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A Genética do Milho

por em 09/05/2022 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

A Genética do Milho

No dia 24 de Abril é comemorado o dia internacional do milho.

Logo mais ja vão começar as festas juninas por aqui, onde ele é um maioral.
Milho pra lá, milho pra cá. O milho além de muito gostoso, é nutritivo e tem características genéticas muito interessantes.

Atualmente o milho desempenha diversos papéis importantes na sociedade. Além de seu uso tradicional na alimentação humana, também é uma planta modelo para experimentos, é um dos principais cultivos para alimentação de animais, e também fonte de inúmeros produtos industriais, como açúcares, óleos, combustíveis e adesivos.

Ele é o terceiro produto mais cultivado no mundo, atrás apenas do arroz e sorgo

Brevíssima História do Milho

O milho, ou maíz, foi domesticado cerca de 10.000 anos atrás, a partir do teonsite, uma gramínea selvagem encontrada no México e América Central, e que se parecia bem pouco com o milho que conhecemos hoje. Ela tinha um porte arbustivo e vários espetos, os precursores das atuais espigas de milho.

teonsite

Zea mays ssp. parviglumis, espécie descendente do teonsite ancestral. (Imagem: David
Cavagnaro, Decorah, IA)

Os pequenos espetos do Teonsite tinham apenas duas fileiras de grãos, praticamente intragáveis, cada uma envolta por uma casca dura. Essas sementes se separavam naturalmente ao amadurecer, e eram dispersadas na selva.

Em menos de mil anos de domesticação, os pequenos espetos do teonsite ancestral se tornaram grandes espigas com grãos comestíveis e que continuavam presas ao sabugo durante o amadurecimento, facilitando a colheita.

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Comparação das espigas do teonsite com as do milho moderno.

Curiosidade: as gramíneas são plantas relativamente novas na vida do planeta Terra, então se você vir representações de dinossauros comendo grama… Ah-ah-ah.. (só os cringe entenderão).

Apesar que se considerarmos que as aves são dinossauros…
Ai, vamo vortá pro mi.

Geneticistas acreditam que humanos que viviam na região do rio Balsas, no México, estavam colhendo sementes de teonsite, que já era uma planta bastante presente na cultura e religião local, e acabaram selecionando as com espigas ou grãos maiores – características causadas por mutações aleatórias –, que foram semeadas, e assim começou a sua domesticação.

A medida que populações humanas migraram através das Américas, novas variedades de milho foram selecionadas para o cultivo local. Várias dessas variedades são mantidas em nichos ecológicos no México e América do sul, são os que chamamos de milho crioulo. Essas variedades tem uma riqueza de diversidade genética que tem sido estudada tanto para pesquisa básica quanto para seleção de traços interessantes para o cultivo.

 

Diversidade em espigas de milho crioulo.

O genoma do milho (é graúdo)

O código genético do milho é formado por aproximadamente 2,3 bilhões de bases de DNA, enquanto o genoma humano, por exemplo, tem cerca de 2,9 bilhões. Mas os maiores genomas conhecidos costumam mesmo ser de plantas. O legal do milho é que os seus cromossomos são bem avantajados, característica que facilitou sua observação no microscópio mesmo no começo do século XX.

De modo geral, oa genomaa de plantas costumam ser muito mais dinamicos e variados entre si do que o de animais com o mesmo grau de parentesco, em termos de tamanho, quantidade de genes, organização e, principalmente, conteúdo repetitivo. Isso faz bastante sentido se pensarmos que a planta depende do seu arsenal químico e estrutural para lidar com crises e ameaças, já que ela não pode se mover rapidamente e fugir de uma ameaça ou procurar por um lugar com recursos mais abundantes, como fazem os animais.

O tamanho e complexidade da estrutura de genomas como o do milho dificultam bastante o seu sequenciamento e mapeamento, o quebra cabeça fica muito mais complicado e os pesquisadores têm que trabalhar com as partes que conseguem, por vezes selecionando trechos específicos para serem analisados e comparados com outras plantas.

O milho se tornou um organismo modelo para pesquisa no começo do século XX, em parte porque suas características de domesticação eram ideais para experimentos genéticos. Os genes que controlam as cores dos grãos são ótimos marcadores para estudar os padrões de hereditariedade, por exemplo.

Além disso, cruzamentos controlados eram possíveis, pois a flor masculina, aquela que se forma no topo da planta e tem várias pontas que soltam o pólen, é separada da flor feminina, que é onde se forma a espiga, ou seja, a mesma planta possui as partes masculina e feminina, mas elas ficam bem separadas. A auto-fecundação até é possível, mas raramente acontece, pois o pólen masculino de um pé de milho costuma amadurecer antes da flor feminina.

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Esquema das estruturas florais do milho

Geneticistas desenvolveram métodos para observar os cromossomos grandes e distintos do milho na fase meiótica (fase da divisão celular em que a célula separa os cromossomos análogos, dos quais cada metade formará um gameta para a reprodução). Isso levou ao surgimento de uma nova área de pesquisa, a citogenética.

Pela primeira vez, pesquisadores puderam estudar o comportamento de cromossomos e associar genes específicos a cada cromossomo, usando marcadores visíveis (com o uso de um microscópio).

A descoberta de elementos de transposição, ou transposons – sequências “móveis” de DNA que podem “pular” de uma parte para outra ou se copiar e ser inserido várias vezes ou em novos locais do genoma –, revolucionou o campo da genética e revelou a natureza dinâmica do genoma do milho. Isso rendeu um prêmio Nobel à sua descobridora, Barbara McClintock, em 1983.

Barbara McClintock na Universidade de Cornell, 1947.

A atividade de um elemento de transposição em um ponto específico do genoma pode alterar a taxa de ativação de genes relacionados, por exemplo, com a coloração dos grãos. Como eles podem agir durante a formação da semente, cada grão de uma mesma espiga pode obter uma coloração diferente. Além disso, o cruzamento de variedades diferentes pode aumentar ainda mais essa linda bagunça (e também fazer com que uma variedade facilmente se perca, por isso a preservação de variedades exige bastante cuidado).

O cultivo tradicional do milho em círculos tem motivações culturais, o círculo externo é para os espíritos, o próximo para os animais, então para o consumo humano e os do centro para a produção de sementes. Como bem observou nossa colaboradora Flávia Ward, faz todo o sentido o milho semente ficar no meio, pois isso o protege de polinização cruzada com outras variedades. Crédito: Globo Rural.

Em 2008, foi publicado o primeiro genoma completo de milho. Mais de 100 especialistas em genética de diferentes centros de pesquisa participaram do projeto, coordenado pela Universidade de Washington, nos Estados Unidos, e foram identificados 32 mil genes que constituem os dez cromossomos que formam o genoma do milho. Já o genoma humano tem cerca de 20 mil genes divididos em 23 cromossomos. Cerca de 85% do genoma do milho é composto de conteúdo repetitivo, a maior parte sem função conhecida, e essas regiões iguais em diferentes partes do genoma dificultam a montagem do quebra-cabeça.

Outra característica do milho, mas bastante observada em plantas, é que ele parece ser formado na verdade por dois genomas misturados, como se fossem duas espécies diferentes evoluindo juntas. Em uma célula existem 4 versões de cada cromossomo, duas de cada planta ancestral (em humanos, e na maioria dos animais, temos apenas duas versões de cada cromossomo, e cada parzinho carrega os mesmos genes, sendo um herdado da mãe, e outro do pai).

Estudando o genoma do milho, pesquisadores confirmaram que mutações pontuais em genes únicos são capazes de alterar a estrutura da planta e grãos, e que mudanças em muitos genes influenciam traços complexos no desenvolvimento, como por exemplo o tempo de florada ou maturação.

Mais para o final do século XX já haviam estudos sobre centenas de variedades de milho, mapeamento de genes, os primeiros clones de genes de planta e identificação de reconfiguração do genoma induzido pela atividade de elementos de transposição entre variedades próximas.
Além disso, um mapa físico do genoma do milho, com seus genes distribuídos em cada cromossomo, foi sendo completado com o uso de marcadores genéticos.

Todas essas ferramentas, combinadas com perfis de expressão gênica (genes expressos são os que estão “ligados”, quer dizer, funcionando, no momento do experimento, o que pode mudar dependendo da situação e do próprio ciclo interno do organismo), marcação visível de proteínas sendo produzidas nas células e outros recursos, possibilitaram que fosse finalmente feito o sequenciamento e desvendado o genoma do milho (não 100%, porque nada é 100%, mas pelo menos uma boa noção de sua estrutura e conteúdo geral e específica).

O milho tem um genoma incrivelmente dinâmico. Variedades de milho, que são da mesma espécie, apresentam entre si tanta variação de sequência de DNA quanto organismos de espécies diferentes. Genes presentes em uma variedade podem não existir em outras (na maioria das espécies que conhecemos, organismos da mesma espécie possuem os mesmos genes, e as diferenças estão nas mutações nas sequências dos genes).

Tanta variação é uma evidência da rápida alteração que ocorreu no genoma durante a evolução do milho. A linhagem de gramíneas que inclui o milho e o teonsite divergiu do seu ancestral comum com o arroz e o trigo há aproximadamente 50 milhões de anos. Em seguida, o número de cromossomos dobrou no ancestral do teonsite.

A análise do genoma de uma variedade revelou que esse genoma ancestral duplicado passou por rearranjos significativos, com pedaços de cromossomos invertidos, trocados, transpostos, reduplicados, ou perdidos.

Os elementos de transposição contribuíram substancialmente para a variação genética. Alguns tipos desses elementos se acumulam perto dos centrômeros – parte central do cromossomo que é onde é ancorada a sua duplicação durante a criação de gametas, por exemplo —, outros se acumulam próximos a genes que estão mais ativos, porém a maioria desses elementos se encontra em regiões entre genes e “desligadas” pela marcação molecular da célula, contribuindo para as características distintas do genoma de cada variedade de cruzamento.

Estudos de genética comparativa servem para identificar genes no milho que são similares aos encontrados em outras espécies de planta. Por exemplo, o estudo do genoma do milho crioulo mexicano Palomero toluqueño identificou genes selecionados que são análogos aos que em outras plantas estão envolvidos no processamento de metais, processo essencial para a saúde da planta.

A análise de genomas demonstrou que milhos crioulos e outras variedades são extremamente diversos, e a preservação da sua herança genética singular é de extrema importância para fins culturais, científicos e econômicos.

 

Referências:

2014, Anne W. Sylvester, Patrick S. Schnable, and Rob Martienssen. The Maize Genome (poster). Science/AAAS

2009, Patrick S. Schnable et al. The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics. Science

2022, Globo Rural, reportagem publicada em 17 de Abril de 2022.

2011, Sydney A. F. Kavalco. Como as Plantas se Reproduzem?. Folha Biológica, vol 2.

 

Eu em foto espontânea com espiga de milho crioulo que cultivo no quintal.

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