Duas novas publicações podem auxiliar no desenvolvimento de biocombustíveis. Uma equipe de cientistas publicou recentemente o genoma de Miscanthus sinensis, planta comumente encontrada em jardins como grama ornamental. A pesquisa já deu alguns resultados na busca de uma parte do genoma associada ao tempo de floração na grama. Ser capaz de sincronizar os tempos de floração ajudará os cientistas a cruzar diferentes Miscanthus plantas, para produzir as características mais produtivas.

Quais plantas são sequenciadas?

Apesar de ser uma grama ornamental popular, coletar o material não era tão simples quanto visitar o centro de jardinagem local para obter suprimentos. “Este artigo fez uso de um M. sinensis genótipo haploide que foi caracterizado pela Universidade de Illinois e criado pelo Institute of Plant Genetics, Polish Academy of Science”, disse Daniel Rokhsar, que codirigiu a publicação do genoma. “A planta era pequena e difícil de manter viva, portanto não era ideal para a produção de culturas de biomassa, mas devido à sua reduzida complexidade do genoma tornou a montagem do genoma mais fácil – isso dizia que mesmo o genoma básico é o resultado de uma duplicação relativamente recente do genoma inteiro.”

A equipe passou a explorar M. sinensis após iniciar um projeto com uma espécie híbrida de Miscanthus, disse o co-diretor, Kankshita Swaminathan. “Inicialmente começamos explorando o genoma de Miscanthus × giganteus. Embora soubéssemos que era um triploide (3 genomas em vez dos 2 típicos que a maioria dos organismos possui), não sabíamos sobre a duplicação do genoma inteiro. Esses estudos iniciais nos disseram que esse era um genoma complexo e difícil de montar. Usando populações de mapeamento independentes de diploides M. sinensis linhas, uma equipe do IBERS e da Universidade de Illinois gerou mapas genéticos de M. sinensis e descobri que Miscanthus abrigou toda uma duplicação do genoma que aumentou ainda mais a complexidade deste grande genoma. Esses dados iniciaram a busca por um Miscanthus haploide duplo e adicionaram pesquisadores da Academia de Ciências da Polônia à colaboração”.

Iain Donnison, que supervisionou o papel de flores, tinha uma fonte diferente para seu material. “O cruzamento da família de mapeamento do tempo de floração foi feito no Miscanthus programa de melhoramento genético envolvendo John Clifton-Brown e Charlotte Hayes. A Dra. Karen Petersen forneceu o clone feminino, selecionado em 1988 no Japão temperado (ilha de Honshu) pelo coletor de plantas dinamarquês Dr. Poul Erik Brander. Fez parte do programa europeu de melhoramento de Miscanthus (EMI) (1997–2000). O Dr. Oene Dolstra forneceu o genótipo masculino da população BIOMIS como parte de um projeto colaborativo entre o Reino Unido e os Países Baixos, financiado pelo Departamento de Meio Ambiente, Alimentação e Assuntos Rurais (Defra). Esta família é uma população de mapeamento F1 de irmãos completos resultante de cruzamento entre a fêmea EMI11 (número de acesso dinamarquês MS-88-110) e o macho H0023.

“Além disso, a IBERS arrecadou novas adesões de Miscanthus espécies e genótipos da natureza em Taiwan, Japão, China, Coréia do Sul (sob os protocolos da ONU, Convenção de Diversidade Biológica e Acesso e Repartição de Benefícios).

Como tantas pessoas se envolvem?

Os trabalhos são o resultado da cooperação de pessoas que trabalham em vários institutos, um processo que começou organicamente. “A maioria desses grupos começou a trabalhar em Miscanthus independentemente,” disse Kankshita Swaminathan. “Miscanthus é nativo do subcontinente asiático e para realmente entender Miscanthus diversidade e coletar germoplasma para reprodução precisávamos coletar plantas representativas de toda a gama. Isso levou a muitas colaborações internacionais que você vê aqui.”

Os pesquisadores se reuniram em conferências, disse Daniel Rokhsar. “Kankshita e Kerrie Farar realizam um workshop anual na reunião Plant & Animal Genome em San Diego, que reúne muitos membros desta comunidade. A conferência forneceu uma oportunidade anual para muitos envolvidos no projeto e no papel se atualizarem em intervalos. Kankshita liderou o projeto de sequenciamento e o manuscrito, incluindo a coordenação com todos os autores.”

Para o papel florescente, a colaboração ocorreu devido ao financiamento do BBSRC para uma colaboração Reino Unido-EUA concedida a Iain Donnison com Malay Saha na Samuel Roberts Noble Foundation em Oklahoma. “Os cientistas do IBERS começaram a trabalhar com a empresa americana de biotecnologia Ceres, onde Richard Flavell era o Diretor Científico. A IBERS também recebeu financiamento do BBSRC no período de floração em Miscanthus, e Ceres estava interessado em identificar marcadores moleculares para essa característica. A Ceres também já estava trabalhando com pesquisadores de switchgrass na Noble Foundation, e a colaboração entre espécies evoluiu quando percebemos que tínhamos aspirações e abordagens semelhantes na criação de bioenergia. A IBERS visitou a Ceres e a Noble em várias ocasiões e achou as interações benéficas cientificamente e divertidas.” disse Iain Donnison

“Quando os pesquisadores têm um interesse comum e complexo, não é difícil para eles se unirem”, acrescentou Kankshita Swaminathan. “Alguns e-mails, telefonemas e troca de ideias em conferências científicas muitas vezes bastam para estabelecer o interesse em trabalhar juntos em prol de um objetivo comum. Se não houver outros conflitos, uma colaboração se forma naturalmente.”

Novas oportunidades

“Este manuscrito abre oportunidades para entender a biologia dessa grama perene de grande sucesso. Ele permite que criadores e geneticistas entendam os genes por trás das características e usem marcadores para reunir as características de interesse”, disse Kankshita Swaminathan.

“Também é ótimo ter o novo genoma de referência, pois ele será usado para genômica comparativa adicional e também mapeamento genético e QTL para localizar características de interesse para regiões do genoma, análises de transcriptoma para entender como Miscanthus os genes são regulados em diferentes partes da planta e como eles respondem sob várias condições e para estudos de GxE. Isso pode acelerar o futuro cultivo de plantas de Miscanthus e os grupos IBERS e Illinois estão tentando fazer isso por meio de métodos de previsão genômica. Mais importante, isso tem potencial real para enfrentar as mudanças climáticas em um futuro próximo por meio de abordagens como a bioenergia com captura e armazenamento de carbono (BECCS) para criar emissões negativas (de carbono) e, portanto, permitir que as economias se descarbonizem e atinjam as metas líquidas zero”.

A publicação de um estudo sobre a época de floração em Miscanthus mostra que o genoma já tem valor para os pesquisadores. “O período de floração é uma característica tão importante e emocionante de estudar, especialmente quando se sabe tão pouco sobre isso em uma espécie estudada relativamente recentemente”, disse Elaine Jensen, uma das primeiras autoras do estudo de floração. “O gênero Miscanthus é incrivelmente diverso.”

“Coletamos acessos de uma faixa latitudinal que se estende de 18^oN em Hainan, China, para 45^oN em Preide, China. Sabemos de outras espécies que o tempo de floração é uma característica complexa e que a latitude de origem provavelmente tem alguma influência no tempo de floração (onde os acessos derivados da latitude norte irão florescer mais cedo), e descobrimos que M. sinensis genótipos demonstram uma relação geográfica complexa que reflete a variação climática. A única forma de fazer cruzamentos é sincronizar a floração, por isso investimos em determinar quais fatores afetam seu tempo. No entanto, uma vez feitos os cruzamentos, queremos um meio de triagem da progênie para determinar se eles terão a característica de floração tardia desejada para permitir o máximo aproveitamento da estação de crescimento: a floração ideal maximiza o rendimento e a qualidade da biomassa e garante o sustentabilidade desta cultura perene.”

Outra pressão sobre as terras agrícolas?

Mas será que a promessa de uma cultura de biocombustível mais eficiente significa que haverá maior demanda por terras agrícolas, levando a uma pressão crescente sobre o abastecimento de alimentos? Não necessariamente, afirma Iain Donnison. “A pesquisa em bioenergia é frequentemente apresentada como alimento versus combustível, seja diretamente ou por meio da mudança no uso da terra. Nosso objetivo é utilizar culturas dedicadas que crescem em terras (marginais) menos adequadas à produção de alimentos. Culturas perenes, como o Miscanthus, são mais sustentáveis ​​do que as anuais, pois não exigem um ciclo anual tão intensivo de aragem, herbicidas, pesticidas e fertilizantes.”

“As proporções de energia entre energia que entra e energia que sai podem ser extremamente altas, por exemplo, x30 ou até mais. A Miscanthus é única por ter fotossíntese C4 eficiente que funciona em temperaturas mais baixas, razão pela qual os rendimentos são tão impressionantes, mesmo em climas temperados. Nossas opções de combustíveis renováveis ​​baseados em carbono são muito limitadas, as culturas energéticas têm um papel distinto a desempenhar no sistema energético. Mais importante ainda, para atender às ambiciosas metas de mudança climática, como as acordadas no acordo de Paris 2015 na COP21, precisamos de tecnologias de remoção de GEE, como BECCS, que podem criar as emissões negativas necessárias para que as economias industriais sejam líquidas zero. Em outras palavras, essas emissões negativas são necessárias para compensar os setores difíceis de descarbonizar totalmente, como aviação, indústria pesada e pecuária (por exemplo, carnes vermelhas e laticínios), e também para ir ainda mais longe e ajudar a remover as emissões históricas das queimadas de combustíveis fósseis. Além disso, para ajudar a combater as mudanças climáticas, essas novas tecnologias verdes podem contribuir para uma recuperação pós-Covid e criar empregos, conforme descrito no anúncio do governo de uma revolução industrial verde esta semana.”

“Por mais que descarbonizemos o restante dos setores, precisamos dessas emissões negativas, onde o carbono é fixado por culturas de crescimento rápido por meio da fotossíntese e o carbono é fabricado em produtos de vida longa ou queimado em uma usina elétrica e o CO2 capturado, comprimido e depois bombeado para lojas subterrâneas. Outras alternativas são o uso do CO2 em estufas para horticultura e novamente fixação pelas plantas, ou uso industrial como parte da economia circular. Essas discussões, inclusive sobre o estabelecimento de metas, continuarão na COP26 em Glasgow no próximo ano.”

Um campo em crescimento

Qualquer pessoa que queira entrar na pesquisa deve ser capaz de encontrar um espaço para si. “Temos uma equipe muito diversificada com pessoas com expertise em biologia molecular, botânica, genética, matemática, análise computacional e programação, estatísticas e análises quantitativas etc. O importante é amar o que faz e desenvolver expertise nisso. Se houver uma lacuna em sua experiência para explorar um tópico específico (e com a ciência interdisciplinar de hoje sempre haverá), você encontra um bom colaborador que pode ajudar”, disse Kankshita Swaminathan

““As equipes de pesquisa hoje são diversas e interdisciplinares. O importante, além de desenvolver suas próprias áreas de interesse, é poder se comunicar com diversos pesquisadores e usuários em diferentes partes do pipeline comercial para contribuir com pesquisas além de sua própria área de especialização”, disse Iain Donnison.

“Acreditamos nisso com tanta paixão que até criamos um programa de graduação onde os biólogos a cada ano também estudarão com alunos de outras disciplinas, incluindo negócios, economia, política internacional e inglês e redação criativa.”

Como a mudança climática será um problema de longo prazo, é provável que continue sendo uma fonte de pesquisa por muitos anos.