A cana-de-açúcar híbrida é uma das culturas usada para fabricar produtos como açúcar, melaço, bioetanol e materiais de base biológica. Mas a cana-de-açúcar também possui um dos projetos genéticos mais complexos.
Até agora, a complicada genética da cana-de-açúcar fez da cana-de-açúcar a última grande cultura sem que conhecesse o genoma completo e altamente preciso. Os cientistas desenvolveram e combinaram múltiplas técnicas para mapear com sucesso o código genético da cana-de-açúcar. Com esse mapa, eles puderam verificar o local específico que oferece resistência à impactante ferrugem castanha que, se não for controlada, pode devastar uma colheita de açúcar. Os investigadores também podem usar a sequência genética para compreender melhor os muitos genes envolvidos na produção de açúcar.
O estudo foi publicado na revista Nature e o genoma está disponível no portal de plantas do JGI, Phytozome.
“Esta foi a sequência do genoma mais complicada que já concluímos”, disse Jeremy Schmutz, líder do Programa de Plantas do JGI e investigador docente do Instituto HudsonAlpha de Biotecnologia. “Isso mostra o quão longe chegamos. Este é o tipo de coisa que há 10 anos as pessoas pensavam ser impossível. Agora somos capazes de atingir metas que simplesmente não achávamos que seriam possíveis em genómica de plantas.”
O genoma da cana-de-açúcar é tão complexo porque é grande e porque contém mais cópias de cromossomos do que uma planta típica, uma característica chamada poliploidia. A cana-de-açúcar tem cerca de 10 mil milhões de pares de bases, os blocos de construção do ADN; para efeito de comparação, o genoma humano tem cerca de 3 mil milhões. Muitas seções do ADN da cana-de-açúcar são idênticas dentro e entre diferentes cromossomos. Isso torna um desafio remontar corretamente todos os pequenos segmentos de ADN enquanto se reconstrói o modelo genético completo.
Os investigadores resolveram o quebra-cabeça combinando múltiplas técnicas de sequenciação genética, incluindo um método recém-desenvolvido conhecido como sequenciação PacBio HiFi, que pode determinar com precisão a sequência de seções mais longas de ADN.
Ter um “genoma de referência” completo facilita o estudo da cana-de-açúcar, permitindo aos investigadores comparar os seus genes e caminhos com aqueles de outras culturas bem estudadas, como o sorgo ou outras culturas de interesse para biocombustíveis, como panicum virgatum e miscanthus. Ao comparar esta referência com outras culturas, fica mais fácil entender como cada gene influencia uma característica de interesse, como quais genes são altamente expressos durante a produção de açúcar ou quais genes são importantes para a resistência a doenças. Este estudo descobriu que os genes responsáveis pela resistência à ferrugem castanha, um patógeno fúngico que anteriormente causou milhões em danos às plantações de cana-de-açúcar, são encontrados em apenas um local do genoma.
“Quando sequenciamos o genoma, conseguimos preencher uma lacuna na sequência genética em torno da doença da ferrugem marrom”, disse Adam Healey, primeiro autor do artigo e pesquisador da HudsonAlpha. “Existem centenas de milhares de genes no genoma da cana-de-açúcar, mas são apenas dois genes, trabalhando juntos, que protegem a planta desse patógeno. Em todas as fábricas, conhecemos apenas alguns casos em que a proteção funciona de maneira semelhante. Uma melhor compreensão de como funciona a resistência a doenças na cana-de-açúcar poderia ajudar a proteger outras culturas que enfrentam patógenos semelhantes no futuro.”
Os pesquisadores estudaram uma cultivar de cana-de-açúcar conhecida como R570, que tem sido usada há décadas em todo o mundo como modelo para entender a genética da cana-de-açúcar. Como todas as cultivares modernas de cana-de-açúcar, a R570 é um híbrido obtido pelo cruzamento de uma espécie domesticada de cana-de-açúcar (que se destacou na produção de açúcar) e uma espécie silvestre (que carregava os genes de resistência a doenças).
“Conhecer o quadro genético completo do R570 permitirá aos investigadores rastrear quais os genes que descendem de qual genitor, permitindo que os mehlioristas identifiquem mais facilmente os genes que controlam as características de interesse para melhorar a produção”, disse Angélique D’Hont, investigadora do Centro Francês de Investigação Agrícola para o Desenvolvimento Internacional (CIRAD).
Melhorar futuras variedades de cana-de-açúcar tem aplicações potenciais tanto na agricultura como na bioenergia. Melhorar a forma como a cana-de-açúcar produz açúcar poderá aumentar o rendimento que os agricultores obtêm das suas colheitas, fornecendo mais açúcar na mesma quantidade de espaço de cultivo.
A cana-de-açúcar é uma matéria-prima importante, ou matéria-prima, para a produção de biocombustíveis, principalmente etanol, e outros bioprodutos. Os resíduos que permanecem após a prensagem da cana-de-açúcar, chamados de bagaço, são um importante tipo de resíduo agrícola que também pode ser decomposto e convertido em biocombustíveis e bioprodutos.
“Estamos trabalhando para entender como genes específicos em plantas se relacionam com a qualidade da biomassa que obtemos a jusante, que podemos então transformar em biocombustíveis e bioprodutos”, disse Blake Simmons, Diretor de Ciência e Tecnologia do Joint BioEnergy Institute. “Com uma melhor compreensão da genética da cana-de-açúcar, podemos compreender e controlar melhor os genótipos de plantas necessários para produzir os açúcares e intermediários derivados do bagaço que precisamos para tecnologias sustentáveis de conversão da cana-de-açúcar em uma escala relevante para a bioeconomia.”
