Como o genoma de Sclerotinia sclerotiorum e Botrytis cinerea se divide entre núcleos

Genomas reúnem toda a biblioteca de informação necessária para formar e manter um organismo vivo - um conjunto figurativo de “plantas” da vida.

Nos eucariotos, os genomas ficam guardados no núcleo celular, onde são organizados em cromossomos. Eucarioto é todo organismo cujas células têm um núcleo envolto por uma membrana: plantas, animais, fungos e muitos microrganismos entram nessa categoria.

No genoma humano, por exemplo, essa organização aparece em 23 cromossomos, cada um contendo uma parte do código genético completo.

Até pouco tempo, assumia-se como regra que cada núcleo sempre carregava, no mínimo, um conjunto completo de cromossomos - a ideia de “um núcleo, um genoma completo”.

Nossas pesquisas, porém, mostraram que, em duas espécies de fungos, o genoma pode ser repartido entre múltiplos núcleos, de modo que cada núcleo recebe apenas uma fração do total de cromossomos.

Uma descoberta surpreendente no genoma de S. sclerotiorum

No nosso laboratório, na University of British Columbia, investigamos o fungo Sclerotinia sclerotiorum, um patógeno de solo que provoca podridão do caule ou mofo-branco em diversas culturas agrícolas, incluindo canola, soja e girassol.

Apesar dos prejuízos que causa a culturas comerciais, a genética e a biologia celular de S. sclerotiorum ainda são pouco compreendidas.

Ao tentar esclarecer melhor a biologia desse fungo, chegamos a uma constatação inesperada sobre como seus 16 cromossomos se organizam durante a divisão celular e a reprodução.

A maioria das células eucarióticas é diploide, isto é, o núcleo contém duas cópias de cada cromossomo. Em muitos fungos, como a levedura de padeiro, a reprodução começa quando uma célula parental diploide se divide e gera esporos haploides, com um único núcleo abrigando uma cópia de cada cromossomo.

Em S. sclerotiorum, contudo, os esporos - chamados de ascosporos - trazem dois núcleos separados. Até então, considerava-se que cada núcleo fosse haploide, contendo o conjunto completo dos 16 cromossomos. Se isso fosse verdade, cada ascósporo teria 32 cromossomos no total, algo comparável a uma célula diploide.

Com microscopia de fluorescência, conseguimos contar diretamente quantos cromossomos existem em um único ascósporo. De forma notável, observamos de modo consistente apenas 16 cromossomos por ascósporo, o que contraria os 32 que seriam esperados pela teoria vigente de “um núcleo, um genoma completo”.

Também aplicamos sondas fluorescentes para marcar cromossomos específicos e verificamos que os dois núcleos presentes em um ascósporo não carregam os mesmos cromossomos. Em vez disso, os ascosporos têm um único conjunto de 16 cromossomos distribuído entre dois núcleos, e não um conjunto completo em cada núcleo.

Divisão irregular dos cromossomos entre núcleos

A pergunta seguinte foi se esses 16 cromossomos são distribuídos aleatoriamente entre os dois núcleos, ou se essa partilha do genoma segue algum padrão regular.

Para investigar, separamos núcleos individualmente e identificamos quais cromossomos estavam presentes por meio de análise de reação em cadeia da polimerase (PCR). Descobrimos que a composição de cromossomos varia entre núcleos, indicando que a divisão dos cromossomos entre eles ocorre de maneira irregular.

Diante disso, quisemos saber se algo semelhante também acontece em outros fungos. Botrytis cinerea é outra espécie de fungo fitopatogênico da mesma família de S. sclerotiorum.

B. cinerea produz esporos conidiais que, em geral, têm de quatro a seis núcleos, em vez dos dois núcleos observados de forma regular nos ascosporos de S. sclerotiorum. Usando métodos parecidos, constatamos que os 18 cromossomos do genoma de B. cinerea também se encontram repartidos entre os núcleos, e que cada núcleo costuma carregar de três a oito cromossomos.

Essa evidência indica que a “divisão” de um genoma haploide entre núcleos acontece em mais de um fungo fitopatogênico. Ainda assim, será preciso mais pesquisa para entender se esse fenômeno é mais difundido em outras famílias de fungos - ou até mesmo em outros eucariotos.

Um mecanismo ainda desconhecido

Ver que os genomas haploides de S. sclerotiorum e B. cinerea ficam distribuídos por diferentes núcleos levanta questões sobre como essa separação se encaixa no restante do ciclo de vida desses fungos.

Para gerar a próxima geração, esses organismos precisam voltar a formar uma célula diploide com o conjunto completo de cromossomos, a partir da qual novos ascosporos podem ser produzidos. Presumivelmente, isso exige a fusão de núcleos com cromossomos complementares para recompor o genoma. Então, como esses fungos garantem que os núcleos “certos” se fundam?

A explicação mais simples seria um tipo de seleção de viabilidade: os núcleos poderiam se fundir ao acaso, mas apenas aqueles que reconstituíssem um genoma completo conseguiriam produzir ascosporos viáveis.

Essa hipótese parece pouco eficiente, e um cenário mais atraente é o de existir alguma estrutura ou mecanismo capaz de manter núcleos complementares juntos após a divisão inicial, permitindo que se recombinem com facilidade mais adiante no ciclo de vida do fungo.

Esperamos que nossos estudos futuros esclareçam essas questões instigantes e ampliem o entendimento sobre a dinâmica fundamental dos núcleos e de seus genomas.

Com uma compreensão mais profunda, será possível promover revoluções marcantes na edição gênica, permitindo que pesquisadores manipulem cromossomos e núcleos conforme desejarem.

Xin Li, Professor, Botany, University of British Columbia; Edan Jackson, PhD Student, Botany, University of British Columbia, e Josh Li, Masters Student, Medicine, University of British Columbia

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.