Um troca-troca danado de genes

Estudo recente sugere que a transferência horizontal de genes entre bactérias do solo e algas foi um passo importante na evolução das plantas terrestres.

Quando pensamos em transferência de genes frequentemente pensamos no que chamamos de transferência vertical: genes são passados de uma geração para a outra quando os filhos recebem genes dos pais. Esse é o caso clássico de reprodução sexuada, na qual os gametas materno e paterno, cada qual contendo a metade dos genes parentais, unem-se para a formação do zigoto. No entanto, quanto mais estudamos, mais encontramos evidências de transferência horizontal de genes em momentos cruciais da história evolutiva dos eucariontes. Transferência horizontal de genes é a passagem de material genético entre organismos não-descendentes. Ela frequentemente acontece entre organismos de espécies diferentes. O estudo da transferência horizontal de genes tem uma longa história. Esse fenômeno foi inicialmente descrito a partir dos experimentos de Griffith em 1928. Mas foi apenas em 1985 que as implicações evolutivas da transferência horizontal de genes começaram a ser mais amplamente discutidas.

Afinal de contas, qual a importância desse fenômeno para a evolução da vida na Terra? Um artigo publicado recentemente sugere que a transferência horizontal de genes pode estar relacionada a um importante passo na história evolutiva das plantas: a conquista do ambiente terrestre. Hoje, a importância das plantas terrestres para o vida na Terra é indiscutível: elas representam a maior parte da biomassa do planeta, contendo aproximadamente 500 bilhões de toneladas de carbono, mais de quatro vezes a quantidade presente em todos os outros organismos vivos combinados. Dentre as várias contribuições das primeiras plantas terrestres, estão a formação do solo e a modificação do clima, transformando a Terra em um ambiente mais propício para a sobrevivência de vários outros organismos terrestres. Uma boa introdução a esse temas está num vídeo produzido pela California Academy of Sciences, que apresenta a história da conquista do ambiente terrestre pelas plantas, assim como suas principais consequências.

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Figura 1 – Imagem de microscopia óptica das duas espécies de Zygnematophyceae cujos genomas foram sequenciados. (A) Spirogloea muscicola; (B) Mesotaenium endlicherianum. (Fonte: Modificado de Cheng et al. 2019, Cell).

Cientistas consideram que a conquista do ambiente terrestre pelas plantas ocorreu por volta de 450 milhões de anos atrás, a partir de um grupo de algas estreptófitas. Apesar de ainda não sabermos exatamente qual grupo de estreptófitas é mais proximamente aparentado às plantas terrestres, estudos apontam para as Zygnematophyceae. Curiosamente, apesar de muitas Zygnematophyceae serem estruturalmente simples, consistindo em células isoladas ou filamentos simples de células (Figura 1), algumas espécies habitam ambientes subaéreos/terrestres, ao invés do ambiente aquático da maioria das outras algas. Buscando entender a origem das plantas terrestres, cientistas sequenciaram o genoma de duas Zygnematophyceae de ambientes subaéreo/terrestres: Spirogloea muscicolaMesotaenium endlicherianum (Figura 1).

A partir da análise desses genomas, assim como da sua comparação com genomas de plantas terrestres, resultados interessantes foram alcançados.  Por exemplo, a partir da análise de 85 genes encontrados nas algas e plantas terrestres, as Zygnematophycea aparecem como a linhagem de algas mais proximamente relacionada às plantas terrestres (Figura 2a), possivelmente resolvendo uma longa disputa a respeito da ancestralidade dessas plantas. Além disso, os cientistas foram capazes de identificar no genoma das algas estudadas diversos genes fundamentais para a sobrevivência em ambiente terrestre, sugerindo que esse conjunto de genes já estava presente no ancestral das plantas terrestres e das Zygnematophyceae. O resultado da análise dos genomas sugere também algo surpreendente: alguns dos genes relacionados ao aumento da resistência a estresse biótico e abiótico em plantas terrestres (tais como GRAS e PYR/PYL/RCAR), a processos de desenvolvimento e a interações simbióticas foram adquiridos por meio de transferência horizontal de genes para o ancestral comum das Zygnematophyceae e das plantas terrestres , a partir de bactérias presentes no solo. A Figura 2b apresenta um exemplo de um dos genes adquiridos por transferência horizontal. Nessa figura, podemos observar que o gene GRAS de Zygnematophyceae e plantas terrestres é proximamente relacionado a genes GRAS do Grupo 1 de bactérias do solo, e bastante distinto dos genes GRAS do Grupo 2, presentes apenas em bactérias (Figura 2b).

 

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Figura 2 – (A) Árvore filogenética  representando as relações de parentesco entre as várias linhagens de algas e plantas terrestes (também chamadas de Embriófitas). Essa árvore foi construída a partir da análise de 85 genes presentes em algas e plantas terrestres e aponta para as Zygnematohyceae como grupo mais proximamente aparentado às plantas terrestres. (*) Indicam as duas espécies de Zygnematophyceae que tiveram seus genomas sequenciados. (B) Árvore do gene GRAS em bactérias, algas e plantas terrestres. Enquanto as bactérias possuem dois tipos de gene GRAS (Grupos 1 e 2), os genes GRAS em algas e plantas terrestres assemelham-se apenas aos genes GRAS do Grupo 1 de bactérias, particularmente bactérias do solo. A similaridade entre os genes desse grupo em bactérias do solo, algas e plantas terrestres sugere um evento de transferência  horizontal (HGT), no qual um gene GRAS do Grupo 1 de bactérias do solo foi adquirido pelo ancestral comum das Zygnematophyceae e plantas terrestres (Fonte: Modificado de Cheng et al. 2019, Cell).

Apesar de grande ênfase ter sido dada à transferência horizontal de genes entre bactérias, hoje sabemos que esse fenômeno pode acontecer entre qualquer um dos três domínios da vida (Archaea, Bacteria, Eukaryota), e em qualquer direção. Por exemplo, em 2008, A.M. Nendelcu e colaboradores descreveram a transferência horizontal de quatro genes relacionados a resposta ao estresse entre algas e coanoflagelados (ambos eucariontes) e, no ano anterior, pesquisadores descreveram a transferência de dois genes do citoesqueleto de eucariontes para cianobactérias. Os mecanismos de transmissão lateral de genes entre bactérias já foram amplamente estudados. Os três principais mecanismos são a transformação (aquisição de material genético diretamente do ambiente), a transdução (aquisição de material genético mediada por vírus) e a conjugação (transferência de material genético diretamente entre bactérias mediada por plasmídeos).  Conhecemos muito menos a respeito dos mecanismos de transferência lateral de genes entre eucariotos, ou entre eucariotos e outros domínios (Bacteria e Archaea). Esta é uma área bastante ativa de pesquisa.

O estudo do genoma das Zygnematophyceae fornece mais um exemplo dessa constante troca de genes entre organismos distantemente aparentados. Nesse caso, a troca de genes resultou em uma grande revolução na história da vida na Terra. A conquista do ambiente terrestre pelas plantas influenciou, sem dúvida, a evolução da vida no planeta. Sem essa troca o mundo provavelmente seria muito diferente do que conhecemos hoje. Sem essa transferência horizontal de genes, talvez nem mesmo existíssemos.

Ana Almeida

California State University East Bay (CSUEB)

 

Para saber mais:

Boto L. 2010. Horizontal gene transfer in evolution: facts and challenges. Proceedings of The Royal Society B 277: 819-827.

Ponce-Toledo R.I., López-García P., Moreira D. 2019. Horizontal and endosymbiotic gene transfer in early plastid evolution. New Phytologist 224: 618-624.

Schönknecht G., Weber A.P., Lercher M.J. 2014. Horizontal gene acquisitions by eukaryotes as drivers of adaptive evolution. BioEssays 36: 9-20.

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