Colaboração internacional indica o futuro da filogenética de plantas com flores

 

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Colaboração internacional indica o futuro da filogenética de plantas com flores

Botanical Society of America

Como você estuda um grupo de organismos com mais de 300.000 espécies, dispersos por todos os sete continentes e com até 50 vezes mais conteúdo de DNA do que o genoma humano?

Esta é a questão que se coloca aos biólogos que estudam a história evolutiva das plantas com flores, chamadas angiospermas, cuja rápida diversificação era um problema tão complicado que Darwin se referiu a ela como o ” mistério abominável “.

Este mês, tanto o American Journal of Botany ( AJB ) quanto o Applications in Plant Sciences ( APPS ) estão dedicando suas edições de julho ao que recentemente se tornou um ponto de inflexão na forma como os cientistas estudam as relações entre as plantas com flores. Chamada de Angiospermas353 , a iniciativa combina novas e inovadoras técnicas de sequenciamento de DNA com informações genéticas de 1KP, um grande recurso de dados com DNA de mais de 1.000 espécies que uma equipe internacional levou mais de uma década para ser concluído.

“Usar essas sequências de genes como uma ferramenta comum abre novas questões que não poderiam ter sido examinadas antes”, disse o Dr. Matthew Johnson, professor assistente e diretor de herbário da Texas Tech University e um dos arquitetos originais do Angiospermas353.

Até agora, os geneticistas tiveram que escolher entre duas opções ao projetar um estudo: obter pequenas quantidades de DNA para um grande número de organismos ou o contrário.

Depois que o sequenciamento de DNA foi originalmente desenvolvido em meados da década de 1960, os cientistas optaram principalmente pela primeira opção. Eles começaram a costurar a árvore da vida comparando sequências genéticas amplamente compartilhadas entre as espécies. Batizado com o nome de seu fundador, o sequenciamento Sanger foi usado para montar árvores examinando apenas um pequeno número de genes, algo como tentar entender um país apenas visitando sua capital.

Com o advento do sequenciamento de última geração na virada do século, alguns pesquisadores começaram a se especializar na abordagem oposta, montando meticulosamente o código genético inteiro de um único organismo. O primeiro caso de teste, o Projeto Genoma Humano, foi concluído em 2003, estimulando a nova era da genômica.

Hoje, o sequenciamento de última geração substituiu amplamente os métodos mais antigos na maioria dos laboratórios. No entanto, os custos permanecem proibitivamente altos para muitos pesquisadores. E embora conhecer o código genético de todo o genoma de um organismo seja útil quando se tenta responder a perguntas específicas, como como as proteínas e células funcionam em um nível molecular, comparar genomas é uma forma ineficiente de reunir relacionamentos.

Para superar esses desafios, os pesquisadores adotaram uma técnica chamada captura de sequência alvo, que aproveita as vantagens do sequenciamento de próxima geração enquanto se concentra em conjuntos definidos de centenas de genes. Este método de recuperação de DNA cresceu em popularidade nos últimos anos, permitindo aos cientistas preencher os galhos e folhas da árvore da vida para sondar profunda e amplamente dentro e entre as espécies.

Mas a captura da sequência alvo ainda tem uma grande desvantagem, pois, ao contrário de sua contraparte Sanger, ainda não houve um conjunto amplamente padronizado de sequências para comparar em vários estudos e construir sobre seus resultados. Cada vez que um pesquisador deseja analisar padrões evolutivos em um grupo de organismos, ele precisa projetar novas sondas para extrair informações genéticas.

“Esses métodos genômicos cada vez mais populares permitem aos cientistas pescar centenas de genes; no entanto, as sondas necessárias para fazer isso são caras e complexas para projetar e geralmente funcionam apenas para um grupo estreitamente definido”, disse o Dr. William Baker, pesquisador sênior Líder do Royal Botanic Gardens, Kew, e principal editor convidado da edição especial da AJB .

Essa limitação tem dificultado o desenvolvimento de grandes estudos sobre a história evolutiva das plantas, mas é um problema que os cientistas identificaram no início e trabalharam diligentemente na última década para evitar. Começando em 2019 com o lançamento de dois conjuntos de sondas combinados – Angiosperms353 para plantas com flores e GoFlag para grupos incluindo samambaias e musgos – eles agora estão começando a colher os frutos de seu trabalho.

“Angiospermas353 tem como alvo um conjunto padronizado de genes, o que significa que os dados publicados podem ser reutilizados e sintetizados em estudos para o ‘maior bem filogenético'”, disse Baker.

Os biólogos vegetais não perderam tempo colocando as sondas Angiospermas353 em uso. Os 20 estudos publicados nessas edições especiais abrangem a amplitude da diversidade de angiospermas, abrangendo mais de 500 gêneros e várias vezes mais espécies. E por causa da ampla utilidade das sondas, cada estudo também amplia um grupo específico em diferentes ampliações.

Muitas das sequências genéticas às quais as sondas correspondem têm sido relativamente estáveis ao longo dos 140 milhões de anos de história das plantas com flores. Essas fitas de DNA acumulam mutações em um ritmo glacial e, portanto, são úteis na construção dos principais ramos da árvore da vida das angiospermas.

Outras sequências sofrem mutação em um clipe muito mais rápido, a ponto de não haver duas iguais em qualquer espécie. E embora a maioria das sondas corresponda ao DNA usado ativamente pelas células para criar proteínas, elas também aderem a pequenas porções de DNA que flanqueiam cada extremidade de uma fita codificadora de proteína, regiões emblematicamente chamadas de ‘zona de respingo’.

Essas regiões flanqueadoras não codificam ativamente para proteínas; na verdade, os cientistas ainda não sabem exatamente o que fazem. O que eles sabem é que esse DNA não codificado sofre mutações rapidamente, semelhante aos tipos de genes usados para testes forenses em laboratórios criminais. Nas plantas, eles podem ser usados para iluminar relações íntimas entre espécies intimamente relacionadas ou para revelar padrões de diversidade genética entre indivíduos, preenchendo os pequenos galhos e folhas da árvore da vida e fornecendo um importante roteiro para os esforços de conservação.

Passado, presente e futuro

A captura de sequência também tem uma vantagem importante sobre as técnicas anteriores, pois pode ser usada de forma confiável para recuperar DNA antigo. Esta característica é extremamente importante em um campo onde algumas estimativas sugerem que a maioria das cerca de 70.000 espécies de plantas a serem descobertas já foram coletadas e armazenadas em herbários. Algumas espécies, como Miconia abscondita , só foram descobertas por meio de análises genéticas de tecido de herbário depois de terem sido extintas na natureza. E análises de comunidades de plantas de eras passadas foram usadas em vários casos para estudar como as plantas estão respondendo às mudanças climáticas.

Os estudos nessas questões oferecem um vislumbre do futuro da filogenética de plantas, em que os pesquisadores podem obter imensas quantidades de dados em uma fração do tempo que levariam apenas 20 anos atrás.

Para Baker, que publicará dados de Angiospermas353 para mais de 7.000 gêneros de plantas com flores ainda este ano, esse futuro parece brilhante. Em conjunto com o Royal Botanic Gardens, Kew, ele e vários colegas têm usado o novo conjunto de sondas para construir a árvore da vida por meio do projeto PAFTOL . Ele também ajudou a lançar um repositório gratuito chamado Kew Tree of Life Explorer para armazenar e distribuir as crescentes quantidades de dados genéticos de pesquisadores de todo o mundo que estão usando as sondas.

“A padronização desses genes direcionados renderá dividendos nas próximas décadas, conforme avançamos em direção ao nosso objetivo coletivo de uma árvore da vida completa para todas as espécies”, disse Baker.

ARTIGOS INCLUÍDOS NESTAS QUESTÕES

Antonelli, A., J. J. Clarkson, K. Kainulainen, O. Maurin, G. E. Brewer, A. P. Davis, N. Epitawalage, et al. 2021. Settling a family feud: a high-level phylogenomic framework for the Gentianales based on 353 nuclear genes and partial plastomes. American Journal of Botany 108(7): 1142-1164.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1697

Baker, W. J., S. Dodsworth, F. Forest, S. W. Graham, M. G. Johnson, A. McDonnell, L. Pokorny, et al. 2021b. Exploring Angiosperms353: an open, community toolkit for collaborative phylogenomic research on flowering plants. American Journal of Botany 108(7): 1058-1064.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1703

Buerki, S., M. W. Callmander, P. Acevedo-Rodriguez, P. P. Lowry II, J. Munzinger, P. Bailey, O. Maurin, et al. 2021. An updated infra-familial classification of Sapindaceae based on targeted enrichment data. American Journal of Botany 108(7): 1233-1250.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1693

Clarkson, J. J., A. R. Zuntini, O. Maurin, S. R. Downie, G. M. Plunkett, A. N. Nicolas, J. F. Smith, et al. 2021. A higher-level nuclear phylogenomic study of the carrot family (Apiaceae). American Journal of Botany 108(7): 1251-1268.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1701

Eserman, L. A., S. K. Thomas, E. E. D. Coffey, and J. H. Leebens-Mack. 2021. Target sequence capture in orchids: developing a kit to sequence hundreds of single-copy loci. Applications in Plant Sciences 9(7): e11416.
https://doi.org/10.1002/aps3.11416

Hendriks, K. P., T. Mandáková, N. M. Hay, E. Ly, A. Hooft van Huysduynen, R. Tamrakar, S. K. Thomas, et al. The best of both worlds: combining lineage-specific and universal bait sets in target-enrichment hybridization reactions. Applications in Plant Sciences 9(7): e11438.
https://doi.org/10.1002/aps3.11438

Lee, A. K., I. S. Gilman, M. Srivastav, A. D. Lerner, M. J. Donoghue, and W. L. Clement. 2021. Reconstructing Dipsacales phylogeny using Angiosperms353: issues and insights. American Journal of Botany 108(7): 1121-1141.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1695

Maurin, O., A. Anest, S. Bellot, E. Biffin, G. Brewer, T. Charles-Dominique, R. S. Cowan, et al. 2021. A nuclear phylogenomic study of the angiosperm order Myrtales, exploring the potential and limitations of the universal Angiosperms353 probe set. American Journal of Botany 108(7): 1086-1110.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1699

McDonnell, A. J., W. J. Baker, S. Dodsworth, F. Forest, S. W. Graham, M. G. Johnson, L. Pokorny, J. Tate, S. Wicke, and N. J. Wickett. 2021. Exploring Angiosperms353: developing and applying a universal toolkit for flowering plant phylogenomics. Applications in Plant Sciences 9(7): e11443.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1703

McLay, T. G. B., J. L. Birch, B. F. Gunn, W. Ning, J. A. Tate, L. Nauheimer, E. M. Joyce, et al. 2021. New targets acquired: improving locus recovery from the Angiosperms353 probe set. Applications in Plant Sciences 9(7): e11420
https://doi.org/10.1002/aps3.11420

Nauheimer, L., N. Weigner, E. Joyce, D. Crayn, C. Clarke, and K. Nargar. 2021. HybPhaser: a workflow for the detection and phasing of hybrids in target capture data sets. Applications in Plant Sciences 9(7): e11441.
https://doi.org/10.1002/aps3.11441

Ottenlips, M. V., D. H. Mansfield, S. Buerki, M. A. E. Feist, S. R. Downie, S. Dodsworth, F. Forest, et al. 2021. Resolving species boundaries in a recent radiation with the Angiosperms353 probe set: The Lomatium packardiae/L. anomalum clade of the L. triternatum (Apiaceae) complex. American Journal of Botany 108(7): 1216-1232.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1676

Pérez-Escobar, Ó. A., S. Dodsworth, D. Bogarín, S. Bellot, J. A. Balbuena, R. J. Schley, I. A. Kikuchi, et al. 2021. Hundreds of nuclear and plastid loci yield novel insights into orchid relationships. American Journal of Botany 108(7): 1165-1179.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1702

Pillon, Y., H. C. F. Hopkins, O. Maurin, N. Epitawalage, J. Bradford, Z. S. Rogers, W. J. Baker, and F. Forest. 2021. Phylogenomics and biogeography of Cunoniaceae (Oxalidales) with complete generic sampling and taxonomic realignments. American Journal of Botany 108(7): 1180-1199.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1688

Shah, T., J. V. Schneider, G. Zizka, O. Maurin, W. Baker, F. Forest, G. E. Brewer, V. Savolainen, et al. 2021. Joining forces in Ochnaceae phylogenomics: A tale of two targeted sequencing probe kits. American Journal of Botany 108(7): 1200-1215.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1682

Siniscalchi, C. M., O. Hidalgo, L. Palazzesi, J. Pellicer, L. Pokorny, O. Maurin, I. J. Leitch, et al. 2021. Lineage-specific vs. universal: a comparison of the Compositae1061 and Angiosperms353 enrichment panels in the sunflower family. Applications in Plant Sciences 9(7): e11422.
https://doi.org/10.1002/aps3.11422

Slimp, M., L. D. Williams, H. Hale, and M. G. Johnson. 2021. On the potential of Angiosperms353 for population genomic studies. Applications in Plant Sciences 9(7): e11419.
https://doi.org/10.1002/aps3.11419

Thomas, A. E., J. Igea, H. M. Meudt, D. C. Albach, W. G. Lee, and A. J. Tanentzap. 2021. Using target sequence capture to improve the phylogenetic resolution of a rapid radiation in New Zealand Veronica. American Journal of Botany 108(7): 1288-1305.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1678

Thomas, S. K., X. Liu, Z.-Y. Du, Y. Dong, A. Cummings, L. Pokorny, Q.-Y. Xiang, and J. H. Leebens-Mack. 2021. Comprehending Cornales: phylogenetic reconstruction of the order using the Angiosperms353 probe set. American Journal of Botany 108(7): 1111-1120.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1696

Ufimov, R., V. Zeisek, S. Píšová, W. J. Baker, T. Fér, M. van Loo, C. Dobeš, and R. Schmickl. 2021. Relative performance of customized and universal probe sets in target enrichment: A case study in subtribe Malinae. Applications in Plant Sciences 9(7): e11442.

Wenzell, K. E., A. J. McDonnell, N. J. Wickett, J. B. Fant, and K. A. Skogen. 2021. Incomplete reproductive isolation and low genetic differentiation despite floral divergence across varying geographic scales in Castilleja. American Journal of Botany 108(7): 1269-1287.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1700

Zuntini, A. R., L. P. Frankel, L. Pokorny, F. Forest, and W. J. Baker. 2021. A comprehensive phylogenomic study of the monocot order Commelinales, with a new classification of Commelinaceae. American Journal of Botany 108(7): 1065-1085.
https://doi.org/10.1002/ajb2.1698

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The American Journal of Botany ( AJB ) e Applications in Plant Sciences ( APPS ) são publicados pela Botanical Society of America, em parceria com a Wiley

 

Henrique Cortez, tradução e edição, a partir de informações da Botanical Society of America

in EcoDebate, ISSN 2446-9394, 26/07/2021

 

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