes elementos se expandiram, podemos reconstruir a história do genoma, mesmo que não haja ligações diretas com os antepassados. Este método fornece uma nova lente poderosa para o estudo de culturas poliplóides e vai além da dependência de dados ancestrais incompletos, oferecendo uma estrutura mais objetiva e reprodutível para a genómica evolutiva.”
Valor para melhoramento de plantas e pesquisa de melhoramento
Os usos potenciais vão além dos morangos. Muitas culturas economicamente importantes, incluindo trigo, algodão e cana-de-açúcar, são poliplóides com histórias evolutivas complexas semelhantes.
A identificação mais precisa de subgenomas pode melhorar a anotação genética, o mapeamento de características e os estudos genômicos comparativos. Estes avanços podem, por sua vez, apoiar os esforços de reprodução de precisão e ajudar a acelerar a melhoria do rendimento.
Ao tornar possível reconstruir a evolução do genoma sem ancestrais conhecidos, a abordagem da matriz de similaridade de sequências acrescenta uma nova ferramenta valiosa ao estudo da biodiversidade, especiação e adaptação. A estrutura também pode ser útil para o estudo de outros organismos poliplóides complexos, ajudando a unir a biologia evolutiva com a pesquisa agrícola prática.
Este trabalho foi apoiado pela concessão 2022-51181-38241 do Instituto Nacional de Alimentação e Agricultura (NIFA) para QY.
