O aumento da produção agrícola está no cerne da obtenção da segurança alimentar no século 21.st século. Um grupo de cientistas está enfrentando esse desafio estudando a ramificação de brotos, um dos principais fatores que afetam o rendimento. Eles simularam testes de reprodução com seleção para ramificação usando simulações computacionais de características controladas por genes. Eles descobriram que a seleção para ramificação é difícil devido às complexas interações entre os hormônios característicos e a sacarose que controlam a ramificação.

Apesar do conhecimento detalhado dos mecanismos moleculares e fisiológicos da ramificação, traduzir essas descobertas em resultados de reprodução ainda é um desafio. Examinar a rede de genes para fenótipos de características complexas usando conhecimento prévio de interações biológicas pode desmascarar variações genéticas ocultas e identificar características intermediárias que podem aumentar a precisão da seleção e a eficiência da reprodução para ramificação.

Dr. Owen Powell, pesquisador de pós-doutorado na Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation na Universidade de Queensland e co-autores desenvolveu uma rede de gene para fenótipo para ramificação de brotos. Usando esse modelo, eles investigaram a magnitude da variação genética oculta que controla a característica complexa de ramificação de brotos e suas implicações para o ganho genético ao longo dos ciclos de seleção.

O diagrama à esquerda mostra uma porção de um caule com uma única folha. Na axila da folha está um botão. No diagrama à direita, o botão se alongou em um ramo lateral.
O diagrama à esquerda mostra uma porção de um caule com uma única folha. Na axila da folha está um botão. No diagrama à direita, o botão se alongou em um ramo lateral. Figura do Atlas Digital da Vida Antiga https://www.digitalatlasofancientlife.org/

A ramificação do rebento depende do crescimento de gemas axilares que se formam nas axilas das folhas. Pesquisa anterior demonstraram que o tempo para o crescimento de brotos axilares foi controlado pelos níveis de hormônios (auxina, citocininas, estrigolactonas) e sacarose usando um modelo empírico de rede de ramificação de brotos. Os autores estenderam esse modelo para incluir efeitos genéticos causais no controle dos níveis hormonais e de sacarose.

Um diagrama de fluxo com três níveis horizontais. O nível inferior são os loci genéticos causais que listam 4 genes para cada característica intermediária. As setas apontam para o próximo nível, que lista as características intermediárias que eles controlam. São eles: estrigolactonas, auxinas, sacarose e citocininas. Uma seta lateral aponta da auxina para as estrigolactonas. Outra seta lateral aponta da sacarose para as citocininas. As estrigolactonas e as citocininas são os integradores de sinal para o crescimento dos brotos, a característica alvo sob seleção.
Atire o gene de ramificação para a rede de fenótipos. Dez loci genéticos causais e interações determinam os níveis de cada uma das características intermediárias: estrigolactonas (SL), auxina (A), sacarose (Suc) e citocininas (CK). Por sua vez, os níveis dessas características intermediárias (hormônios, sacarose e o integrador de sinal), suas interações e erros aleatórios determinam o tempo para o desenvolvimento de gemas de uma planta individual.

Os autores realizaram in silico experimentos de seleção para determinar se a visão de rede da ramificação de brotos em plantas teve implicações na previsão de resposta à seleção de melhoramento. Aconteceu e não faltaram surpresas! A seleção do gene de ramificação do broto para a rede de fenótipos para crescimento mais rápido dos brotos não foi bem-sucedida. Powell explica, “esperamos ver respostas decrescentes à seleção ao longo do tempo, eventualmente atingindo um platô permanente. Em vez disso, vimos uma combinação de platôs temporários e permanentes, especialmente para a sacarose. Esta é uma indicação de canalização genética, uma propriedade emergente das complexas interações entre os componentes da rede ramificada de gene para fenótipo”.

Trajetórias de seleção para a rede G2P de ramificação de brotos para crescimento de gemas mais rápido.

A canalização genética descreve um fenômeno do mapa gene-para-fenótipo quando o fenótipo é resistente a mudanças genéticas, neste caso causadas por pressão de seleção.

Para examinar os condutores das respostas inesperadas à seleção, eles examinaram os padrões dos níveis hormonais e de sacarose e a frequência de alelos das populações ao longo dos ciclos de seleção. “A expressão genética não expressa para a sacarose pode ser explicada pela complexa interação entre a sinalização da sacarose e da estrigolactona na rede gene-para-fenótipo. Múltiplas combinações genéticas de sacarose e estrigolactona produzem valores semelhantes para o crescimento de brotos, resultando em genótipos com combinações completamente diferentes de níveis de estrigolactona e sacarose, produzindo valores semelhantes para o tempo de crescimento de brotos”, continuou Powell.

Um diagrama explicando a variação genética enigmática da sacarose. O diagrama tem três níveis horizontais. O nível inferior mostra loci genéticos causais com interações de sinalização complexas entre as características intermediárias da sinalização de sacarose e estrigolactona no segundo nível. Essas características convergem para o nível superior, característica alvo do crescimento de gemas, indicando que combinações completamente diferentes de níveis de estrigolactona e sacarose produzem valores semelhantes para tempo de crescimento de gemas.
Explicação esquemática da canalização genética de redes de genes para fenótipos. Múltiplas combinações genéticas de características intermediárias produzem valores semelhantes para a característica alvo, causando o acúmulo de variação genética críptica que não pode ser acessada pela seleção.

Espera-se que a canalização genética seja difundida em outras características complexas, como rendimento de grãos, que resulta de interações entre múltiplos genes, características, ambientes e práticas de manejo agronômico. Isso ilustra a necessidade de reprodução preditiva para ter uma visão de rede de características complexas para avançar nossa compreensão da resposta de seleção e a eficiência do desenvolvimento de culturas resilientes para climas futuros.

LEIA O ARTIGO:

Owen M Powell, Francois Barbier, Kai P Voss-Fels, Christine Beveridge, Mark Cooper, Investigações sobre as propriedades emergentes de redes gene-para-fenótipo em ciclos de seleção: Um estudo de caso de ramificação de brotos em plantas, in silico Plants, 2022;, diac006, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac006