Pesquisadores identificam genes no sorgo que potencializam a tolerância ao alumínio

Pesquisa da Embrapa em parceria com a Universidade Federal de Viçosa (UFV) identificou dois novos genes que potencializam a tolerância da planta ao alumínio na cultura do sorgo. A descoberta brasileira foi contada em artigo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS), da Academia de Ciências dos Estados Unidos da América, entitulado "Variantes repetitivas na região promotora do gene SbMATE protegem as raízes de sorgo dos efeitos tóxicos do alumínio por meio de interações em cis e trans". Os dois genes identificados potencializam o efeito de um terceiro, chamado SbMATE, que faz com que as plantas tolerem o alumínio tóxico em solos ácidos.

Esses dois genes isolados, chamados de fatores de transcrição, atuam como um sensor: na presença de alumínio, a expressão de ambos é aumentada, exatamente quando a tolerância ao elemento é necessária. Na ausência do elemento químico, a expressão dos dois é reduzida, diminuindo também a expressão do gene SbMATE.

"Acreditamos que isso seja resultado de um mecanismo evolutivo, para evitar a perda de energia, na forma de carbono orgânico, quando não há estresses de alumínio", esclarece o pesquisador da Embrapa Milho e Sorgo (MG) Jurandir Vieira de Magalhães, que liderou a pesquisa em parceria com a professora Elizabeth Fontes, da Universidade Federal de Viçosa (UFV).

Esse resultado é especialmente importante porque os solos das regiões do Cerrado brasileiro são ácidos, com a presença de alumínio, que danifica o sistema radicular das plantas e reduz a produtividade da lavoura. Além do Brasil, esse problema também é muito comum em regiões tropicais, em grande parte da África e da Ásia.

Mais tolerância à seca

A tolerância das culturas ao alumínio tem relação estreita com a capacidade da planta de tolerar também a seca, pois, quando as raízes das culturas são danificadas pelo alumínio, elas não se aprofundam no solo. Um sistema radicular danificado reduz a capacidade de absorção de água e de nutrientes, o que ocasiona a perda de produtividade nas lavouras. Esse problema é particularmente comum nos períodos de veranico, que ocorrem com frequência na região do Cerrado brasileiro.

"Na Embrapa, inclusive, foi pela identificação de cultivares mais tolerantes à seca que, há mais de 20 anos, os primeiros materiais tolerantes ao alumínio foram identificados pelos pesquisadores Robert Schaffert, no melhoramento de sorgo, e Elton Gama e Ricardo Magnavacca, no melhoramento de milho.", conta Magalhães.

Avanço no processo de melhoramento 

A intenção da pesquisa também foi gerar uma tecnologia que permitisse fazer um diagnóstico molecular da tolerância ao alumínio até mesmo de um banco de germoplasma, com centenas ou até milhares de acessos, facilitando o trabalho do melhorista na identificação de fontes de tolerância.

Esse resultado pode ser utilizado para direcionar os cruzamentos nos programas de melhoramento genético, de forma a facilitar a produção de cultivares tolerantes ao alumínio. "O estudo, no fim, compõe um sistema de informação genética. Agora, com o conhecimento desses genes, fazendo novos ensaios moleculares, podemos indicar ao melhorista, com maior precisão, quais os cruzamentos devem ser feitos para o desenvolvimento de cultivares de sorgo tolerantes ao alumínio para cultivo em solos ácidos."

Para Magalhães, dois impactos desse trabalho se destacam. "Agora, considerando os novos genes, temos maior poder de predição se um genótipo vai ser tolerante ou sensível ao alumínio, e podemos também maximizar a eficiência do gene SbMATE no aumento da produtividade do sorgo cultivado em solos ácidos", comemora o cientista.

A descoberta do gene fundamental para a lavoura 

 De acordo com Magalhães, a pesquisa com tolerância de plantas à toxidez do alumínio na Embrapa já tem várias décadas e, a partir de 2002, os cientistas começaram a investir na clonagem dos genes relacionados à essa característica.

"Um estudo da clonagem, concluído em 2007, resultou na identificação do SbMATE, o primeiro gene de tolerância ao alumínio isolado em sorgo e o segundo identificado em plantas. O trabalho foi realizado pela Embrapa Milho e Sorgo em parceria com a Universidade de Cornell, o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA) e a Universidade do Texas A&M", conta o cientista da Embrapa, lembrando que o resultado foi publicado na revista Nature Genetics.

Com base nesse conhecimento, a equipe da Embrapa Milho e Sorgo realizou uma investigação do efeito desse gene na produtividade de grãos em solos ácidos. "Apesar de já termos isolado o gene SbMATE, nós ainda não havíamos quantificado em detalhes o seu efeito na produção de sorgo cultivado em solos com toxidez de alumínio. Publicamos então um outro artigo em 2016, mostrando que o gene provoca um aumento de produtividade de sorgo de mais de uma tonelada por hectare sob toxidez de alumínio no solo. Concluímos que, para uma condição de cultivo de sorgo em solos de Cerrado, é fundamental ter esse gene na cultura", declara.

No entanto, os cientistas encontraram, posteriormente, materiais que deveriam ser tolerantes ao alumínio, por causa da ação do gene SbMATE, mas apresentavam menos tolerância do que o esperado, ou era até mesmo sensível ao elemento. "Começou a haver uma certa frustração, pois a técnica funcionava, mas não de forma perfeita como desejávamos. Com isso, levantamos a hipótese de que o gene SbMATE provavelmente não agia sozinho. Talvez ele precisasse de outros genes para controlar a sua expressão, potencializando seu efeito na tolerância ao alumínio", lembra Magalhães.

Foi justamente esse o teor da descoberta publicada agora na revista PNAS. Na pesquisa, foram identificados dois outros genes que interagem com o gene clonado em 2007 e potencializam a ação daquele na tolerância ao alumínio. "A identificação desses dois novos genes foi um ponto fundamental do trabalho. Explicando de uma forma bem simples, os genes têm uma sequência de DNA, que precede o gene propriamente dito, chamada de região promotora, que controla a expressão gênica. Espera-se que, quanto maior a expressão de um gene, maior deverá ser a quantidade da proteína codificada por esse gene, o que influenciará as diferentes características controladas pelos genes como, por exemplo, a tolerância ao alumínio controlada pelo gene SbMATE."

Em outras palavras, os genes podem ser mais ou menos expressos, dependendo de variantes presentes nas regiões promotoras. Por exemplo, as células do organismo humano contêm o conjunto completo dos genes do organismo. Entretanto, alguns deles podem estar ligados em certas células e outros desligados, ou podem ocorrer variações na expressão gênica, em determinados tecidos e em certas condições. Isso contribui, entre outras coisas, para diferenciação dos nossos órgãos.

O pesquisador da Embrapa explica que a mesma comparação pode ser feita com os genes de tolerância ao alumínio. O gene SbMATE é muito mais expresso bem na ponta da raiz do que em outras regiões radiculares, e é exatamente o ápice radicular que tem que ser protegido do alumínio para que o sistema radicular se desenvolva bem na presença do metal.