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Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte transferiram com sucesso um gene importante de um compartimento de uma célula vegetal para outro para produzir plantas de tabaco que não possuem pólen e sementes viáveis, enquanto crescem normalmente. As suas descobertas podem levar a melhores formas de produzir sementes híbridas para maximizar a produtividade das culturas, ou para introduzir a ausência de sementes em espécies frutíferas que carecem da característica frequentemente desejada, como framboesas, amoras ou uvas muscadine.
Os pesquisadores começaram o trabalho na porção produtora de energia de uma célula, as mitocôndrias. Nas plantas, as aberrações no genoma mitocondrial podem estar associadas à incapacidade de produzir pólen, uma característica conhecida como esterilidade masculina citoplasmática (CMS) que tem sido explorada com sucesso para a produção de sementes híbridas de alto rendimento em muitas culturas importantes. No entanto, os sistemas baseados em CMS de ocorrência natural e robustos o suficiente para facilitar a produção de sementes híbridas em escala comercial são limitados.
No seu estudo de prova de conceito, os investigadores do Estado da Carolina do Norte, juntamente com colegas da Precision BioSciences e da Elo Life Systems, implementaram uma estratégia única para testar se a característica CMS poderia ser gerada no tabaco, uma espécie modelo comumente utilizada na investigação de plantas. Os pesquisadores inicialmente pegaram um gene mitocondrial essencial chamado atp1 e o moveram para o núcleo depois de colocá-lo sob o controle regulatório de um elemento – conhecido como promotor – que eles previram que permitiria que o gene atp1 transferido fosse expresso em cada célula do cérebro. planta, exceto aqueles responsáveis pela produção de pólen. Os pesquisadores então usaram ferramentas de edição de genoma para remover permanentemente o gene atp1 nativo das mitocôndrias.
A abordagem deles foi bem-sucedida.
“Os resultados superaram as nossas expectativas”, disse Ralph Dewey, professor da Philip Morris de Crop Science na NC State e autor correspondente de um artigo que descreve a pesquisa. “As plantas pareciam completamente normais até começarem a florescer, mas depois não conseguiram produzir pólen porque o gene atp1 transferido não era mais expresso. É importante ressaltar que, como o gene atp1 original foi excluído do genoma mitocondrial, a característica será herdada maternamente, o que é uma consideração crucial para a produção de sementes híbridas em larga escala.”
O pólen não foi a única vítima da técnica. Quando fertilizadas com pólen de uma planta vizinha normal, suas plantas de tabaco produziram inesperadamente sementes pequenas e ocas, muito parecidas com aquelas vistas em frutas populares “sem sementes”, como melancias e uvas.
“Isso ocorre porque o promotor que escolhemos não só não conseguiu se expressar durante a formação do pólen, mas também durante o desenvolvimento inicial das sementes”, disse Dewey.
Dewey disse que sua equipe está agora trabalhando para dissociar esses resultados para que os pesquisadores possam alcançar a infertilidade do pólen ou a característica sem sementes sozinha, em vez de ambas ao mesmo tempo.
Dewey também enfatizou que as descobertas não deveriam se limitar às plantas de tabaco. A próxima geração de experimentos incluirá o teste da característica sem sementes no tomate, um parente próximo do tabaco. Eles também testarão sua nova característica CMS em grãos como o arroz para testar a eficácia de seu sistema em uma cultura onde a produção de sementes híbridas é importante para alcançar rendimentos máximos.
“Conhecendo a forma como o sistema funciona, não há razão para acreditar que não poderíamos transferir eficazmente a tecnologia para outras espécies de plantas”, disse ele.
O estudo aparece em Fronteiras na ciência das plantas. Devarshi Selote, H. Carol Griffin, Allison N. Dickey, Derek Jantz, J. Jeff Smith, Anna Matthiadis, Josh Strable, Caitlin Kestell e William A. Smith são coautores do artigo. O trabalho foi financiado em parte por uma doação da Elo Life Systems e apoiado pelo NC State Plant Breeding Consortium. Dewey e vários outros pesquisadores registraram uma patente para a nova técnica.
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