Uma doce história: a cana-de-açúcar moderna se origina de três genomas ancestrais

A cana-de-açúcar é uma cultura tropical, contribuindo com 60-80% da sacarose bruta produzida em todo o mundo. Duas espécies silvestres de cana-de-açúcar são conhecidas no Sacarum gênero, S. espontâneo e S. robusto. A doce cana domesticada, S. officinarum, é pensado para ter sido domesticado de S. robusto na Nova Guiné há cerca de 8,000 anos. A cana-de-açúcar é toda poliploide (possui mais de dois pares de cromossomos) e as cultivares modernas possuem cerca de 120 cromossomos, tornando complicado qualquer trabalho genômico com a cana-de-açúcar. Em comparação, os humanos têm 23 pares, 46 cromossomos no total.  

Nicolas Pompidor, doutorando, e Dra Angélique D'Hont da CIRAD e colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade de Illinois analisou centenas de sequências de cana-de-açúcar e descobriu que o gênero se origina de três genomas fundadores. Verificou-se que todas as cultivares modernas derivam de algumas hibridizações interespecíficas feitas por criadores há um século entre alguns S. officinarum e S. espontâneo. A Dra. Angélique D'Hont contribuiu para a montagem do primeiro genoma de referência da cana-de-açúcar e tem trabalhado genômica da banana. 

Pompidor, D'Hont e colegas sequenciaram 12 haplótipos da cultivar R570, focando em duas regiões genômicas distintas (Adh1 e Rpa1). Os pesquisadores também colocaram 95 sequências completas do genoma e 304 sequências direcionadas para capturar a diversidade genética de Saccharum (S. officinarum, S. robustum, S. espontaneum, S. barberi, S. edule) e espécies relacionadas. Relações filogenéticas, tempos de divergência e origem de três grupos foram analisados. 

Os pesquisadores descobriram que os 12 haplótipos formavam três grupos, sugerindo que havia três genomas fundadores (A, B e C) envolvidos na origem do Sacarum gênero e cultivares modernas de cana-de-açúcar. Os genomas A e B foram fornecidos pela cana-de-açúcar, S. officinarum enquanto C foi contribuído pelas espécies selvagens, S. espontâneo. Estima-se que esses grupos tenham divergido uns dos outros há cerca de 0.8 a 1.3 milhões de anos, enquanto o Sacarum e Miscanthus gêneros divergiram uns dos outros 5.7 milhões de anos atrás. Dentro das duas regiões genômicas, foram identificados 60-188 polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) que podem ser usados ​​em estudos futuros para investigar as contribuições dos três genomas fundadores em outras cultivares.

Os primeiros híbridos de cana-de-açúcar feitos pelo homem entre S. officinarum e S. espontâneo foram feitas devido a surtos de doenças, mas os híbridos não tinham ou tinham baixos níveis de açúcar. 

O alto teor de açúcar foi restaurado por meio de retrocruzamentos repetidos com S. officinarum. 

“Os três grupos de SNPs [polimorfismos de nucleotídeo único] também foram encontrados em todas as cultivares modernas testadas, todas derivadas de algumas hibridizações interespecíficas feitas por criadores há um século entre alguns S. officinarum e S. espontâneo e S.barberi clones. Essas hibridizações interespecíficas foram seguidas de retrocruzamentos com S. officinarum para recuperar um bom desempenho agronômico”, escreveram Pompidor, D'Hont e colegas.

“Nossos resultados sugeriram que, após sua divergência da linhagem Miscanthus, a linhagem Saccharum se diferenciou em algumas sublinhagens (A, B, C e podem ser outras) que posteriormente sofreram eventos auto e/ou alopoliploides levando aos dias atuais poliplóides de ordem superior (> 4x).

Este estudo respondeu a muitas perguntas sobre as origens do Sacarum gênero e superou os desafios de trabalhar com a genômica de um grupo muito complicado de plantas. 
A cultura da cana-de-açúcar tem grande impacto negativo no meio ambiente pois são a cultura mais sedenta do mundo, mas é uma importante bioenergia. A demanda global por eles continua a aumentar. Da próxima vez que for misturar uma colher de açúcar em sua bebida, lembre-se de que são necessários 213 galões de água para produzir meio quilo de cana-de-açúcar refinado!