Gene de parente silvestre do amendoim ativa “memória de defesa” contra seca e pragas em plantas cultivadas

Descobertas realizadas pela Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia (DF), em colaboração com instituições nacionais e internacionais, mostram que genes de parentes silvestres do amendoim podem aumentar a resistência de plantas cultivadas a múltiplos estresses agrícolas. É uma abordagem inédita, baseada em espécies nativas da América do Sul, que amplia as possibilidades de melhoramento genético, unindo conhecimentos ancestrais a tecnologias de ponta.

Um desses genes é o AdEXLB8, isolado de Arachis duranensis, uma das espécies silvestres ancestrais do amendoim cultivado. Os estudos revelaram que a inserção desse gene promove mecanismos de defesa que podem contribuir para o enfrentamento de diversos desafios da agricultura, como seca, nematoides e fungos.

A originalidade da pesquisa foi mostrar que esse gene não confere resistência de forma direta, mas ativa um mecanismo conhecido como priming de defesa. "Quando a planta produz essa proteína constantemente, ela age como se estivesse sendo atacada por um patógeno ou se encontrasse sob um estresse ambiental. Assim, ela passa a viver em um estado de alerta permanente. Fazendo um paralelo com seres humanos, é como se estivéssemos com a adrenalina sempre pronta para uma resposta de "luta ou fuga", mas sem gastar energia demais", explica Ana Brasileiro (foto à direita), pesquisadora da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, que liderou os estudos.

O resultado foi claro: plantas de tabaco, soja, e amendoim contendo este gene exibiram maior tolerância à seca, resistência aos nematoides-das-galhas (Meloidogyne spp.) ou maior tolerância a doenças causadas por fungos, como Sclerotinia sclerotiorum. Em raízes nas quais o gene AdEXLB8 foi superexpressado, a infecção por nematoides chegou a ser reduzida em 60%. Tudo isso sem alterações na produtividade ou na qualidade do produto final.

A jornada da pesquisa começou com a constatação de que espécies silvestres de Arachis exibiam maior rusticidade, resiliência e tolerância a condições ambientais adversas, como seca e salinidade. O material, que é coletado e preservado pela Embrapa, em um programa de conservação liderado pelo pesquisador José Valls (foto à esquerda), também apresentou resistência natural a diversos agentes causadores de doenças, incluindo fungos e nematoides. Essas características de sobrevivência foram adquiridas ao longo de milhares de anos de evolução, em diferentes ecossistemas sujeitos a múltiplos estresses bióticos (causados por outros organismos vivos, como pragas) e abióticos (causados por fatores ambientais).

O processo evolutivo resultou em espécies silvestres mais adaptadas, capazes de suportar ambientes desafiadores, tornando-se fontes valiosas de genes de interesse para o melhoramento genético, à pesquisa e à agricultura. Foi nesse contexto que a pesquisadora Patricia Messemberg coordenou, nos anos 2000, o trabalho de caracterização molecular dessas espécies, com o objetivo de explorar seu potencial para o desenvolvimento de cultivares de amendoim mais resistentes e adaptados.

"Várias dessas espécies silvestres de amendoim têm características de rusticidade que foram perdidas durante o processo de domesticação e não estão mais presentes no amendoim cultivado. O nosso trabalho é explorar essa biodiversidade e transformar esse potencial em soluções para a agricultura”, pontua Messemberg.

Segundo a pesquisadora, historicamente, melhoristas de plantas demonstravam reticência em utilizar materiais silvestres. O cruzamento com variedades cultivadas, embora pudesse transferir uma característica desejada (como a resistência a uma doença), inevitavelmente trazia um conjunto de características selvagens indesejadas. Isso dificultava a inclusão de materiais silvestres em programas de melhoramento de amendoim no Brasil.

Avanço da biotecnologia reforça o melhoramento genético

Ela observa que o avanço da biotecnologia ofereceu um atalho para superar esse obstáculo e conferiu um valor estratégico ao trabalho de conservação. Isso ocorreu em conjunto com o desenvolvimento de ferramentas para utilização das variedades silvestres em programas de melhoramento tradicional, como mapas genéticos, melhoramento assistido por marcadores moleculares, entre outras técnicas.  “A biotecnologia contribui para a inclusão dessas espécies selvagens em programas de melhoramento no Brasil e no exterior porque permite transferir, diretamente, um gene de uma planta para uma espécie comercial, sem que isso afete características como produção e qualidade”, enfatiza.

E assim, a equipe da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia mergulhou nos genomas das espécies silvestres de Arachis para identificar os genes responsáveis por essa resiliência ancestral.

Utilizando ferramentas genômicas como a análise de transcriptoma, que, conforme explica Ana Brasileiro, é uma fotografia de uma resposta molecular da planta no momento em que ela é submetida a um estímulo específico, os pesquisadores buscaram os "genes candidatos" que poderiam estar por trás dessa proteção.

Pesquisa pioneira

Foi nesse processo que o gene AdEXLB8, da subfamília de expansinas-like B (EXLBs), chamou a atenção dos cientistas. As expansinas são proteínas estruturais que estão envolvidas no processo de afrouxamento da parede durante a divisão celular. Por isso, elas são cruciais para o crescimento e desenvolvimento da planta e também conhecidas por seu papel em respostas a estresses hídricos.

No entanto, como explica Brasileiro, a lógica inicial sugeria que uma parede celular mais frouxa facilitaria a entrada de agentes causadores de doenças, o que tornava a observação de resistência a nematoides e fungos intrigante. "Biologicamente, não sabíamos explicar isso. Por que uma proteína que amolece a parede também conferia resistência a diferentes tipos de estresse, como seca, fungo e nematoide?", questiona a pesquisadora, lembrando a perplexidade inicial da equipe.

Conservação que gera inovação

Para Valls, a descoberta das relações do gene AdEXLB8 com a ativação de mecanismos de defesa nas plantas é um exemplo de sucesso e da importância da coleta e da conservação de material genético de espécies silvestres, conhecido no meio científico como coleta de germoplasma. A espécie Arachis duranensis, da qual foi isolado o gene, é uma das cerca de 1.500 amostras (acessos) preservadas no Banco Ativo de Germoplasma de Espécies Silvestres de Arachis, localizado na Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, em Brasília.

"O Brasil é o principal centro de diversidade desse gênero, que atualmente conta com 84 espécies. Dessas, 62 são encontradas no País, sendo 43 exclusivas", destaca o pesquisador, ao ressaltar que a pesquisa está avaliando outros genes promissores identificados graças ao programa de conservação.

Mas até ser isolado e voltar ao campo presente em outros cultivos, o gene AdEXLB8 percorreu um longo caminho. Segundo Valls, que atua há 40 anos na prospecção, resgate e conservação da diversidade genética do gênero Arachis, o primeiro registro de coleta da espécie foi feito na Argentina, em 1905, pelo botânico R. A. Spegazzini. No entanto, a amostra era apenas para herbário, ou seja, não era possível multiplicar aquela planta.

Em 1953, o pesquisador Antonio Krapovickas coleta as primeiras sementes de Arachis duranensis, junto com exsicatas, que são plantas secas e prensadas, montadas em folhas de papel especial, que ficam guardadas em herbários. Assim, foi possível multiplicar a planta. “Esse é o marco que permitiu a disponibilidade da espécie para pesquisa até hoje”, salienta Valls.

Em 1977, o Brasil recebeu os primeiros materiais da espécie, por meio de uma doação da Universidade da Carolina do Norte (NCSU) para a Embrapa. Desde então, ela tem sido preservada no País. “Hoje, o gene AdEXLB8 demonstra importância científica ao ser associado à resistência da planta a múltiplos estresses, mostrando o valor da coleta e da conservação de germoplasma feita há 72 anos”, complementa o pesquisador.

Para desvendar esse enigma, o gene AdEXLB8 foi superexpresso em plantas transgênicas de tabaco, de soja e de amendoim. Os resultados foram surpreendentes: as plantas transgênicas exibiram tolerância aumentada a duas espécies de nematoides-das-galhas (Meloidogyne incognita e M. javanica), ao fungo Sclerotinia sclerotiorum e à seca, inclusive quando esses estresses ocorriam simultaneamente.

De acordo com Brasileiro, a explicação para essa resistência de amplo espectro reside em um conceito molecular: o "estado de pré-ativação de defesa", ou "priming de defesa". "Ao produzir essa proteína de maneira persistente, a planta entende que está sendo atacada. Isso faz com que ela fique em um constante estado de alerta", diz. Nesse estado, a planta mobiliza as suas diversas linhas de defesa de forma mais rápida e eficaz do que uma planta não preparada. A pesquisadora sublinha que essa abordagem é inovadora e que o entendimento desse mecanismo de ação torna a pesquisa pioneira.

Ela esclarece que o gene AdEXLB8, em seu contexto natural, atua apenas nas paredes celulares. Apenas quando ele é inserido em outro organismo por meio de transgenia e passa a ser expresso continuamente é que desencadeia o processo de prontidão na planta. Para a pesquisadora, a aplicação desses genes tem o potencial de reduzir a necessidade de nematicidas e fungicidas químicos, contribuindo para uma agricultura sustentável, com alimentos saudáveis e menor impacto ambiental.

A tecnologia do gene AdEXLB8 está sendo patenteada para todas as expansinas silvestres de Arachis para resistência biótica e abiótica, além de testada em outras culturas, como tomate, soja e algodão.

De acordo com Messemberg (foto à direita), um dos aspectos interessantes do projeto foi estabelecer uma ligação estreita entre as áreas de coleta e de caracterização de germoplasma à identificação de genes da espécie Arachis e sua aplicação via biotecnologia. “Esse modelo, que representa a missão central da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, já vem sendo utilizado por centros de pesquisa internacionais para outras culturas”, conta.

A pesquisadora destaca ainda que seu grupo de pesquisa fez parte de iniciativas internacionais que foram pioneiras no uso de marcadores moleculares, no desenvolvimento de mapas genéticos e no sequenciamento do genoma de espécies silvestres de Arachis. Essa base de conhecimento molecular tornou o material conservado efetivamente disponível para diversas aplicações práticas.

Para ela, a evolução das ferramentas genômicas, desde o uso de marcadores moleculares até a edição gênica, está possibilitando a abertura de uma nova fronteira para a pesquisa, chamada de "redomesticação". As novas ferramentas biotecnológicas permitem editar, simultaneamente, genes estratégicos associados à domesticação em uma espécie silvestre, tornando-a apta ao cultivo em poucas gerações. “Isso representa um novo e poderoso estímulo para o uso da biodiversidade armazenada em bancos de germoplasma”, garante.

O que é o priming de defesa"?

O "priming de defesa" é um mecanismo pelo qual as plantas se preparam para futuros ataques ou estresses sem manter uma defesa ativa e dispendiosa o tempo todo. Imagine que a planta recebe um "aviso prévio" de uma ameaça. Em vez de entrar em "guerra total" imediatamente, o que consumiria muita energia, ela entra em um estado de "prontidão" ou "alerta basal". No entanto, possui mecanismos para regular essa condição e não deixar que esse estresse prejudique seu desenvolvimento.

No caso do gene AdEXLB8, essa prontidão é induzida pela expressão da proteína, que a planta interpreta como um sinal de estresse. Esse estado de alerta basal se manifesta a partir de três mecanismos:

Reorganização da parede celular: A planta ajusta as propriedades físicas de sua parede celular, tornando-a mais flexível para resistir a danos.

Ativação de vias de sinalização: Hormônios como o ácido jasmônico (AJ), o ácido abscísico (ABA), etileno (ET) e auxina (AUX), que são os "mensageiros" das respostas de defesa, ficam em um estado de "pré-ativação".

Sistema antioxidativo reforçado: A planta aumenta sua capacidade de produzir enzimas antioxidantes, como catalase (CAT1) e ascorbato peroxidase (APX1), e biossíntese de prolina, para combater espécies reativas de oxigênio (ROS), subprodutos tóxicos do estresse.

Quando o estresse real (seja uma praga, doença ou seca) realmente ocorre, a planta primed é capaz de "ligar" suas defesas de forma rápida e intensa, minimizando os danos. Brasileiro exemplifica usos práticos do priming na agricultura: "Você pode tratar uma semente com ultravioleta ou com alguns agentes químicos para induzir esse estado de alerta. E quando você coloca essa semente para germinar, ela fica muito mais resistente aos patógenos", afirma. Outro exemplo comum é o tratamento de hortaliças e frutas com ultravioleta para ampliar o tempo de prateleira.

A vantagem do processo do priming de defesa ativado pelo gene AdEXLB8 é que ele não impõe os custos metabólicos de uma resposta de defesa constante. Assim, a planta conserva sua energia até que ela seja necessária, oferecendo uma defesa de amplo espectro com eficiência.

Povos indígenas: guardiões da diversidade do amendoim

Pouca gente imagina, mas o amendoim que hoje faz parte da alimentação no mundo inteiro existe graças ao conhecimento e ao manejo milenar dos povos indígenas da América do Sul. Segundo Valls, essas populações tiveram papel central na domesticação, no transporte e na preservação da diversidade do gênero Arachis, incluindo o amendoim cultivado (Arachis hypogaea).

A hipótese mais aceita pela ciência aponta que o amendoim surgiu do cruzamento entre duas espécies silvestres, seguido de duplicação cromossômica, em áreas de cultivo manejadas por agricultores sul-americanos. Evidências arqueológicas no Peru indicam que o grão era cultivado há mais de 5 mil anos, muito além de sua região de origem, sugerindo o papel ativo das populações pré-colombianas em sua domesticação e dispersão.

Ainda hoje, comunidades indígenas desempenham papel central na manutenção da diversidade genética da cultura. Os Kayabi, no Parque Indígena do Xingu (MT), cultivam cerca de 60 tipos de amendoim, com variações de formas, cores e ciclos de cultivo. Estudos mostram que esses materiais apresentam diferenciação genética entre aldeias, reflexo do manejo tradicional e do isolamento geográfico.

"Se hoje a pesquisa pode buscar genes de interesse em espécies de Arachis, é graças a essas populações tradicionais, que tiveram um papel fundamental na seleção de plantas com características de interesse", avalia o pesquisador.

Esse patrimônio genético é explorado pela pesquisa e pode ter valor econômico, com a descoberta de genes de interesse. Mas também é importante como repositório de opções para produção de forragem, culturas de cobertura para controle de erosão e até forrações ornamentais. Desse modo,  a pesquisa agropecuária garante a manutenção e o estudo da biodiversidade do gênero Arachis.